一種新型的數(shù)字式地平儀檢測系統(tǒng)

呂 明，郭玲玲

（海軍航空兵學(xué)院，遼寧 葫蘆島125001）

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一種新型的數(shù)字式地平儀檢測系統(tǒng)

呂 明，郭玲玲

（海軍航空兵學(xué)院，遼寧 葫蘆島125001）

摘要：利用PWM信號控制力矩電機的旋轉(zhuǎn)和擺動，通過單片機控制，解決了老式檢測儀器的缺點，實現(xiàn)對地平儀更加準(zhǔn)確、便捷的檢測。

關(guān)鍵詞：PWM；轉(zhuǎn)臺；力矩電機；地平儀

地平儀是一種利用三自由度陀螺的運動特性測量并指示飛機的俯仰角和傾斜角的儀表。飛行員讀取地平儀的指示值來判斷飛機的姿態(tài)并決定如何操縱飛機，因此，地平儀能否正確測量和指示飛機姿態(tài)直接關(guān)系飛行安全。為了保證地平儀的指示精度，機務(wù)人員要定期檢測地平儀的指示精度是否在允許誤差范圍內(nèi)。

1　新型檢測系統(tǒng)特點

目前，機務(wù)對地平儀的檢測仍然使用老式的速率轉(zhuǎn)臺，如圖1所示。這種轉(zhuǎn)臺只有幾個固定的可控速率點，轉(zhuǎn)臺的驅(qū)動電路是模擬信號，控制精度低。為了提高機務(wù)對地平儀的保障水平，有必要研制一種檢測精度更高、控制操作更加便捷的檢測系統(tǒng)。

圖1　老式地平儀試驗轉(zhuǎn)臺

圖2所示為新式地平儀檢測系統(tǒng)，與老式的試驗轉(zhuǎn)臺對比，新系統(tǒng)具有如下特點：

圖2　新式地平儀檢測系統(tǒng)

（1）電控箱采用數(shù)字化設(shè)計，輸出控制為無極變速，而不是像原來的只有幾個固定的速率點。

（2）采用彩色液晶屏數(shù)字化顯示，更為直觀；輸入采用數(shù)字鍵盤，更加準(zhǔn)確。

（3）電機驅(qū)動輸出不是老式轉(zhuǎn)臺的直流電壓信號而是PWM（脈寬調(diào)制）信號，輸出更為精確。

（4）控制箱可擴充RS232、USB輸入/出接口，升級后可與其它數(shù)字化設(shè)備構(gòu)成全自動檢測設(shè)備。

（5）對電磁鐵、減速機構(gòu)、導(dǎo)電環(huán)、搖擺限位器等易損機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改良，降低故障率。

2　地平儀檢測系統(tǒng)組成

檢測系統(tǒng)主要由控制箱和轉(zhuǎn)臺組成，控制箱采用模塊化設(shè)計，模塊的劃分以系統(tǒng)所完成的測試功能分類為原則，主要由輸入/輸出設(shè)備（液晶顯示器、鍵盤、旋鈕）、微處理器主板、電機驅(qū)動器、電源監(jiān)測電路、電源變換電路組成，具體如圖3所示。

圖3　地平儀檢測系統(tǒng)組成框圖

2.1轉(zhuǎn)臺

2.1.1組成及原理

本部件主要包括力矩電機、上蓋、搖擺機構(gòu)和殼體四個組合件。轉(zhuǎn)臺機械結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　轉(zhuǎn)臺機械結(jié)構(gòu)圖

（1）電機和測速電機組件。本組件包括電機、測速機以及固定其定子的電機座。電機測速機的轉(zhuǎn)子用同一軸連接并支撐在上下端蓋的軸承中。

（2）搖擺機構(gòu)組合件。工作臺面軸處于垂直位置時，臺面處于水平位置（零位）。若下鉸鏈偏離中心一段距離，并在它的水平面內(nèi)繞中心做圓周運動，則臺面軸的軸線就以上鉸鏈為定點在空間劃出圓錐體，因帶限動支柱的刻度盤被上蓋電磁鐵止動，臺面便做搖擺運動，下鉸鏈偏離中心的距離即反映了臺面的傾斜角的大小。

