CN108304002A - 接近传感器靶标运动角度控制的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种接近传感器靶标运动角度控制的方法，旨在提供一种角度控制准确、可以高精度控制靶标角度的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：单片机接收上位计算机的位置角度控制指令，通过步进电机控制靶标运动到与接近传感器感应面的相对位置；靶标沿接近传感器的弧线切面接近形成运动轨迹；步进电机带动绝对值数值码盘转动实时采集靶标的方位角信号，控制靶标的运动角度及相对位置精度，单片机在360°圆周上按照最近到达原则计算靶标目的角度与当前角度的角度差，确定新角度与目的角度是否≤0.1125°，否则改变转动方向，换向发一个脉冲，再查新角度与目的角度是否≤0.1125°，直到新角度与目的角度≤0.1125°，则到达目的角度。
Description
技术领域
本发明涉及一种主要用于实现接近传感器的靶标与接近传感器不同接近角度的运动控制技术，尤其是以开关信号特征曲线为基础,安装在起落架上的接近传感器及其靶标的相对运动方式和行程设置的控制技术。
背景技术
接近传感器是飞机起落架系统和舱门开关监控系统的重要组成部分，随着飞机性能要求不断提高，对接近传感器在安全性、可靠性、经济性、环境适应性等方面提出了更严格的要求。在A320系列飞机起落架收放锁系统，安装在起落架不同位置的两组各16个共32个接近传感器。在收放锁系统上，每个收放锁左右两边各有一个接近传感器，此收放锁传感器系统由三部分组成：接近传感器、传感器靶标块和LGCIU 1&2计算机内部信号处理逻辑卡。LGCIU计算机内部的逻辑卡传送周期性的脉冲或正弦波励磁信号到传感器内部感应线圈，线圈产生感应磁场，当锁舌受撞击并向上抬时，内部摇臂传动机构带动靶标块快速后移靠近传感器。此时，传感器内部线圈的阻抗值增加，系统显示Target near信号，当靶标块离开时，阻抗值减小，系统显示Target far信号。LGCIU计算机将这些探测接近信号传递给DMC计算机并在飞机驾驶舱ECAM上显示出其所代表的起落架收放后是否锁定的位置信息。这当中，传感器和靶标块之间的感应信号是否有屏蔽以及间隙是否正常对信号的正确接收都起着十分重要的作用。接近传感器通常由铁心和线圈构成，由于它将直线或角位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，所以又称电感式位移传感器。电感式接近传感器是一种有开关量输出的位置指示与告警设备,主要由高频振荡器和放大处理电路组成。接电后,传感器的振荡感应头产生电磁场,当由金属制成的靶标向感应头靠近至电磁场作用范围内时,靶标内部产生涡流,这个涡流反作用于传感器,引起内部电路参数的变化,由此识别出靶标的接近与否，进而控制开关信号的通或断。靶标与传感器感应头之间的距离是控制信号开关的唯一外部激励。典型的例子是起落架收放机构中安装在锁撑杆上的一对接近传感器，传感器和金属靶标分别固定安装于两段式锁撑杆的上、下部分，收放过程中，随着锁撑杆的折叠或展开，靶标与传感器感应头的距离也会接近或者远离，从而完成对位置量的测量，并将其转换成开关信号反馈给驾驶舱，实现机组对起落架收放的位置感知和控制。如果将上述距离向量分解为X，Y，Z三个方向分量，其中X表示为从靶标前缘到传感器中心轴线的距离，Y表示为靶标端面对称线与传感器感应端面对称线之间的距离，Z表示为靶标端面与传感器感应头端面之间的距离。以X和Z为基本变量，反映靶标-传感器距离与信号开关之间关系的就是传感器的信号开关控制曲线。