光学探测陀螺稳定系统的系统结构与设计指标

1 系统结构与设计指标
1.1 系统结构
系统主要由平台部件、电子部件、显控部件三部分组成。
平台部件包括框架、俯仰/方位电机、大/小视场CCD、激光测距仪、俯仰/方位旋转变压器(以下简称旋变)。CCD摄像机安装于相互正交的内、外两个框架上，由两个力矩电机控制可以在航向和俯仰两个自由度的方向上扫描。在内、外框架上分别由速率陀螺感测方位和俯仰运动，其输出送入稳定系统调节器，再经功率放大后至力矩电机，使框架按照指令旋转(扫描)或稳定瞄准线。
电子部件包括系统主板、电视跟踪器、电机驱动及数据采集保持电路。电子部件根据系统的要求对系统的航向、水平、俯仰、横滚和方位进行修正和补偿控制;根据陀螺仪的温度漂移特性曲线进行温度补偿控制;自动采样、监测系统信号;实现系统主要参数的常量有选择地动态显示。

显控部件包括控制盒、工控机。主要用于显示由CCD摄像机摄入的图像及系统状态信息，并完成搜索、锁定、解锁等操作。
1.2 系统主要设计指标
稳定轴相关设计指标如下：方位、俯仰轴角速度大于40°/s，方位、俯仰轴角加速度大于60°/s2。
静态下对不大于3 000gcm的扰动力矩，角度波动不大于30″且稳定后无静差。
稳定隔离精度技术指标为：摇摆台在摆幅为3°、频率为1Hz的正弦扰动下，平台俯仰通道摆幅应小于2′;摇摆台在摆幅为2°、频率为1Hz的正弦扰动下，稳定平台方位通道摆幅应小于2′。
2 控制系统设计
当平台受到载体的运动干扰时，如果光轴作用点距离较远，即使相对惯性空间产生很小的误差角偏移，也会使远距离外的跟踪点脱离视场。因此系统主要针对干扰力矩下平台角度输出稳定后无静差这一要求来进行设计。
在一般的速率反馈方案中，校正环节选用PID校正仅能实现系统角速度无静差，不能实现角度无静差。如果要让系统角度输出无静差，则需要在校正环节中含有双重积分环节，因此设计了在速率陀螺反馈的基础上采用PII2校正环节的控制方法。由于直流力矩电机电枢电感值通常非常小，忽略其时间常数的影响，模型简化后的稳定回路控制框图如图1所示。
(3) 主导极点：必须满足特征多项式中一对具有复实部的共轭复根为系统的主导极点，应满足α>5。
采用极点配置的方法来确定(比例-积分-二重积分)校正环节的三个系数，可得：
kp=7.2，ki=245，ki2=6 500，根据上述参数，施加一个1 000gcm的干扰力矩，在MATLAB中仿真的结果显示系统调节时间及角度静差均满足要求，但系统超调过大。增大系统的开环增益，将系统校正环节中kp、ki、ki2 三个参数均放大三倍，观察闭环零极点图，发现系数放大后，共轭复根的复实部并未发生较大变化，而其虚部变小，这可削弱系统动态特性中的正弦振荡从而减小超调。同时系数放大三倍后复实轴上的极点更加远离共轭复根，从而使得共轭复根的主导极点的地位更为加强，系统的特性更接近设计期望的特性。同样1 000gcm扰动力矩下，系统调节时间及角度静差均满足要求。方位轴3 000gcm扰动力矩下角度输出如图2所示(在60秒时刻施加干扰力矩，纵坐标单位角秒，横坐标单位秒)。
在系统反馈控制中，内环是一个力矩电机的电流环，用于输出稳定无差的转矩。次内环为框架惯性速率环，外环为位置跟踪环。惯性速率环的反馈元件为速率陀螺，测量框架相对于惯性空间的角速率。位置跟踪环由旋变来完成角度的测量。陀螺稳定系统是一个力矩平衡系统，由陀螺感测扰动力矩引起的角运动，通过反馈回路产生一个控制力矩来抵消扰动力矩，从而达到稳定的目的。在本陀螺稳定平台控制系统中， 电机的控制模式采用转矩控制模式，使转矩(电流)环的输出电流值与闭环的输入电压给定值成比例关系，这样可以显着提高惯性速率环的控制效果，从而提高稳定精度。
3 系统硬件设计
控制器选用TI公司TMS320LF2407A数字信号处理器，采用模块化主计算机板、显示控制板、A/D 板、R/S 板及图像跟踪板。系统资源有一定冗余度，提高了系统的可靠性。总体扩展框图如图3所示。
3.1 陀螺信号输入接口
