三轴转台仿真设计设计说明书

重庆理工大学毕业论文（三轴转台仿真设计）重庆理工大学毕业论文（三轴转台仿真设计）重庆理工大学毕业论文（三轴转台仿真设计）目录TOC\o"1-3"\h\u13604摘要 31726Abstract 4284271绪论 6117811.1引言 671391.2国外研究状况 6231941.3国内研究状况 6111232三轴转台的机械设计 8246052.1三轴转台的概述 886852.1.1三轴转台的性能指标 8319442.1.2三轴转台工作原理概述 831412.1.3伺服驱动电机的选择与计算 9150602.1.4直流力矩电机的计算分析 1283212.1.5框架的选材 13169232.2转台结构的设计 14126312.2.1外环装配示意图 14173372.2.2中环装配示意图 1560862.2.3内环装配示意图 15142582.2.4总装配示意图 1627192.2.5零件示意图 1694613伺服系统的总体设计 17233093.1伺服系统的组成 17118173.2三轴转台的工作原理 1816923.3伺服系统硬件的选择 18128363.3.1直流电机驱动器的选择 19210793.3.2圆光栅编码器增量式YGM506的选择 2012923.3.3稳压器的选择 20327533.3.4软件可编程器件的选择 21121313.3.5串口卡的选择 21299753.4伺服控制系统的硬件接线图 23190894三轴转台的运动仿真 24118604.1概述 2437544.1.1主要优点 25251454.1.2研究复杂的实际情况 259024.2三轴转台仿真过程[20] 2678465结论 2859816工作展望 2914690致谢 3012168参考文献 31摘要航空、航天工业发展水平是一个国家科技、经济及国防实力的重要标志。在航空航天领域中,惯性导航和制导技术是一项核心技术,三轴转台是测试惯性元件及半实物仿真的重要非标设备,其性能的好坏直接影响仿真和测试的可靠性和置信度。三轴转台是以控制理论、相似理论、系统技术和信息技术为基础，利用计算机和专用物理设备为工具，为惯性导航和制导系统仿真试验提供平台的关键设备【1】。它能够复现空间质心运动中的转角、角速度、角加速度等物理指标。由此，可以在地面试验室中真实地模拟导弹、飞行器等在空中的各种飞行姿态，以对敏感元件、惯导系统、执行机构等加以测试。将昂贵的实物试验转化为试验室中可预测、可重复性研究，为实物试验提供充分的技术指标和试验数据。本文先建模设计，对转台的机械结构进行设计，并对一些标准件进行了选择，主要轴的设计，对一些装配关系进行了二维或者三维的建模。其次，对控制系统进行了分析和选择，包括电机的选型，驱动器的选型，编码器的选型，接口扩充的选型，以及相关元件的选型，详细见附图（电控图）。其中搭建基本的硬件设备，采用软件的控制方法，设置控制系统的各模块选择，实现转台系统的运行功能，完全实现对转台的控制。（尤其是角速度和角位移的测量是本系统成为高精度转台仿真的关键性选择之一）。关键词：三轴转台伺服系统建模直流电机AbstractAviation,aerospaceindustrydevelopmentlevelisanationalscienceandtechnology,economyandanimportantsymbolofnationaldefensecapabilities。Inaerospacefield,inertialnavigationandguidancetechnologyisacoretechnology,threeaxisturntableistestinginertialcomponentsandhardware-in-the-loopsimulationofimportantnon-standardequipment，whowillhaveadirectimpactontheperformanceofsimulationandtestreliabilityandconfidence。Thethree-axisturntableiscontroltheory,thesimilaritytheoryandsystemtechnologyandinformationtechnologyasthefoundation,basedonthecomputerandspecialphysicalequipmentforthetool,forinertialnavigationandprovidetheguidancesystemsimulationexperimentplatformofkeyequipment。