传感器及其靶标的布置要求传感器与靶标的布置应当以确保信号的发生精度和可靠性为主要目标，需要重点考虑的包括靶标向传感器接近的方式、由机构运动学计算得到的运动行程需求、靶标在其行程终点位置的运动精度，以及对传感器信号能够形成干扰的各类因素，是一个通过综合权衡之后得出的最优化结果。运动方式选择及行程需求靶标与传感器之间相互靠近的运动方式大致可以分为两类，其一是靶标端面与传感器感应头端面相向运动的方式，称为“迎头对进”式，两者的靠近主要表现为Z距离分量的变化；另一类是靶标从传感器侧面向其接近的方式，称为“侧向滑入”式，运动过程中靶标端面与传感器感应端面相互平行。电感式接近传感器内部主要为一个绕在导磁体上的一组线圈，在低频交流激励信号源的作用下，靶标与接近传感器感应端面距离的变化将引起传感器内部磁场变化，进而引起传感器的输出表征参数－电感发生变化，电感的变化代表了靶标与接近传感器的距离变化。电感式接近传感器输出的电感值经过位置检测与收放控制单元处理后解算出靶标与接近传感器感应端面的距离并根据预设值判断需要控制的远近状态。靶标是接近传感器的目标靶块，靶标与接近传感器的距离大小及重合面决定了接近传感器的电感值大小。对于接近传感器使用来讲，靶标与接近传感器位置最终固定的接近及远离两个状态。靶标与传感器感应头的距离会接近或者远离,从而完成对位置量的测量,并将其转换成开关信号反馈给驾驶舱,实现机组对起落架收放的位置感知和控制。电感式传感器的标准被测物(标定检测距离的靶标)运行轨迹不稳定时，被测物可能会偏移出传感器检测范围，当安装距离稍靠近时，被测物与传感器感应面又有可能发生撞击，导致传感器损毁。通过可靠性数据分析，在A320系列飞机起落架收放锁系统传感器故障中，40％为传感器与靶标块之间磁性杂质过多导致的传导故障，30％为传感器电气故障，10％为传感器性能衰减故障，10％为传感器与靶标块之间间隙不正常导致的故障，10％为传感器或靶标块的支撑部件断裂导致的故障。
靶标与接近传感器的相对接近运动方式有多种，其中靶标沿接近传感器的弧线切面接近是其中重要的一类，如图1。研究及应用靶标沿接近传感器的弧线切面接近方式，尤其是靶标A与转动轴心O连线OA与X轴线的夹角大小与接近传感器电感值的关系是一个重要的内容，因此需要实现靶标与接近传感器感应面的角度位置运动控制。本发明即实现该目的。
发明内容
本发明目的在于，提供一种给定实现简便，具有角度控制准确、精度高，高精度控制靶标角度的接近传感器靶标运动角度控制的方法。
本发明通过以下措施来达到，一种接近传感器靶标运动角度控制的方法，具有如下技术特征：步进电机同轴相连单圈绝对值数值码盘，单片机通过相应的控制线经上拉电阻到电源，控制使能驱动器及电机步进驱动器，单片机的一路异步、全双工串口电连接单圈绝对值数值码盘；单片机接收上位计算机的位置角度控制指令，控制步进电机顺时针或逆时针转动，通过步进电机控制靶标转动位置，以及运动到与接近传感器感应面的相对位置；靶标随着步进电机的转动而绕靶标连杆末端原点O转动，沿接近传感器的弧线切面接近形成运动轨迹；步进电机带动单圈绝对值数值码盘同步、同角度、同方向转动；单圈绝对值数值码盘实时采集靶标的方位角信号，控制靶标的运动角度及相对位置精度，通过RS485接口，以问答方式将同轴上的步进电机的方位角信号回馈给单片机；单片机在360°圆周上按照最近到达原则计算靶标目的角度与当前角度的角度差，确定新角度与目的角度是否≤0.1125°，否则改变转动方向，换向发一个脉冲，再查新角度与目的角度是否≤0.1125°，直到新角度与目的角度≤0.1125°，则到达目的角度。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
