陀螺慣性平臺數字穩定回路設計

徐梁

中國航空工業集團公司洛陽電光設備研究所

本文研究的新型慣性平臺系統對傳統的平臺系統結構做出了整改，傳統的平臺系統結構主要是以氣浮單自由度陀螺儀為重要的敏感元件，但經過重新設計后，用干涉式光纖陀螺取代了氣浮單自由度陀螺儀，重新建立起了陀螺慣性平臺的數字穩定回路，并具有氣浮單自由度陀螺儀所不具備的良好的動態性能及穩態性能，不僅如此，新型慣性平臺系統較之傳統系統重量更輕、功耗更低、尺寸更小、價格更低、壽命更長。

1 新型慣性平臺系統的穩定回路建模及其組成

光纖陀螺慣性平臺摒棄了之前的穩定回路設計，而是采用三軸對結構進行穩定，改變了原有軸彼此之間發生的耦合，三軸穩定結構是由3條互為孤立的數字穩定回路構成的。其中，每一條回路又包含敏感元件、執行構件、中間裝備以及穩定目標等多部分組成。

其結構原理為：當Mf以干擾力的形式對臺體框架軸起到作用時，光纖陀螺很快就會感受到該軸比較敏感的轉動角速度，會相應地把調寬信號輸出，此時的功率放大器就會促使后驅動直流力矩電機驅動，Md就會被作為電機力矩長產生，并對臺體框架軸上的干擾力矩進行抵消，通過各種作用原理，平臺便被穩定在慣性空間。

根據直流力矩電機的自身工作原理，設電機機械時間常數（Tm）、電氣時間常數(Te)、電機力矩系數(Cm)、電機反電勢系數(Ce)、電機電樞的電鈕(Ra)。在陀螺穩定回路的設計中，不光有光纖陀螺、直流力矩電機及校正網絡，其他的各個環節都可以是比例環節，可得穩定回路另外方框圖，設光纖陀螺的傳遞函數（Kgs）、校正網絡的傳遞函數（H(S)）、回路總放大倍數（k）。鑒于光纖陀螺工作中輸出的信號與其對角速度的敏感度構成正比，因此，只有在信號輸出端口加上積分環節，才能使其與平臺穩定回路相匹配。

現以內環軸作為典型案例，在忽略校正網絡的前提下，平臺系統的開環傳遞函數為：

將數值代入（1），經過化簡后，得：

這時，開環對數頻率特性曲線圖，我們在下圖很容易就可以得出相角裕度是-12.9°，幅值裕度是-51.6dB，但是這個系統是不穩定的，迫切需要校正。

2 數字校正網絡相關設計和實現

2.1 串聯超前校正 新型平臺系統也會相應存在新要求，如受到單位階躍作用時，穩定回路應該小于30%的響應超調，調節時間應該小于0.2秒，震蕩次數應該小于2；當干擾力矩是28000g.cm時，平臺的偏差角應該不大于20毫分。由系統的時域指標以及系統的頻域指標之間存在的關系可得，需提高系統的相角裕度，可采用串聯超前校正。

原本的系統是I型的系統，從理論來說，不存在階躍輸入作用中的穩態誤差，但是卻需要對附加的相角和幅值進行超前校正，加入超前校正目前的傳遞函數為

沒有校正時系統相角裕度是-12.9°,45°是系統的期望相角裕度，所以，可以取超前矯正所能達到的相角最大值65°，當頻率為160rad/s時可以取得。經計算，a的值為20，此時得到超前矯正傳遞函數是

超前矯正之后，系統開環傳遞函數是

經過校正之后，0.252dB就是系統的增值裕度，0.803則是相角裕度，196rad/s則是截止頻率，此時的數值雖穩定，但達不到系統數據要求，因此，需要串聯滯后校正，對相角裕度進行提高。

2.2 串聯滯后校正

3 數字校正網絡實現舉措

模擬電路形式一直被傳統的校正網絡設計所采用，其主要特點就是硬件結構較復雜，在調試工作中面臨困難。新型系統則是采用了光纖陀螺，其內部的處理芯片型號為TMS320F206DSP，這種數字的校正網絡設計，有著傳統校正網絡所不具備的優勢，主要表現在兩個方面：一是TMS320F206DSP這種芯片具有高速運算能力，能夠使控制值與響應速度得到數值運算的準確性和高速性；二是TMS320F206DSP 處理器可以對周圍的元件高度集成，并形成結構特性，運用軟件技術對校正網絡進行實現，在減少元件組成的同時，增加了新型系統的可移植。

光纖陀螺數字信號處理芯片型號為TMS320F206，其程序包括對陀螺的控制和數字校正網絡兩個方面的程序。對陀螺的控制程序主要包括首先是芯片初始化，其次是等待中斷出現，再次是對數據的采集，最后是對相關信號的傳輸。陀螺控制程序存在內部的接口以及空間預留，利用這兩個特點，可以把校正網絡程序方便快捷地嵌入進主程序。此時的陀螺角速度值便會成為校正網絡的輸入值，在校正工作后，轉變為PWM信號，最后作為光纖陀螺的最后輸出。此過程中都是以匯編語言編寫的形式對程序編程，控制算法程序表述為：程序入口-輸入校正網絡參數（a、b、T、T)-設初值y（k-1)=u(k-1)=0-本次采樣陀螺角速度值u（k）-計算校正網絡輸出值y（k）-輸出y（k）到累加器進行調寬輸出運算-為下一時刻準備y（k）→y（k-1)，u(k）→u(k-1)-采集時刻-本次采樣陀螺角速度值u（k），如此循環，直至出現采集時刻。

4 結語

綜上，本文對光纖陀螺慣性平臺穩定回路設計模型進行了分析，并對穩定回路的校正網絡進行了進一步設計。將光纖陀螺的內部具備高速運轉及數值運算能力的DSP處理芯片加以利用，把數字校正網絡手段直觀地展現出來，此方法不僅可以對元件構成數量進行簡化，還可以方便系統重新組建和調試。

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