Itcanreiterationthecornerspacecentroidmovement,angularvelocityandAngleaccelerationphysicalparametersandsoon。Thus,canbeinthegroundinthelab,realsimulationofmissiles,aircraftintheaireachkindofetc,inordertoflightattitudeissensitivecomponents,inertialsystem,executiveagenciestotest。Therealtestwillbeexpensivecanpredictintolaboratoryresearchandrepeatability,toprovideadequateforphysicaltestthetechnicalindexesandtestdata。Therealtestwillbeexpensivecanpredictintolaboratoryresearchandrepeatability,toprovideadequateforphysicaltestthetechnicalindexesandtestdata。Thispaperfirstmodelingdesign,stabilizedthemechanicalstructuredesign,andthechoiceofsomestandard,mainshaftdesign,forsomeassemblyrelationofthetwo-dimensionalorthree-dimensionalmodeling。Secondly,tocontrolsystemisanalyzedandoptions,includingmotorselection,driveselection,encoderSelection,interfaceexpansion,andrelatedcomponentsselectionofselection。（Detailedcontrolchartissaw）Onesetofhardwareequipments,adoptsthebasiccontrolmethod,settingofthesoftwareofthecontrolsystem,realizetheturntableeachmoduleselectionofsystemoperationfunction,fullyrealizethecontrolofturntable。（Especially,theangularvelocityandangulardisplacementmeasurementisthissystembecomethekeychoosehighoneofsimulationturntable）Keywords:three-axisturntableServosystemmodelingDcmotor1绪论1.1引言航空、航天以及航海事业的发展水平反映了一个国家的综合国力，是经济发展水平、科技发展水平及军事实力的综合体现。这个领域的发展对于政治、国防、经济乃至人民的生活都有着重要的意义。而惯性导航及制导技术是航空、航天、航海领域的一项核心技术，早期的同步卫星准确定位、航天飞机的成功发射、导弹的精确制导，这都得益于高水平的惯性导航和制导系统。而惯性导航与制导系统中的核心元件是陀螺仪和加速度计，它们精度的高低将直接影响惯性系统的定位精度。仿真测试转台是航空航天领域中进行地面半实物实时仿真和测试的一种关键硬件设备，它可在实验室环境内实时地复现飞行器在空中的动力学特性和各种飞行姿态，其性能的优劣直接关系到仿真和测试实验的逼真性和置信度[2]，是最典型的测试仿真设备。1.2国外研究状况在国际上，由于惯性制导技术受到世界上技术先进国家和发展中国家的普遍重视，所以美国、俄罗斯、英国、法国、瑞士、中国、印度等国都投入了大量的资金和人力从事转台的研制。其中，美国的转台研究一直处于世界领先水平，其次，德国、英国、法国和瑞士等国研制的转台也具有一定代表性，性能和质量仅次于美国。世界上的第一台转台是1945年由美国麻省理工学院仪表实验室研制成功的，定为A型转台，采用普通滚珠轴承，用交流力矩电机驱动，角位置测量元件采用滚珠与微动开关，由于采用的元件精度比较低，加上没有经验可以借鉴，该转台存在许多缺点，精度也只能达到角分级，实际上没有投入使用。随后，美国的欧思一伊利诺斯公司的菲克(Fecker)系统分公司又研制出了T-800型伺服转台，它标志着美国的转台设计己经达到了一个新水平。六十年代开始对转台的重要部件如轴承、驱动马达和监测元件进行了系统的改进，研制成功了专用于转台的空气轴承和液压轴承，大调速比、高精度的液压马达和高分辨率的检测元件，把转台的技术水平推向了一个新台阶。