搖擺機構(gòu)就是調(diào)整下鉸鏈偏離中心的裝置，下鉸鏈固定在能在基座上移動的滑塊上，當(dāng)鍵入某個搖擺角度時，搖擺電路控制板控制搖擺電機工作，電機軸通過絲杠帶動滑塊移動，直至偏離中心到預(yù)定角度對應(yīng)的距離為止。

面齒離合器用于工作臺面的鎖定（當(dāng)接通零位電磁鐵時）和傳遞電機的力矩（當(dāng)臺面旋轉(zhuǎn)時）。

（3）上蓋組合件。組合件的蓋子上裝有平臺軸，儀表電源導(dǎo)電裝置、刻度指標(biāo)及上蓋電磁鐵等，上蓋電磁鐵工作時，臺面做搖擺運動。零位電磁鐵工作時臺面做旋轉(zhuǎn)運動。

儀表電源導(dǎo)電裝置是用20個互換絕緣的導(dǎo)電環(huán)與此一一對應(yīng)的20個電刷構(gòu)成，把儀表電源由外電路輸送到臺面的32孔插座上，并由此插座輸送至儀表。

（4）殼體組合件。本組合件把蓋子組合件和電機、測速機組件連接為一體。殼體是一個柱形薄壁鑄鋁件，其底部裝有三個調(diào)整支腳，借助臺面上水準(zhǔn)儀，把臺面調(diào)整至水平位置。

2.1.2主要性能

（1）臺面在水平面內(nèi)具有0.01°/s~400°/s的旋轉(zhuǎn)角速度。

（2）臺面可實現(xiàn)2.5°、5°、7.5°、10°傾斜角的左右搖擺，搖擺周期可任意選擇。

（3）旋轉(zhuǎn)和搖擺均可自動換向，換向時間為2.5 min.

（4）安裝在臺面上的儀表支架相對于臺面可給定傾斜和俯仰角度。

2.2控制箱

面板上安裝液晶屏，控制按鍵，以及電源開關(guān)，接線柱等?？刂葡鋬?nèi)分為上下兩層，上層為電路板裝有電機控制電路，下層為電源部分，安裝系統(tǒng)所需要各項不同電壓的電源。

2.2.1組成

（1）電源部分。本系統(tǒng)有4種直流電源。由開關(guān)電源經(jīng)整流濾波，輸出5 V給驅(qū)動板供電；輸出12 V給液晶屏、控制板及散熱風(fēng)扇供電；輸出24 V給電機及兩個電磁鐵供電；輸出28 V給被測儀表供電。

（2）液晶顯示器。顯示器采用320×240點陣、6寸彩色字符型液晶屏。

（3）鍵盤。采用EL冷光源薄膜按鍵，可在低光線操作，按鍵與面膜一體化設(shè)計，與設(shè)備整體色調(diào)搭配。

（4）微處理器。微處理器為C8051F020單片機，該單片機具有單周期指令和豐富的外圍接口，并且抗干擾能力強。

（5）外部數(shù)據(jù)接口?？刂葡淇蓴U充RS232、USB輸入/出接口。

2.2.2控制箱驅(qū)動原理

（1）主電機驅(qū)動電路由微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、積分電路、PWM輸出電路、橋驅(qū)功率放大電路、電機、測速電機組成，如圖5所示。

圖5　主電機驅(qū)動電路

其工作原理為：微處理器控制數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出電壓信號，此電壓信號為0~5 V，線性對應(yīng)電機0 ~400°/s的轉(zhuǎn)速，該電壓信號控制PWM輸出電路輸出相應(yīng)的PWM脈寬調(diào)制信號，控制橋驅(qū)功率放大電路輸出大功率電壓信號，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。與電機同軸連接的測速電機上將產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速線性對應(yīng)的反饋電壓。電機將持續(xù)提速，直至反饋電壓與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路給定的電壓在積分電路中達(dá)到平衡，此時電機的轉(zhuǎn)速即穩(wěn)定至給定轉(zhuǎn)速。積分電路、PWM輸出電路、橋驅(qū)功率放大電路、電機、測速電機形成了一個閉環(huán)控制回路，該回路可保證電機運行在給定轉(zhuǎn)速上。