给定实现简便。本发明采用单片机通过相应的控制线经上拉电阻到电源，控制使能驱动器及电机步进驱动器，电路器件少，电路实现简单，易实现，成本低。步进电机同轴相连单圈绝对值数值码盘，单片机的一路异步、全双工串口电连接单圈绝对值数值码盘，实现上对接近传感器的定位及固定，电机轴线的定位及安装，靶标连杆结构及整体的机架，零部件少，结构简单，结构清晰。
装调简单、方便。本发明采用靶标随着步进电机的转动而绕靶标靶标连杆末端原点O转动，沿接近传感器的弧线切面接近形成运动轨迹，装调简单、方便。
角度控制准确、精度高。本发明采用单片机接收上位计算机的位置角度控制指令，控制步进电机顺时针或逆时针转动，通过步进电机控制靶标转动位置，以及运动到与接近传感器感应面的相对位置，单片机实现灵活，反应快，控制方案灵活、有效。步进电机带动单圈绝对值数值码盘同步、同角度、同方向转动，高精度控制靶标角度，性能稳定，角度定位可靠。
角度控制精度高。单片机在360°圆周上按照最近到达原则计算靶标目的角度与当前角度的角度差，确定新角度与目的角度是否≤0.1125°，否则改变转动方向，换向发一个脉冲，再查新角度与目的角度是否≤0.1125，精度高，对靶标角度控制可以达到≤0.1125°。
抗干扰能力强。本发明采用单圈绝对值数值码盘实时采集靶标的方位角信号，控制靶标的运动角度及相对位置精度，通过RS485接口，以问答方式将同轴上的步进电机的方位角信号回馈给单片机，抗干扰能力强。
附图说明
图1是本发明接近传感器靶标运动角度控制的电路图。
图2是实现接近传感器靶标运动角度控制的控制流程。
图3是接近传感器的安装仰视示意图。
图4是图3靶标沿接近传感器的弧线切面接近示意图。
下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
具体实施方式
参阅图1、图2。根据本发明，控制器采用单片机，如型号为C8051F340的单片机D1，单片机通过相应的控制线经上拉电阻到+5V电源，控制使能驱动器及电机步进驱动器。具体地，单片机通过IO端口的P0.6、P0.7、P1.0控制线并联上拉电阻R1、R2、R3到+5V电源，并通过上述控制线连接电机步进驱动器N1，电机步进驱动器N1连接步进电机N2。电机步进驱动器N1可以采用型号为HST-8325B的步进驱动器。单片机通过IO端口的P0.6、P0.7、P1.0的控制线对应连接电机步进驱动器N1的PUL脉冲控制信号接口、DIR接口和使能信号端EN。其中，单片机发出的相对应于步进电机运动角度的脉冲数，通过PUL接线端口送入电机步进驱动器N1，发出的脉冲控制信号经过电机步进驱动器的PUL生成控制节拍A+、A-、B+、B-，分别对应步进电机N2的控制节拍A+、A-、B+、B-，同时进行电平放大。DIR接口是单片机发出的驱使电机运行方向的方向信号接口，单片机通过DIR接口向步进电机N2发出的方向信号先于单片机通过PUL接口向步进电机N2发出的脉冲信号，通过脉冲信号控制步进电机N2的时序，通过单片机产生的高/低电平信号控制步进电机N2可靠换向，使步进电机N2顺时针或逆时针转动。DIR-高电平时4～5V，低电平时0～0.5V。EN是单片机发出的驱动器使能有效信号端，输入使能信号用于使能或禁止。电机步进驱动器N1的EN-接低电平或内部光耦导通时，电机步进驱动器N1将切断电机各相的电流使步进电机N2电机处于自由状态，此时步进脉冲不被响应，当不需用此功能时，使能信号端EN悬空。