同时诞生了一些专业生产转台的公司，如美国的CGC公司、Carco公司、德国的MBB公司等。1.3国内研究状况我国的转台研制虽然比发达国家起步晚，但这些年来也取得了一定的成就，特别是近几年来，转台的研制得到了很大的发展。目前，国内也有很多研究机构和高校在从事转台的研究与开发，例如哈尔滨工业大学、中航303所、中船6354所、南京航空航天大学等。我国在20世纪60年代自主研发和制造了第一台液压飞行转台仿真，为我国早期飞行器控制和制导系统的发展做出了巨大的贡献。进入80年代后，我国将数字控制引入到了转台控制中，用软件实现了复杂控制规律，参数调整也比模拟控制器方便，将我国的转台研究开发带入了一个新的时代。1990年，中航303所研制成功了SGT1型三轴捷联惯导测试转台，这是我国第一台计算机控制的高精度三轴惯导测试台。进入90年代以来，转台的研制进入了数字和模拟的要求也越来越高，这就对转台的设计和整定提出了更高的要求。图1.3-1六自由度转台图1.3-23KTD-300赤道陀螺伺服测试台2三轴转台的机械设计2.1三轴转台的概述2.1.1三轴转台的性能指标技术指标内框中框外框位转角范围（°）360180180置最大角速度（°/s）300210120伺最大角加速度（°/s2）1400080003000服最低平滑角速度(°/s)0.0010.0010.001状静态位置精度（″）101010态角位置分辨率（″）101010平坦段指标（Hz）|ΔA/A|<10%，|Δφ|<10°251812轴不垂直度（″）不大于10系不相交度（mm）不大于三轴转台工作原理概述三轴转台在主要是根据计算机的指令，实时跟随指令信号，控制转台滚动、俯仰、航向轴系运动，模拟姿态角变化，与仿真计算机及射频系统形成闭合回路[3]。机械系统由三个框架和机座两大部分组成，主要为负载提供安装基准和滚动、俯仰、航向三轴系回转运动。电气系统主要完成转台的起停、转台监控及远程控制等功能，主要由控制台、电气柜等组成。工作时，电气系统为三轴转台三个框架的驱动电机提供动力，使转台能够驱动负载作所需的运动，完成相应的运动。控制系统根据仿真机控制指令，经控制律调节后，输出控制信号给相应框架的驱动电机，从而控制电机动作。应用软件实现转台与仿真计算机的实时通讯，记录转台三个框架运动的角位置数据，对试验的各轴角位置数据处理，绘制运动曲线，监控各轴的运动参数，实时进行安全性评估，进行各轴控制律运算，控制转台正确运动[4]。2.1.3伺服驱动电机的选择与计算三轴转台的驱动元件有两大类一类是所有框架全部由电动机驱动，称为电动转台，一类是所有框架全部由液压马达驱动，称为液压转台仿真。还有的转台，内框由电动机驱动，中、外框用液压马达驱动，称为复合驱动式转台。对于小负载、低频响的转台,采用电机驱动方案为佳，而对那些大负载、高频响的转台仿真，采用液压驱动为宜[5]。驱动型式可分为直接驱动和间接驱动[6]。直接驱动是将电动机或液压马达输出轴直接与转台框架轴固联。其优点是有利于提高系统的动态性能和精度，主要缺点是其低速性能基本取决于驱动元件本身的低速特性。间接驱动是将电动机或液压马达输出轴经齿轮减速再与转台框架轴固联。其优点，一是可提高系统的超低速性能，二是用小力矩电动机可驱动大的负载力矩。其主要缺点是由于齿轮啮合间隙以及齿面磨损后精度丧失等问题的存在，影响系统的精度和稳定性。当前国内外转台大多采用直接驱动方式。电机驱动常见的电动机为力矩电动机和直流伺服电动机[7]。力矩电动机允许转速低，可直接与框架连接形成直接驱动。但当驱动力矩增大时，其允许的最高转速也减少。所以，当框架的最高转速较高时不宜采用力矩电动机，而采用直流伺服电动机经齿轮驱动的方案。但直流伺服电动机的轴向尺寸较大，不宜用于转台的内框和中框轴的驱动。近年来，己研制出一种无刷直流力矩电动机，它具有力矩电动机的调速特性，调速范围也大，可用于直接驱动。是一种很有发展前途的新型驱动元件。目前在三轴转台仿真伺服系统中使用的电动机有直流伺服电动机、交流伺服电动机、力矩电机、步进电机、同步电机等。相对于交流电动机，直流电机的调速性能更为优越，在大范围、高精度调速要求的应用中，成为首选。特别是现有的直流伺服电动机因多采用无刷设计，避免了电刷的维护，降低了外型尺寸，应用更加广泛。力矩电机分为直流力矩电动机和交流力矩电动机，其优点是转矩跟惯量的比值大，低速运转平稳，输出转矩大，能直接与负载耦合[8]，可实现无齿传动，提高了系统的耦合刚度、机械共振频率和位置准确度响应性能好。如果主要考虑系统的控制精度，应首先考虑使用力矩电动机，以实现无齿传动；如果主要考虑系统的响应快速性要求，可考虑使用直流伺服电动机、力矩电机；如果伺服系统的负载较大，而对转台的体积和重量又有较高要求时，则应考虑使用交流伺服电动机或直流伺服电动机加减速装置的形式。直流力矩电动机概述