（2）搖擺電機驅(qū)動電路原理。搖擺電機驅(qū)動電路由微處理器、PWM輸出電路、橋驅(qū)功率放大電路、搖擺電機、位置檢測電路組成，如圖6所示。

圖6　搖擺電機驅(qū)動電路

工作原理為：微處理器控制PWM輸出電路輸出脈寬調(diào)制信號，控制橋驅(qū)功率放大電路輸出大功率電壓信號，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。由于搖擺電機沒有速度要求，微處理器控制輸出最大功率輸出，即搖擺電機以最高速度轉(zhuǎn)動。微處理器通過位置判斷電路判斷轉(zhuǎn)臺傾斜的角度，當(dāng)?shù)竭_(dá)給定角度時，停止搖擺電機，從而實現(xiàn)搖擺電機的位置控制。

3　軟件設(shè)計

地平儀檢測系統(tǒng)是通過控制轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動和擺動，來檢查固定在轉(zhuǎn)臺上的地平儀的指示誤差是否在允許范圍。通過操作鍵盤，能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動、搖擺運動、常用角度配置以及轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)（圖7所示）。

圖7　軟件功能流程圖

（1）旋轉(zhuǎn)運動

做好準(zhǔn)備工作后，液晶屏顯示主菜單界面，按“F1”鍵進(jìn)入“轉(zhuǎn)動”頁面。根據(jù)需要按“F1”鍵選擇“正”、“反”或“自動”。選擇“正”即按照順時針旋轉(zhuǎn)，選擇“反”即按照逆時針旋轉(zhuǎn)，選擇“自動”則轉(zhuǎn)臺就會每隔2.5 min改變一次方向，為保護(hù)轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺會先停止1 s再進(jìn)行換向?！癋3”鍵選擇常用角速度，數(shù)字鍵“0~9”分別對應(yīng)10個常用角速度選擇?！癋4”鍵對自定義角速度進(jìn)行配置。配置完成后，按“開始”按鍵，轉(zhuǎn)臺將按照給定的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速進(jìn)行轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)臺運行時，必須先按下停止鍵，才能進(jìn)行下一次操作。

（2）搖擺運動

按“F2”鍵進(jìn)入“搖擺”頁面并選擇所需搖擺角度。按“開始”按鍵，轉(zhuǎn)臺將按照給定搖擺角度先對工作臺面進(jìn)行傾斜，傾斜完成后蜂鳴提示，然后按照給定的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速進(jìn)行轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)臺運行后，必須先按下停止鍵，才能進(jìn)行下一次操作。

（3）常用角度配置

做好準(zhǔn)備工作后，液晶屏顯示主菜單界面，按“F3”鍵進(jìn)入“配置”頁面。按“F2”鍵對常用轉(zhuǎn)動角速度進(jìn)行配置，按“F4”鍵對常用搖擺角速度進(jìn)行配置，配置完成后，按“F1”鍵進(jìn)行保存，“返回”鍵退出。

（4）轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)

按F4”鍵可以自定義轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角速度。按“F4”鍵進(jìn)入“校準(zhǔn)”頁面。進(jìn)入校準(zhǔn)頁面后轉(zhuǎn)臺會以200°/s的速度進(jìn)行正轉(zhuǎn)，此時用數(shù)字電壓表測量面板上測速電機輸出電壓，如此電壓不在23.6~24.4 V范圍內(nèi)，則按左右方向鍵進(jìn)行調(diào)整，將電壓調(diào)整到正常范圍后按F1鍵保存當(dāng)前狀態(tài)，返回鍵退出。

4　結(jié)束語

地平儀對飛行員正確判斷飛機姿態(tài)具有十分重要的作用。為解決老式地平儀速率轉(zhuǎn)臺的缺陷，設(shè)計并制造了數(shù)字式地平儀檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機為核心，實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)臺的精確控制，并且操作更加方便。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號：TH89

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-545X（2016）04-0199-03

收稿日期：2016-01-14

作者簡介：呂明（1978-），男，遼寧葫蘆島人，碩士研究生，講師，研究方向為航空儀表。

A New Digital Detection System for Horizon Sensors

LV Ming，GUO Ling-ling
（Navy Flying Academy，Huludao Liaoning 125001，China）

Abstract:Use PWM signal to control the torque of the motor rotation and swing，solve the shortcomings of old detection instrument controlled by microcontroller.The detection is more accurate and convenient.

Key words：PWM；turntable；torque of the motor；horizon sensors