陀螺选用俄罗斯FizopTIka公司的光纤陀螺VG941-3AM，用于测量负载框架相对于惯性空间的角速率，输出模拟电压信号(0～3V)，陀螺信号通过信号处理电路转成与A/D 芯片匹配的输入电平。本系统选用2 片ADI公司的16位A/D芯片ADS7805U，可同时采样，转换时间为4μs，满足系统要求。A/D转换后的16位信号送到两片锁存器(SN74HC574)中，由DSP控制74LS138选通锁存来读取陀螺信号。
3.2 直流力矩电机伺服驱动接口
电机功放电路选用IR公司的电机驱动芯片IR2104。IR2104是一种高电压、高速度的功率MOSFET和IGBT驱动器，工作电压10～20V。系统使用两片IR2104控制四片N沟道的IGBT(IRF540N)组成一个全桥驱动电路控制一台直流力矩电机。IR2104通过HO输出分别控制全桥驱动电路的上半桥Q1、Q3的导通与关断，而IR2104的LO输出分别控制全桥驱动电路的下半桥Q2、Q4的导通与关断，从而达到控制电机转速与正反转的目的。电机驱动接口如图4所示(仅画出一路)。
3.3 旋转变压器信号接口
在本系统中，选用DDC公司的专用RDC模块19220，接收来自旋变粗、精通道的激磁信号，其中精通道的bit4-bit11转换后直接送到低位锁存中，bit1-bit3送到中位锁存的低三位，精通道的bit1-bit5再和粗通道在MD27C256中精粗精组合后送到中、高位锁存，形成旋变的18位数据，分辨率为4.94″。单路旋变接口实现如图5所示。
4 系统软件设计及功能
软件设计包括初始化、自检、控制算法、故障处理、以及各功能模块的编写，考虑到稳定模块的实时性比较高，整个系统程序采用汇编语言设计编写，伺服采样周期为1ms。
系统控制命令既可以由控制盒发出，也可以由上位机发出。上位机还可以设定如测漂参数、位置指令参数等以完成各种系统监测所需的参数设置，同时上位机还接收、显示存储来自平台的包括陀螺、旋变、电机等各种实时信息，用于数据处理和分析判断。软件采用模块化设计，方便软件的调试，可扩展性、可移植性强。系统软件框图如图6所示。
跟其他平台相比，本系统的一大特色是功能比较丰富，系统软件具有稳定测漂、旋变锁定 、位置指令、目标搜索、光电跟踪等五种状态，还可完成诸如负载能力试验、模拟摇摆试验、带宽预测试等系统试验。
(1) 旋变锁定
系统根据旋变信息对平台施矩，将其控制到旋变的电零位，旋变锁定状态持续5秒钟后结束并自动转入陀螺稳定状态。
(2) 稳定测漂
操作员键入采样周期和采样时间后，系统进入稳定测漂状态，测漂完成后自动补偿陀螺漂移。
(3) 位置指令
系统接收到目标的纬度、经度、高度三个参数，然后从载体系统中读入自身的横滚角、俯仰角、方位角三个参数，根据这六个参数计算得出自身所要转动的俯仰、方位角度，然后控制平台电机转动到相应位置。
(4) 目标搜索
此时由操纵杆控制俯仰、方位两个电机的运动，DSP接收到目标搜索的指令码后，分别取出地面控制台给出的俯仰、方位两个电机的速度值，然后按照操纵杆给出的俯仰、方位两个电机的速度值控制平台转动，进行目标搜索。
(5) 光电跟踪
系统接收到光电跟踪的指令码，选择相应的跟踪方式，然后根据电视跟踪器传来的俯仰、方位的脱靶量控制两个电机平台运动，跟踪目标点。
5 系统实验及结论
5.1静态稳定精度检测
开机使平台进入稳定状态，分别给方位、俯仰轴添加负载。3 000gcm扰动力矩下，系统旋变角度输出如图7所示(在60秒时刻施加干扰力矩)，满足设计要求。
5.2 动态稳定精度检测
开机使平台进入稳定状态，在俯仰稳定框安装双面反射镜，调整好双面反射镜、平行光管和光电观测仪，使方位稳定轴进入稳定功能状态，使方位摇摆轴按照正弦波作摇摆运动，观察光电观测仪的读数，如果小于要求值，即满足要求。实测稳定台方位轴摇摆幅度为0.2′，俯仰轴摇摆幅度为0.3′，远小于设计指标，满足技术指标要求。
本文详细论述了瞄准线稳定高精度系统及其软硬件设计。系统采用经典的位置速率双环控制结构，选用DSP 作为数字控制系统的，组成高精度瞄准线稳定系统。对各项动、静态性能指标进行了测试， 达到了预期设计指标。