(一)分类

按励磁方式分类．直流力矩电动机和直流伺服电动机一样可分为电磁式和永磁式直流力矩电动机。水磁式直流力矩电动机因结构简单、励磁磁通不受电源电压的影响等优点被首选采用。

直流力矩电动机按结构型式分类，有组装式和分装式直流力矩电动机两种。实际多采用分装式结构．因该电动机与负载轴直接耦合，没有传动齿轮和间隙误差，在负载轴上有高的转矩惯量比和耦合刚度。

直流力矩电动机按其电枢结构分类．还可分为有槽电枢和光滑电枢两种。分装式结构见图3-2-l。

直流力矩电动机按有无电刷装置分类，又可分为有刷和无刷直流力矩电动机。直流力矩电动机还确有限转角直流力矩电动机和双力矩电动机。直流力矩电动机和低速高灵敏度直流测速发电机组装在一起，组成力毛测速机组，使结构更紧凑。

(二)特点

(1)折算到负载轴上的转矩／惯量比高。在图3-2-2中，两种不同的驱动方案都是为了使负载得到所需的同样的转矩和转速。当两个电动机有相同的转动惯量时，即JT1=JT2,此时两种方案折算到负载轴的转矩／惯量比分别如上：比较式(3-2-1)和式(3-2-2)，尽管普通高速电动机经过减速，转矩增大i倍，但电机惯量却被放大i2倍(其中尚未计及减速器的惯量)，其结果是普通高速电动机的力矩／惯量比反而减小i倍。

由于理论加速度a=TP/JT而转矩／惯量比的大小直接反映了加速能力。直接驱动用的直流力矩电动机其输出转矩主要消耗在推动负载加速上·而普通高速电动机的输出转矩则大部分消耗在加速电动机和齿轮所增加的惯量上。

(2)具有较快的响应速度。由于直接驱动能得到较大的理论加速度，而在直流力矩电动机与普通直流伺服电动机惯量相近的情况下，力矩电动机的机械时间常数要小(一般为十几毫秒到几十毫秒)，加之电动机设计为磁极对数较多，电枢铁心磁通密度度高．使电枢电感小到可以忽略的程度，以致电气时间常数可以小到几毫秒或零点几毫秒，从而使电动机随着电枢电流的增加而力矩增长很快。因而在足够的输出转矩条件下，可使系统的刚度大增加，动态精度得以提高。

(3)较高的速度和位置分辨率。用齿轮减速的普通直流伺服电动机，往往难于齿轮齿隙而降低伺服系统的精度。因而从某种意义上讲，直流力矩电动机的产生和发展是为了消除减速机构的齿隙和弹性变形所带来的缺陷而发展起来的．特别是对于为获得很好品质因数的系统而言更有必要。

由图3-2-3可见，有齿隙的减速器驱动，不仅在零点附近有一个“死区”而且在传动机构中附加了弹性变形和加速度误差，从而大大降低了系统速度和位置的精度。在采用直流力矩电动机直接驱动时，由于革除了精度要求高的减速齿轮，使电动机与负载轴直接耦合，消除了由于齿隙而引起的非线性因素，可使系统的放大倍数做得很高而仍然保持系统的稳定。同时由于直接驱动缩短了传动链，提高了装置韵机械耦合刚度，减少了传动部件的弹性变形，因而可以大大提高整个传动装置的自然共振频率．可远远避开系统所能达到的响应

率上限。这样给系统得到满意的动态和静态性能创造了前提。可使系统获得宽的频率响应和高的精度以及高的伺服刚度，从而为获得极低速的无爬行平稳运行找到了一个新的途径。

(4)特性线性度好。由于这类电机采用较好的软磁和硬磁材料，磁路高度饱和，气隙选择恰当，电机的磁路设计保证其在连续运行时的输出转矩与输入电流成正比关系，从而使电机的线性度好，为系统的灵活控制和平稳运行剖造了条件。

