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回路硬件仿真技术在直升机控制系统中的应用

软、硬件的并行开发方法可以加快设计进程,但在系统整合时常常出现很多问题,而硬件回路仿真能有效解决这些问题,采用该技术可以在开发周期初完成嵌入式软件仿真。本文以hil技术在实验性动态直升机系统用嵌入式控制软件中的应用为例阐述该技术的应用特点和方法。align=right vspae=12 hspae=12 alt="图1:直升机前视图和侧视图。"> 
设计工程师一直在努力缩短新产品开发周期,而软硬件并行开发就是一种比较好的方法。通常这种方法需要多个独立的软硬件开发小组参与,这些小组的工作相互间独立、并行地进行。当原型硬件和嵌入式代码的主要部分实现后,就可以在系统整合阶段将硬件与软件合并起来并开始测试工作。 
在系统整合时经常会发生严重的问题,有些问题甚至会导致软件或硬件的重新设计。在问题成堆发生、成本持续升高或计划拖延太久的情况下,有可能中断设计项目,有时甚至不得不取消项目。因此,人们需要找到更好的方法来解决这些问题。 
回路硬件(hardare-in-the-lp,hil)仿真被证明是一种有效的解决方法。该技术能确保在开发周期早期就完成嵌入式软件的测试。到系统整合阶段开始时,嵌入式软件测试就要比传统方法做得更彻底更全面。这样可以及早地发现问题,因此降低了解决问题的成本。 
本文所要讨论的就是采用了hil仿真的一个嵌入式软件开发项目。该项目的目标是开发和测试实验性动态“直升机”系统用的嵌入式控制软件。有了hil仿真后,人们无需使用除嵌入式处理器及其i/接口外的任何硬件就能完成该控制器软件的设计和测试。 
随后的实际系统硬件与运行新软件的嵌入式控制器的连接首次便获得成功。在硬件、软件整合阶段唯一要做的额外工作是对一些控制器参数的少量调整,这是由于实际系统硬件与其仿真模型之间毕竟存在差异。 
直升机系统 
本项目需要开发适合quanser 3自由度(3df)直升机的控制器软件。这是一个桌面电磁系统,内含由两个独立电子马达控制的3个旋转轴,每个轴驱动一个推进器。图1是直升机系统及其运动轴的框图。align=right vspae=12 hspae=12 alt="图2:直升机控制系统。"> 
假设倾斜轴的倾角接近零度,在对两个马达施加相同的高电压后直升机会垂直向上攀升。对两个马达施加不同的电压会使直升机绕倾斜轴旋转。为了使直升机向前移动,首先需要将直升机倾斜到一个非零角度,然后对两个马达同时施加适当的电压来产生向前的推力。 
如图2所示,系统采用的控制计算机具有3个位置编码器输入信号、两个马达电压输出信号,以及用于模式选择与操纵杆控制的用户输入信号。控制计算机通过专门设计的接口卡接收位置编码器输入信号,同时产生模拟输出电压,并通过数模转换器(da)驱动那两个马达。为了提供足够大的马达工作电流,da的输出需要连接到随后的功率放大器进行放大。 
位置编码器会随时监测每个轴的运动,这些编码器通过光学原理感知旋转运动并产生数字化的角度位置数值。位置编码器将以每360°4096个步距,或0.08789°的量化步距分辨率对这些数值进行量化。每个编码器的输出信号由两个ttl电平组成,即phase a和phase b,当对应轴反转时输出信号就在这两个高低电平之间来回切换。根据这两个信号之间的相位差可以判断每个轴的运动方向,如图3所示。脉冲频率正比于每个轴的旋转速率。 
直升机控制器的性能指标满足要在一定时间内将前进和上升轴移动到任意一个指定位置,时间一般应控制在10秒以内。此外,直升机控制器的软件必须支持其它一些操作模式。全套控制器操作模式包括: 
关闭模式:align=right vspae=12 hspae=12 alt="图3:位置编码器输出信号。"> 
控制器软件以关闭模式启动,此时两个马达上的电压为零。一旦系统离开这个模式,就只能从空(null)模式再次进入该模式。当从空模式进入关闭模式时,需要控制上升轴缓慢地下降到桌面正上方,然后将马达电压设置为零。 

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回路硬件仿真技术在直升机控制系统中的应用

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