步进电机的转动角度由步进电机N2转动脉冲数决定，步进电机N2的转动速度由转动脉冲的频率决定。单片机控制的步进电机N2顺时针或逆时针转动，单片机控制的步进电机N2轴线位于图3的O点，靶标刚性连接转动的靶标连杆，步进电机N2轴刚性连接在靶标连杆尾端O点，靶标随着步进电机N2的转动而绕O点轴线转动，靶标以靶标连杆长度为转动半径，随着步进电机N2的转动而绕O点轴线转动，靶标沿接近传感器感应端A到靶标连杆尾端O垂直平面的弧线切面形成运动轨迹。靶标转动位置由步进电机N2的转动决定，靶标运动到与接近传感器感应面的相对位置由单片机控制的步进电机N2决定。靶标的运动轨迹相对位置及控制精度由与步进电机N2同轴的单圈绝对值数值码盘决定。步进电机N2为1.8°模式，即无电机步进驱动器N1时1脉冲转动1.8°，实现360°转动需要360°/1.8°＝200个脉冲；设定驱动器为64细分，得到200个脉冲/360°×64细分＝12800个脉冲/360°，即PUL端获得12800个脉冲，步进电机转动360°，每1个脉冲步进电机N2转动360°/12800个脉冲≈0.028°/1个脉冲，这就是理论上1个脉冲能够得到≈0.028°的转动分辨率角度。如电机步进驱动器N1为128细分，理论上1个脉冲能够得到≈0.014°的转动分辨率角度。对于靶标沿接近传感器的弧线切面接近，接近传感器靶标运动角度即夹角θ，将设定夹角θ从零度起，步进增量为1°的夹角，即0°、1°、2°、3°、······，直到靶标与接近传感器感应面的投影面脱离为止，采集0°、1°、2°、3°、······，分别对应的接近传感器的电感值。
单片机的另一路异步、全双工串口UART0、UART1输出RS-485信号，通过P0.4、P0.5端口和信号方向控制端P1.1，经过低功耗收发器D2输出RS-485信号，低功耗收发器D2通过输出端并联电阻R4连接上位计算机，将RS-485信号送入上位计算机。单片机低通过功耗收发器D2接收上位计算机的位置角度控制指令，同时通过低功耗收发器D2，以问答方式将步进电机的位置角度信号反馈给上位计算机。低功耗收发器D2、D3可以采用MAX485的子型号MAX485ESA低功耗收发器，用于RS-485与RS-422通信的低功耗收发器，可以实现半双工通信。
单片机的信号方向控制端P3.3、端口P3.4和P3.5对应连接低功耗收发器D3，低功耗收发器D3通过输出端并联电阻R5连接绝对值数值码盘N3，即低功耗收发器D3的输出端口A连接输入端N3的RS485A，D3的输出端口B连接绝对值数值码盘N3的输入端RS485B，电阻R5并联在低功耗收发器D3与绝对值数值码盘N3连线上。同时该单圈绝对值数值码盘N3与步进电机N2在结构上沿二者的轴线同轴连接，绝对值数值码盘N3接口输出RS485信号。绝对值数值码盘N3可以采用型号为GMS412RE10PB的单圈绝对值数值码盘。该单圈绝对值数值码盘12位4096线分辨率为212＝4096，每线角度360°/4096线≈0.088°/1线，具有编码及实时采集方位角信号的能力。步进电机N2的转动，带动单圈绝对值数值码盘同步、同角度、同方向转动，单片机的信号方向控制端P3.3、P3.4和P3.5端口经MAX485ESA低功耗收发器D3输出RS-485信号，通过并联电阻R5输入单圈绝对值数值码盘N3，比较步进电机N2转动脉冲，实现分辨率小于1°，并通过其RS485接口，经过问答方式将同轴上的步进电机N2的方位角信号回馈给单片机。所比较步进电机N2转动≈0.028°/1个脉冲与单圈绝对值数值码盘≈0.088°/1线，0.028°<0.088°,能够达到的理论转动精度为≤0.088°，实现分辨率小于1°。