(5)低速时输出力矩大，转矩波动小，运行平稳，可以革除减速齿轮，而使电动机本身可动部件少，功耗小。又由于电动机基本处于低速或堵转状态．机械噪音小传动振动小，使装置简单、可靠，结构紧凑。在满足技术要求的条件下，尽可能地减小电机尺寸和重量,降低各轴系工作在最大加速度时的电流和电压，以减小功率放大器的难度。基于上述考虑，本三轴台所选的电机型号及技术性能见下表：名称内框电机中框电机外框电机电机型号250LYX06320LYX560LYX空载转速（rpm）806045峰值堵转力矩（Nm）90200980峰值堵转电流（A）14.513.550峰值堵转电压（V）6012095连续堵转力矩（Nm）4580410连续堵转电流（A）7.255.421数量（台）2212.1.4直流力矩电机的计算分析转台的驱动执行机构为直流力矩电机[9][10]。直流力矩电机的电磁转矩％为：Tm=CmΦIa=KtIa3-1式中：Tm——电磁转矩，N·MCm、Kt——电机转矩常数Φ——单极磁通，WbIa——直流电机电枢电流，A电动机的输出转矩并不都是电磁转矩，因为电机本身的机械摩擦和电枢铁芯的涡流、磁滞损耗等都会引起阻转矩，设电机本身的阻转矩加上负载的阻转矩为总阻转矩Tf，当电机稳定运行的时候，存在转矩平衡方程式： Tm=Tf+Tl3-2在实际中，有些电动机经常运行在速度变化的情况下，如电机启动、停止和反转，因此必须考虑速度变化的转矩平衡关系。当电机的转速变化时，转动部分(转子与负载)的转动惯量将产生惯性转矩TfTj=J* 3-3式中：J——折算到电机输出轴上的转动惯量，Kg·m2Tj——惯性转矩，N．mw——电动机的角速度，rad／s——电动机的角加速度，rad／s2并且电机的总阻转矩中与转子角度成线性关系的那部分转矩被称为粘滞摩擦分量或者称为粘滞阻尼分量，将它从摩擦转矩中分开，此时电机的转矩平衡方程式为：Tm=Tf+Tl+Tj+Bw3-4式中：Tm——电动机的输出转矩，N·MTl负载转矩，N．MTf——摩擦转矩，N．MB——粘滞摩擦系数式(3-4)表示了转速变化是电动机轴的转矩平衡关系，因此被称为电动机动态转矩平衡方程，其中召留非常小，可以忽略不计。2.1.5框架的选材内框、中框、外框均用ZL201铸造，转台底座采用HT300铸造。ZL201的密度为2.78，力学性能为抗拉强度为310MPa,伸长率大于等于3%。而Q235-A的密度为7.8,力学性能为屈服极限大于等于220MPa,强度极限为380～400MPa,伸长率大于等于2%。可见，ZL201的力学性能与Q235-A的力学性能相近，但ZL201的密度仅约为Q235-A的密度的三分之一。所以选择ZL201可以减轻旋转轴系的重量、转动惯量，减小驱动电机的驱动力矩、重量、转动惯量，提高系统的响应速度及控制精度。转台底座起固定和支撑作用，力学性能足够，成本低，采用铸造底座可降低转台的制造成本。支撑内框、中框、外框的轴的材料均选用碳刚，既能保证轴的强度、刚度要求，又能铸出中空的轴孔。总之，X、Y、Z轴轴系的转动件在满足强度、刚度等条件下，材料尽量采用铝合金，而底座上不转动的零件根据使用要求可采用铸铁、碳钢等.2.2转台结构的设计转台的总体设计采用U-O-O的结构，具体装配形式和结构见下。