陀螺惯性平台数字稳定回路设计

徐梁

中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所

本文研究的新型惯性平台系统对传统的平台系统结构做出了整改，传统的平台系统结构主要是以气浮单自由度陀螺仪为重要的敏感元件，但经过重新设计后，用干涉式光纤陀螺取代了气浮单自由度陀螺仪，重新建立起了陀螺惯性平台的数字稳定回路，并具有气浮单自由度陀螺仪所不具备的良好的动态性能及稳态性能，不仅如此，新型惯性平台系统较之传统系统重量更轻、功耗更低、尺寸更小、价格更低、寿命更长。

1 新型惯性平台系统的稳定回路建模及其组成

光纤陀螺惯性平台摒弃了之前的稳定回路设计，而是采用三轴对结构进行稳定，改变了原有轴彼此之间发生的耦合，三轴稳定结构是由3条互为孤立的数字稳定回路构成的。其中，每一条回路又包含敏感元件、执行构件、中间装备以及稳定目标等多部分组成。

其结构原理为：当Mf以干扰力的形式对台体框架轴起到作用时，光纤陀螺很快就会感受到该轴比较敏感的转动角速度，会相应地把调宽信号输出，此时的功率放大器就会促使后驱动直流力矩电机驱动，Md就会被作为电机力矩长产生，并对台体框架轴上的干扰力矩进行抵消，通过各种作用原理，平台便被稳定在惯性空间。

根据直流力矩电机的自身工作原理，设电机机械时间常数（Tm）、电气时间常数(Te)、电机力矩系数(Cm)、电机反电势系数(Ce)、电机电枢的电钮(Ra)。在陀螺稳定回路的设计中，不光有光纤陀螺、直流力矩电机及校正网络，其他的各个环节都可以是比例环节，可得稳定回路另外方框图，设光纤陀螺的传递函数（Kgs）、校正网络的传递函数（H(S)）、回路总放大倍数（k）。鉴于光纤陀螺工作中输出的信号与其对角速度的敏感度构成正比，因此，只有在信号输出端口加上积分环节，才能使其与平台稳定回路相匹配。

现以内环轴作为典型案例，在忽略校正网络的前提下，平台系统的开环传递函数为：

将数值代入（1），经过化简后，得：

这时，开环对数频率特性曲线图，我们在下图很容易就可以得出相角裕度是-12.9°，幅值裕度是-51.6dB，但是这个系统是不稳定的，迫切需要校正。

2 数字校正网络相关设计和实现

2.1 串联超前校正 新型平台系统也会相应存在新要求，如受到单位阶跃作用时，稳定回路应该小于30%的响应超调，调节时间应该小于0.2秒，震荡次数应该小于2；当干扰力矩是28000g.cm时，平台的偏差角应该不大于20毫分。由系统的时域指标以及系统的频域指标之间存在的关系可得，需提高系统的相角裕度，可采用串联超前校正。

原本的系统是I型的系统，从理论来说，不存在阶跃输入作用中的稳态误差，但是却需要对附加的相角和幅值进行超前校正，加入超前校正目前的传递函数为

没有校正时系统相角裕度是-12.9°,45°是系统的期望相角裕度，所以，可以取超前矫正所能达到的相角最大值65°，当频率为160rad/s时可以取得。经计算，a的值为20，此时得到超前矫正传递函数是

超前矫正之后，系统开环传递函数是

经过校正之后，0.252dB就是系统的增值裕度，0.803则是相角裕度，196rad/s则是截止频率，此时的数值虽稳定，但达不到系统数据要求，因此，需要串联滞后校正，对相角裕度进行提高。

2.2 串联滞后校正

3 数字校正网络实现举措

模拟电路形式一直被传统的校正网络设计所采用，其主要特点就是硬件结构较复杂，在调试工作中面临困难。新型系统则是采用了光纤陀螺，其内部的处理芯片型号为TMS320F206DSP，这种数字的校正网络设计，有着传统校正网络所不具备的优势，主要表现在两个方面：一是TMS320F206DSP这种芯片具有高速运算能力，能够使控制值与响应速度得到数值运算的准确性和高速性；二是TMS320F206DSP 处理器可以对周围的元件高度集成，并形成结构特性，运用软件技术对校正网络进行实现，在减少元件组成的同时，增加了新型系统的可移植。

光纤陀螺数字信号处理芯片型号为TMS320F206，其程序包括对陀螺的控制和数字校正网络两个方面的程序。对陀螺的控制程序主要包括首先是芯片初始化，其次是等待中断出现，再次是对数据的采集，最后是对相关信号的传输。陀螺控制程序存在内部的接口以及空间预留，利用这两个特点，可以把校正网络程序方便快捷地嵌入进主程序。此时的陀螺角速度值便会成为校正网络的输入值，在校正工作后，转变为PWM信号，最后作为光纤陀螺的最后输出。此过程中都是以汇编语言编写的形式对程序编程，控制算法程序表述为：程序入口-输入校正网络参数（a、b、T、T)-设初值y（k-1)=u(k-1)=0-本次采样陀螺角速度值u（k）-计算校正网络输出值y（k）-输出y（k）到累加器进行调宽输出运算-为下一时刻准备y（k）→y（k-1)，u(k）→u(k-1)-采集时刻-本次采样陀螺角速度值u（k），如此循环，直至出现采集时刻。

4 结语

综上，本文对光纤陀螺惯性平台稳定回路设计模型进行了分析，并对稳定回路的校正网络进行了进一步设计。将光纤陀螺的内部具备高速运转及数值运算能力的DSP处理芯片加以利用，把数字校正网络手段直观地展现出来，此方法不仅可以对元件构成数量进行简化，还可以方便系统重新组建和调试。

[1]黄威，陈家斌，张延顺.光纤陀螺在航空武器装备中的应用及前景[J].电光与控制，2008（04）

[2]吴凡，杨小军，曹剑中，刘波，杨敏达，宋凭.基于DSP的光轴稳定平台控制系统[J].科学技术与工程，2010（03）