参阅图2。开机，当靶标处于上次结束的任意θ角度，单片机自检，靶标顺时针转动4个90°，然后逆时针复位到θ＝0°，检查电路、机械结构的连接运转情况，单片机等待上位计算机发新指令或上位计算机发新目的角度指令，若是非新目的角度指令，执行完后等待；若是新目的角度指令，单片机计算新目的角度，在360°圆周上按照最近到达原则计算目的角度与当前角度的角度差，计算理论到达需要发送脉冲数N；单片机使能电机步进驱动器N1及运动方向，发送N-10个脉冲。单片机确定新角度与目的角度是否≤0.1125°(当前角度与目的角度的角度位置公差值控制在0.1125°内)。如否，转动方向不变，则单片机发一个脉冲(步进电机走一最小角度)，单片机再查新角度与目的角度是否≤0.1125°，如否，转动方向不变，继续发一个脉冲；·····，若新角度与目的角度≤0.1125°则到达目的角度。
单片机确定新角度与目的角度是否≤0.1125°，如否，转动方向改变，则换向发一个脉冲；再查新角度与目的角度是否≤0.1125°，如是则退出；如否且转动方向改变，则换向发一个脉冲；如此换向发一个脉冲转动达到3次，则第3次结束时退出。
参阅图3，图4。靶标正对接近传感器的感应端，靶标刚性连接转动的靶标连杆，转动半径为靶标连杆长度，刚性连接在靶标连杆尾端O点上，步进电机轴刚性连接靶标连杆O点，O点设定为坐标的原点，O点与接近传感器的轴线连线为OX，相当于坐标OX的正向，此时靶标绕O点运动到与OX正向的夹角θ即是零度；由单片机控制的步进电机决定靶标运动到与接近传感器感应面的相对位置，转动位置由步进电机的转动决定。单片机控制的步进电机轴线位于图3的O点，单片机控制的步进电机轴线位于设定为坐标原点的靶标连杆尾端O点。顺时针转动，夹角θ由零度增大到360°，控制步进电机顺时针或逆时针转动，靶标随着步进电机的转动而绕O点轴线转动，靶标沿接近传感器的弧线切面接近，形成靶标的运动轨迹A-A’，靶标的运动轨迹A-A’由与步进电机同轴相连的单圈绝对值数值码盘决定相对位置及控制精度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种接近传感器靶标运动角度控制的方法，具有如下技术特征：步进电机同轴相连绝对值数值码盘，单片机通过相应的控制线经上拉电阻到电源，控制使能驱动器及电机步进驱动器，单片机的一路异步、全双工串口电连接绝对值数值码盘；单片机接收上位计算机的位置角度控制指令，控制步进电机顺时针或逆时针转动，通过步进电机控制靶标转动位置，以及运动到与接近传感器感应面的相对位置；靶标随着步进电机的转动而绕靶标连杆末端原点O转动，沿接近传感器的弧线切面接近形成运动轨迹；步进电机带动绝对值数值码盘同步转动；绝对值数值码盘实时采集靶标的方位角信号，控制靶标的运动角度及相对位置精度，通过RS485接口，以问答方式将同轴上的步进电机的方位角信号回馈给单片机；单片机在360°圆周上按照最近到达原则计算靶标目的角度与当前角度的角度差，确定新角度与目的角度是否≤0.1125°，否则改变转动方向，换向发一个脉冲，再查新角度与目的角度是否≤0.1125°，直到新角度与目的角度≤0.1125°，则到达目的角度。
2.如权利要求所述的接近传感器靶标运动角度控制的方法，其特征在于：单片机通过IO端口的P0.6、P0.7、P1.0控制线并联上拉电阻R1、R2、R3到+5V电源，并通过上述控制线连接电机步进驱动器N1，电机步进驱动器N1连接步进电机N2；单片机通过IO端口的P0.6、P0.7、P1.0的控制线对应连接电机步进驱动器N1的PUL脉冲控制信号接口、DIR接口和EN端。