[11]2.2.1外环装配示意图外环采用高精度平面推力球轴承，以承受来自内中环轴系的巨大倾覆负载，并对平面推力球轴承施加预负载，提高平面推力球轴承的刚度；采用一对带有预紧力的背靠背角接触球轴承和一对带有预紧力的面对面角接触球轴承共同支撑外环轴，以保证主轴的径向跳动。[12]图2.2.1-1外环和底座装配示意图二维图2.2.2中环装配示意图与外环不同中环与外环之间不再设计单独的轴，而是采用了直接在中环上引出轴系，以减少装配误差，提高转台精度。如图[13]图2.2.2-1中框结构示意图图2.2.2-2内框结构示意图2.2.3内环装配示意图与外环不同中环与外环之间不再设计单独的轴，而是采用了直接在中环上引出轴系，以减少装配误差，提高转台精度。与中环不同内环不再设计电机安装座，而是采用了直接在内中环上引出轴系，以减少装配误差，提高转台精度。置于工作台面，可以安装在内框架内，如图：2.2.4总装配示意图总装配示意三维图，在装配外框和底座的时候应注意按二维图纸设计要求安装。并且注意，所选择的框架除底座外是铸铝，底座是灰铁，最重要的是，为减轻转动惯量对转台精度和快速响应的影响，一律采用中空结构，这样也方便布线！图2.2.4-1三轴转台总装三维示意图2.2.5零件示意图 零件示意图请见图纸。3伺服系统的总体设计3.1伺服系统的组成本转台采用的伺服系统有以下主要部分组成：见图图3.1-1伺服系统结构框图由图可知，通过信号反馈检测元件，与控制通道在机械本体之间构成了速度和位置反馈，从而控制转台的速度和位置。3.2三轴转台的工作原理除动力模块外，本机械有执行机构、被控对象、传感与检测装置，控制装置，满足控制系统设计要求。对于多执行机构控制，采用了串口分配控制，由计算机软件参数控制。[14]对于本转台，由机械本体上的传感检测装置，把信号，包括位置和速度信号出给控制器，由控制器调节驱动器，驱动直流电机。首先，用户通过计算机用户界面设置运动参数，完成设备的运动的初始化设置，然后，由DSP构成信号的相互传递[15]，再驱动直流驱动器，由直流驱动器驱动电机，后驱动机械本体，有机械本体上的传感检测反馈给DSP，从而完成反馈。3.3伺服系统硬件的选择常用的转台控制技术，主要硬件实现方式有以下三种：1、以单片机为系统的控制中心，这种经典、传统的单片机系统因其集成度低、运算速度慢，而使得系统硬件接口电路复杂，软件接口繁多，而使得系统实现起来特别庞大，且实时性不高，可靠性低，抗干扰能力弱，现在不常用。[16]2、采用以DSP为系统控制核心的专用运动控制器为系统的控制主体，这种系统集成度商，接口简单，开放性好，能实现位置控制，多轴耦合等。3、采用高速的数据采集卡，伺服控制算法由Pc机进行处理，其软件通用性好，编程灵活，加上实时扩展系统，可以满足实时处理的要求，达到高精度。被控制系统采用了，2和3的混合控制、其选择的硬件设备如下。3.3.1直流电机驱动器的选择济南科亚电子科技有限公司的MMTDPS。该伺服驱动器采用全方位保护设计，具有高效率传动性能：控制精度高、线形度好、运行平稳、可靠、响应时间快、采用全隔离方式控制等特点，尤其在低转速运行下有较高的扭矩及良好的性能，在某些场合下和交流无刷伺服相比更能显示其优异的特性，并广泛应用于各种传动机械设备上。其主要技术参数

