基于VxWorks的三轴转台控制系统设计与实现

本文以作为半实物仿真测试设备的三轴转台为背景，介绍了VxWorks实时操作系统，三轴转台控制系统的组成，基于VxWorks操作系统，实时控制计算机和管理计算机通过网络通讯实时控制该转台的偏航、俯仰、滚动三个独立轴系，实现所需要的寻零、定位、低速、高速以及扫频等功能指标，并且显示转台的实际运动参数以及各种运动状态。通过实验给出转台系统的测试结果。

【关键词】VxWorks 控制系统设计 三轴转台

三轴转台作为重要的半实物仿真测试设备，可以真实地模拟导弹或飞行器在空中的多种飞行姿态，包括偏航、俯仰、滚动等。为了提高系统的实时性和可靠性，选择VxWorks作为操作系统。转台的控制系统主要采用两个工业计算机和运动控制卡的上下位机控制模式。运动控制卡插入一个工业计算机，将此计算机作为控制系统的下位机，该下位机以VxWorks作为操作系统，能够实时地控制转台三个独立的轴系，实现所需要的寻零、定位、低速、高速以及扫频等功能。另外一个工业计算机作为管理计算机即上位机，主要给下位机发控指令，并且以图形或者数值的形式显示转台的运动状态和运动参数。上下位机之间通过网口进行通讯，保证其通讯时的稳定性。

1 VxWorks实时操作系统概述

VxWorks是由美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种实时的嵌入式操作系统（ERTOS），也是目前比较流行的操作系统。以其超高的可靠性、实时性以及友好的用户开发环境，在通信、军事、航空航天等领域得到了广泛的应用。VxWorks实时操作系统的主要特点：良好的实时性和稳定性；高效的任务管理；高度可剪裁的微内核结构，其最小存储空间只要8Kb；灵活的任务间通信；微秒级的中断处理；方便移植、构建的VxWorks板支持包（BSP）；支持工业标准TCP/IP网络协议。

2 三轴转台的组成

三轴转台由转台台体和电气控制机柜两大实体部分组成。其中转台台体部分包括基座，内框（滚动轴）、中框（俯仰轴）、外框（偏航轴）、轴系、直流力矩电动机、增量式光电编码器、导电环、电位计等组成；电气控制机柜中包含管理计算机、实时控制计算机系统、PWM功放、网口通讯接口、光纤通讯接口、模拟量输入输出模块、安全保护检测系统和直流电源、变压器、UPS电源等。系统的构成情况见图1。

转台三个轴电气控制部分是相互独立的，以其中偏航轴（外框）为例，其电气组成如图2所示。

3 三轴转台系统实时控制的实现

三轴转台控制系统采用上下机的控制模式，实现对该系统的实时控制。控制软件由两个部分组成：上位机的界面管理软件和下位机的实时控制软件。管理软件是以WINDOWS为操作系统， 使用目前流行的图形化编程软件LabView2011编写；实时控制软件是以VxWorks作为操作系统，使用C++进行编写。上位机管理软件的功能主要有：完成保护设置、发控指令和接收显示转台实际运动参数以及各种运动状态，并且对数据进行实时存储、查阅和后处理。发控指令包括控制器加载、使能、寻零、速率运动、定位运动、扫频运动、急停以及控制器卸载等。下位机控制软件完成伺服算法，输出数字控制信号。上下位机实时控制转台主要是通过点击上位机管理界面操作，上位机通过以太网网络通讯给下位机发送指令编码，下位机接收到编码后先译码，只有译码通过才向运动控制卡发出控制指令，D/A输出-10V～+10V的连续模拟信号，通过电压的变化来控制电机的转速，输出的控制信号经驱动器驱动电机运动。这样电机转动时与其同轴的增量式光电编码器就会产生脉冲信号，然后将编码器产生的信号通过运动控制卡采集，采集得到的反馈信号与之前的指令信号即设定值比较，然后对偏差按照控制规律求出调整值，通过电机控制转台转动，其最终的目的是使偏差接近于“0”。

实时控制软件选择8554作为外部定时器，设定1ms作为控制周期。控制系统的主程序原理框图如图3所示。

为了保证三轴转台的稳定性并且尽可能地消除静差，系统必须加入PID控制。加入比例环节能够提高系统的快速性和稳定性，加入积分环节有利于消除静差，加入微分环节可以抑制振荡，提高系统的稳定性。 为了人身安全和保护被测产品，该系统还加入了安全保护功能。包括软件限位、限速，电机的过流、过载、欠过压保护，飞车保护等。

4 三轴转台系统的测试结果

表1列出了三轴转台控制系统的技术指标要求以及测试结果。三轴转台经过系统调试，能够在相应的模式下按要求运动。系统交互性良好，有较高的容错性和鲁棒性。在操作人员出现输入错误或者运动范围越界时系统进行必要的提示，拒绝继续工作，以免发生碰撞或者信号线缠绕。能够通过上位机管理界面设定指令参数，并通过网络通讯将指令传递给下位机，控制转台进行各种运动。以VxWorks为操作系统的

三轴转台控制系统的研制，不仅大大提高了系统的实时性，而且在功能及性能上均满足技术指标的要求。

5 结论

在以VxWorks为操作系统的平台上，设计和实现三轴转台实时控制系统。通过组建软件系统结构体系，建立各模块之间的关系结构，满足控制系统具有强大通用功能的要求。通过实验测试表明：三轴转台在运动过程中，其控制误差在允许误差范围内，满足系统技术指标要求。

参考文献

[1]徐惠民.基于VxWorks的嵌入式系统及实验[M].北京：北京邮电大学出版社，2006ISBN 7-5635-1331-0.

[2]刘钦彦，李勇，周兆英，郑云飞.小型三轴摇摆[J].仪表技术与传感器，2002（04），PP.9-11CNKI

作者单位

上海航天控制技术研究所 上海市 201109