3.如权利要求所述的接近传感器靶标运动角度控制的方法，其特征在于：单片机发出的相对应于步进电机运动角度的脉冲数通过PUL接线端口送入电机步进驱动器N1，发出的脉冲控制信号经过电机步进驱动器的PUL生成控制节拍A+、A-、B+、B-，分别对应步进电机N2的控制节拍A+、A-、B+、B-，同时进行电平放大，并通过DIR接口向步进电机N2发出的方向信号先于单片机通过PUL接口向步进电机N2发出的脉冲信号，通过脉冲信号控制步进电机N2的时序，通过单片机DIR接口产生的高/低电平信号控制步进电机N2的换向。
4.如权利要求1所述的接近传感器靶标运动角度控制的方法，其特征在于：靶标刚性连接转动的靶标连杆，步进电机N2轴刚性连接在靶标连杆尾端O点；单片机控制的步进电机N2顺时针或逆时针转动，靶标随着步进电机N2的转动而绕O点轴线转动，转动半径为靶标连杆长度，转动位置由步进电机N2的转动决定，靶标运动到与接近传感器感应面的相对位置由单片机控制的步进电机N2决定。
5.如权利要求1所述的接近传感器靶标运动角度控制的方法，其特征在于：靶标刚性连接转动的靶标连杆，步进电机N2轴刚性连接在靶标连杆尾端O点，靶标以靶标连杆长度为转动半径，随着步进电机N2的转动而绕O点轴线转动，靶标沿接近传感器感应端A到靶标连杆尾端O垂直平面的弧线切面形成运动轨迹。
6.如权利要求1所述的接近传感器靶标运动角度控制的方法，其特征在于：单片机的另一路异步、全双工串口UART0、UART1输出RS-485信号，通过P0.4、P0.5端口和信号方向控制端P1.1，经过低功耗收发器D2输出RS-485信号，低功耗收发器D2通过输出端并联电阻R4连接上位计算机，将RS-485信号送入上位计算机。
7.如权利要求1所述的接近传感器靶标运动角度控制的方法，其特征在于：单片机的信号方向控制端P3.3、端口P3.4和P3.5对应连接低功耗收发器D3，低功耗收发器D3通过输出端并联电阻R5连接绝对值数值码盘N3，低功耗收发器D3的输出端口A连接输入端N3的RS485A，D3的输出端口B连接绝对值数值码盘N3的输入端RS485B，电阻R5并联在低功耗收发器D3与绝对值数值码盘N3连线上。
8.如权利要求7所述的接近传感器靶标运动角度控制的方法，其特征在于：单片机的信号方向控制端P3.3、P3.4和P3.5端口经MAX485ESA低功耗收发器D3输出RS-485信号，通过并联电阻R5输入单圈绝对值数值码盘N3，比较步进电机N2转动脉冲，实现分辨率小于1°，并通过其RS485接口，经过问答方式将同轴上的步进电机N2的方位角信号回馈给单片机。
9.如权利要求1所述的接近传感器靶标运动角度控制的方法，其特征在于：当靶标处于上次结束的任意θ角度，单片机自检，靶标顺时针转动4个90°，然后逆时针复位到θ＝0°，检查电路、机械结构的连接运转情况，单片机等待上位计算机发新指令或上位计算机发新目的角度指令，若是非新目的角度指令，执行完后等待；若是新目的角度指令，单片机计算新目的角度，在360°圆周上按照最近到达原则计算目的角度与当前角度的角度差，计算理论到达需要发送脉冲数N。
10.如权利要求10所述的接近传感器靶标运动角度控制的方法，其特征在于：若是非新目的角度指令，单片机确定新角度与目的角度是否≤0.1125°，如否，转动方向改变，则换向发一个脉冲；再查新角度与目的角度是否≤0.1125°，如是则退出；如否且转动方向改变，则换向发一个脉冲；如此换向发一个脉冲转动达到3次，则第3次结束时退出。
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