控制电源电压AC：110系列：AC：110V±10%220系列：AC：220V±10%

主电源电压AC：110系列：AC40110V220系列：AC50220V

输出电压DC：110系列：0—130V或其它电压可设定220系列：0—230V或其它电压可设定

额定输出电流：DC5A（最大输出电流10A）DC10A（最大输出电流15A）图3.3.1-1MMT-DPSDC20A（最大输出电流25A）

控制精度：0.1%

输入给定信号：0—±10V

测速反馈电压：7V/1000R9.5V/1000R13.5V/1000R20V/1000R其安装环境要求：

环境温度：-5ºC~+50ºC

环境湿度：相对湿度≤80RH。（无结露）

避免有腐蚀气体及可燃性气体环境下使用

避免有粉尘、可导电粉沫较多的场合

避免水、油及其他液体进入驱动器内部

避免震动或撞击的场合使用

避免通风不良的场合使用部分接口和使用说明见电控接线图，端子名称相符合，与具体事物的排列有所不同。3.3.2圆光栅编码器增量式YGM506的选择适用范围：自动装配机和自动生产线、机床、包装机、印刷机、木工机械、制图仪、测量仪、坦克、大炮、舰艇、塑料切割机械、石油钻探和输油管系统。产品说明产地南京 规格/型号YGM506适用范围自动装配机和自动生产线、机床、包装机、印刷机、木工机械、制图仪、测量仪、坦克、大炮、舰艇、塑料切割机械、石油钻探和输油管系统常规参数工作温度范围0℃～70℃或按要求图3.3.2-2圆光栅编码器工作电压5V±5％（200MaMax）、12V±5％、15V±5％、±15V±5％、24V±5％3.3.3稳压器的选择来自上海的产品3.3.4软件可编程器件的选择TMS320系列DSP是软件可编程器件，具有通用微处理器所具有的方便灵活的特点。其基本特点有：哈佛结构，流水线操作，专用的硬件乘法器，特殊的DSP指令，快速的指令周期。这些特点使得TMS320系列DSP可以实现快速的DSP运算，并使大部分运算能够在一个指令周期完成。常用系列：TMS320C2000系列，TMS320C5000系列和TMS320F6000系列。3.3.5串口卡的选择关于UART[17]因为计算机内部采用并行数据，不能直接把数据发到Modem，必须经过UART整理才能进行异步传输，其过程为：CPU先把准备写入串行设备的数据放到UART的寄存器（临时内存块）中，再通过FIFO（FirstInputFirstOutput，先入先出队列）传送到串行设备，若是没有FIFO，信息将变得杂乱无章，不可能传送到Modem。它是用于控制计算机与串行设备的芯片。有一点要注意的是，它提供了RS-232C数据终端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其它使用RS-232C接口的串行设备通信了。作为接口的一部分，UART还提供以下功能：将由计算机内部传送过来的并行数据转换为输出的串行数据流。将计算机外部来的串行数据转换为字节，供计算机内部使用并行数据的器件使用。在输出的串行数据流中加入奇偶校验位，并对从外部接收的数据流进行奇偶校验。在输出数据流中加入启停标记，并从接收数据流中删除启停标记。处理由键盘或鼠标发出的中断信号（键盘和鼠标也是串行设备）。可以处理计算机与外部串行设备的同步管理问题。有一些比较高档的UART还提供输入输出数据的缓冲区，现在比较新的UART是16550，它可以在计算机需要处理数据前在其缓冲区内存储16字节数据，而通常的UART是8250。现在如果您购买一个内置的调制解调器，此调制解调器内部通常就会有16550UART。CP-168EL-A是一款8口PCIExpress多串口卡，针对POS和ATM应用而设计，可以用于工业自动化制造系统和系统集成。CP-168EL-A可以兼容任何主流操作系统如：Windows、Linux和Unix，它的8个RS-232串口均可支持高达921.6Kbps的通信速率，并提供全调制解调器控制信号，确保与外围串口设备的兼容性。此外，由于该卡片使用的是PCIExpressx1插槽，从而适用于任何类型的PCIExpress插槽。设计紧凑，CP-168EL-A低档板设计，并能与各种PCIExpress插槽兼容。该卡片仅需3.3VDC供电，这意味着它们可适用于各类PC机。支持Windows、Linux和Unix主流操作系统，Moxa的产品支持各种各样的主流操作系统，CP-168EL-A也不例外。Moxa可以为用户提供稳定可靠的WindowsCOM和Linux/UnixTTY驱动，此外还支持WEPOS嵌入式应用。规格硬件通信控制器：兼容16C550C图3.3.4MOXACP-168EL-A

总线接口：PCIExpressx1

连接器：VHDCI68

串口口数：8

串口标准：RS-232

最大版口数：4

线性保护ESD保护：板载15KV

性能波特率：50bps~921.6Kbps

串口通讯参数数据位：5，6，7，8

停止位：1，1.5，2

校验位：None，Even，Odd，Space，Mark

流量控制：RTS/CTS，XON/XOFF

串行信号RS-232：TxD，RxD，RTS，CTS，DTR，DSR，DCD，驱动支持操作系统：Windows2000,WindowsXP/2003/Vista/2008/7x86/x64,DOS,Linux2.4,2.6x86/x64,QNX6,SCOOpenServer5/6,UnixWare7

3.3.6双电机同步驱动本三轴转台的中框和内框均采用双点支撑，和双电机同步驱动。一方面提供足够的力矩，另一方面可以使系统在转动中保持动态平衡。如过采用单电机驱动，虽然有利于经济性的设计，但必然造成两端受力不均，进而配重，对胎体的校核计算提出较高要求，很难提高转台的精度很动态响应特性。经典的双电机同步驱动有[18][19]：图3.3.5-1双电机同步驱动典型框图对于硬件连接的双电机驱动系统，电机的转速被强制同步，因此保证电机的出力平衡将是转台稳定运行的关键。显然如果两台电机由一套驱动器驱动，电机性能的差异将导致出力的不平衡，而且这种差异是无法调节的，因而不宜采用。而采用两台驱动器分别控制两台电机关键在于驱动器间的联系与控制，一般有转速随动和转矩随动两种形式。其中转矩随动方式更容易实现，动态性能更好，故经典的传动系统设计采用了这种方式。而本文采用了软件编程的控制方式，在经济性和结构简易性方面有一定改变。3.4伺服控制系统的硬件接线图图3.4-1伺服控制系统接线控制图详细的接线图见附件4三轴转台的运动仿真4.1概述工程师无需等待物理原型就能测试产品的动力行为。利用机构动力学仿真，可以虚拟地仿真包含运动元件的系统中的作用力和加速度。而且，可以综合考虑诸如弹簧、电动机、摩擦力和重力等动力影响，相应地调整产品性能。改善检验和认证过程并最大程度地提高设计信心，而无需承受制造昂贵原型的负担。4.1.1主要优点•与设计和分析工具完全集成，从而无需再花费时间、精力和金钱来处理数据转换和关联的错误•可以创建虚拟样机在桌面计算机中进行测试，从而降低开发成本•能够更快速和更早地将变更反映在产品中，并从桌面计算机测试中即时获得结果•通过缩短开发时间率先向市场推出更优质的产品•通过对产品寿命进行更准确的估计，从而可降低保修成本•利用具体的动画式生产指令进行装配，可以避免代价高昂的制造错误•通过利用从虚拟测试中所节省的时间来评估更多设计构思，从而可开发出更新颖的产品•在易于学习、直观明了的用户界面中工作•测量定制规格并用图形表示定制规格，例如特定接头处的速度•用图表表示主要反作用力（如负载和扭矩），使分析人员能更好地了解到产品在特定环境下的具体表现•使用图形和动画与其他人员共享结果；将表格式数据输出到电子表格以供进一步分析•将实际运动与图形结果进行比较4.1.2研究复杂的实际情况利用高级运动分析更加灵活地研究复杂的实际情况•使用静态分析确定静态平衡点的载荷•分析传送带连接、槽电动机、动态齿轮和普通齿轮，以了解所有运动关系•利用反向静态载荷确定使机构运转所需的作用力（力平衡）•轻松创建机构中选定组件的复杂运动包络零件，以用于空间声明研究或在任何装配中用作占位符•创建用户定义的作用力和电动机概览图，从中得出测量的作用力、扭矩、时间、加速度、速度或位置的定制函数•为智能的比例-积分-微商(PID)控制器以及非线性弹簧和阻尼器建立模型4.2三轴转台仿真过程[20]本设计的三轴转台用UG进行运动仿真，一些运动动画截屏如下，在这里尤其要感谢张老师的耐心指导和帮助。在以前的研究中，转台系统的研发方式多采用传统方式(实体样机)，这样对台体结构特性，包括刚度、强度、频率响应曲线、装配特性、控制率特性等，由于没有预先的仿真分析，在设计、生产和装配台体时没有可靠的技术性能支持，可能出现零件的返工，台体的重新设计等，这些因素都使转台研制的周期延长，增加开发成本和缺少强有力的竞争。如果采用虚拟样机技术、虚拟显示与可视化、先进控制技术与有限元等技术则可以从一定程度上解决上述问题。图4.2-1运动仿真1图4.2-2运动仿真2本文对转台结构刚度分析及动力学分析具有重要的意义。在内框不转，中框旋转的过程中，外框轴的运动仿真如下。力的仿真时间设定为15秒，并可输出各种力学数据，外框轴承受的力的变化曲线如图所示。力据的仿真时间设定为10秒，并可输出各种力学数据，外框轴承受的力据的变化曲线如图所示。图4.2-3外框轴受力变化曲线图4.2-4外框轴扭矩变化曲线由图分析，此设计受力虽然有一定的规律，接近循环应力，基本符合设计要求，满足转台的技术要求，但是短时间内力的变化也较大，有可能造成冲击或震荡，需要一定改进，或限制运动范围。此仿真结果，如力、扭矩等信息，也能为之后的结构优化及轻量化设计提供重要依据。结合相关材料以及本次设计仿真，总结如下经验：在转台建模仿真过程中，通过分析转台结构主要部件力学特性，在转台UG数模的基础上，对各种特征进行相应的简化，采用合适的单元类型，控制模型规模和质量，是确保分析精度的必要条件。对于转台的研究，要校核多种载荷工况下，根据不同的边界条件，进行多种受力情况的仿真计算，以达到考核多种刚度指标的目的。多种工况下的弯曲刚度和扭转分析，可以找到转台在实际工况中的变形趋势，便于对转台刚度进行评价。根据转台的动态性能要求，应对转台框架结构进行模态分析，以得到框架结构的固有频率和振型，并找出框架结构在动态激励时的薄弱环节，并对框架结构进行了改进，提高了其一阶固有频率，为之后的控制系统设计、优化提供了参考。通过仿真模拟，对转台有一定的设计成型试制的感觉，对转台的实际应用和满足转台的要求有一定指导意义。5结论本文针对转台仿真的主要性能指标，做了一定的分析，参考了相关的资料，并从九江精密测试技术研究所得到一定的产品说明。由于此设备是高精密设备，很难找到样本，所以按老师的安排，我首先对三轴转台进行了机械结构设计，包括标准件的选型；其次是对三轴转台仿真进行伺服仿真控制，几乎没有自己设计，这里主要是参考一定的资料，和使用说明书，完成一定的接线；最后是对转台进行运动仿真完成一定的技术参数，由定性分析到定量分析。本论文的研究工作和成果大致如下：1、完成对三轴转台的数学模型的建立和设计，以及部分零部件的设计和选配等。2、完成对三轴转台的伺服驱动系统的设计，包括相关零部件和产品的选配以及组装。3、完成对转台进行运动仿真完成