《電子技術應用》
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基于數字伺服控制器的機載吊艙陀螺穩(wěn)定平臺設計
電子設計工程
黃會生 樊利民
摘要: 在民用市場,國內現有的機載吊艙陀螺穩(wěn)定系統大多采用模擬伺服控制器">伺服控制器,存在多方面的缺陷,比如:體積大,笨重,容易產生漂移,不易調整,伺服控制效果不好,無法實現數字通信等,因此無法采用諸如FPGA這樣的芯片去處理運動信號,成了性能無法提升的瓶頸,不能很好地滿足市場需求。
Abstract:
Key words :

    在民用市場,國內現有的機載吊艙陀螺穩(wěn)定系統大多采用模擬伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" title="伺服控制器">伺服控制器" 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    Elmo公司的Whistle系列數字伺服控制器,體積小、重量輕、提供數字輸入與輸出接口,提供RS232與CAN總線2種通信方式,可編程。采用Elmo Whistle數字伺服控制器,通過編程,僅需設計相對簡單的一部分外圍電路,就能實現很復雜的功能,體現出極大的優(yōu)越性。但目前國內應用這一控制器來實現機載吊艙陀螺穩(wěn)定平臺的廠家比較少,因此可以借鑒的經驗非常有限。本文通過仔細研讀Elmo相關文檔,設計出了符合性能指標的機載陀螺穩(wěn)定平臺。

1 吊艙及陀螺穩(wěn)定平臺

    吊艙是指懸掛在運動載體(如飛機、船舶)外的艙體有效載荷容器裝置。它的作用主要是隔離載機的姿態(tài)變化和機械振動對光電傳感器指向的影響。吊艙系統由陀螺穩(wěn)定平臺伺服平臺、電視跟蹤系統、座艙顯示和控制系統、紅外測量系統、激光測距儀和GPS定位于測距數據鏈系統、數據采集和記錄系統、吊艙環(huán)控系統等7部分組成。

    陀螺穩(wěn)定平臺系統主要用于穩(wěn)定機載吊艙上TV和紅外攝像機的視軸穩(wěn)定,消除直升飛機飛行過程中由于搖擺帶來的干擾力矩。這里設計的平臺屬于二軸四框架系統,分為方位軸和俯仰軸。在每一個軸上安裝一個單自由度的光纖陀螺,用來感應干擾力矩。陀螺輸出信號經過放大濾波后,送到Elmo伺服控制器,由控制器智能處理陀螺信號。信號處理完畢之后,由控制器的輸出部分,驅動直流伺服電機,實現整個系統的穩(wěn)定。

2 穩(wěn)定平臺設計

2.1 系統總體設計框圖

    此文設計的陀螺穩(wěn)定平臺主要是要保證各個光傳感器的視軸穩(wěn)定。結合整個吊艙系統,主要是實現以下6個功能:

    1)現吊艙的穩(wěn)定控制;2)實現吊艙的運動控制;3)限位信號輸入;4)錯誤指示電路;5)LOCK電路;6)串口通信。

    圖l為系統總體設計框圖。


2.2 硬件電路設計

2.2.1 陀螺信號處理電路

    由于俄羅斯的Fizoptika VG94l-3AS光纖陀螺輸出信號非常微弱,輸出比例因子只有3.3 mV/deg/s。對于這么微弱的信號,必須要先進行小信號的放大電路處理,才能傳送到Elmo伺服控制器,進行下一步的處理。這里要說明的一點是,并沒有對陀螺輸出信號進行濾波處理,原因在于Elmo伺服控制內部已經有了數字濾波電路,可以在調試時進行相關設置,以達到濾波目的。

    Elmo數字伺服控制器原本有2個模擬輸入口的,可直接將光纖陀螺的輸出信號接入數字伺服控制器,但由于陀螺的隨機漂移大,基本無規(guī)律可以遵循,每次開機,給陀螺供電時,陀螺的隨機輸出是不一樣的。所以,應設計陀螺信號處理電路,一方面可以將陀螺的輸出信號按一定比例的放大,然后輸入到Elmo數字伺服控制中,減少程序中的比例因子,進而減少Elmo數字伺服控制器內部的噪聲對整個系統的影響,另一方面通過外接一只可調電阻,實現每次開機的漂移量補償,從而使吊艙保持平穩(wěn)狀態(tài)。

    Fizoptika VG941-3A光纖陀螺在載體靜止時,輸出電壓為2.5 V。因此要保證載體靜止時,輸入到Elmo數字伺服控制模擬輸入口的電壓為0 V,必須用一個精準電壓芯片產生2.5 V的電壓,通過放大器4558實現一個減法電路。在該減法電路中,用REF02CZ產生5 V的電壓,然后通過電阻分壓得到2.5 V基準電壓。圖2為陀螺信號處理電路(減法電路)原理圖。


2.2.2 電源電路設計

    這里的電源電路設計主要的目的是給各芯片提供基準電壓。TSMl212D用于產生±12 V基準電源,給放大器4558和REF02CZ提供基準電壓,而REF02CZ用于產生+5 V基準電壓,給放大器提供參考電壓。圖3為電源電路原理圖。


2.2.3 吊艙運動信號處理電路

    吊艙系統除了要實現基本的陀螺穩(wěn)定功能外,還必須具備巡航、跟蹤等功能。因此,整個吊艙系統還有轉動信號、漂移信號的處理電路。這兩個信號是通過控制面板(HCU)上相應的開關按鈕來控制。圖4為吊艙運動信號處理電路原理圖。

2.3 系統軟件設計

    Elmo Whistle數字化智能驅動器的軟件結構總體可分為2大部分:1)驅動器本身的程序,這個包括引導程序,固件和個性化的設置。這些程序可以通過官方網站下載,然后根據特定的驅動器型號進行燒錄;2)用戶自己的程序,以實現用戶自行設計的功能。

    在本系統軟件設計中,主要完成陀螺穩(wěn)定的功能。通過采集Elmo Whistle控制器的模擬輸入口由光纖陀螺反饋回來的電壓信號AN[1],在程序設定相應的跟隨比例AG[2],實現相應的陀螺穩(wěn)定功能。這里的關鍵是參數AG[2]的確定。這個參數首先有一個估算的過程,估算完成后,可以在稍后的調試環(huán)節(jié)中進行微調,最終實現精準的陀螺穩(wěn)定功能。參數AG[2]可以按以下方法估算:

    1)在Smart Terminal界面中,將輸入AN[1]設定為1 V,測量此時吊艙的轉速,設為N,并在Smart Terminal界面中查看電機的轉速為S1,單位為count/s;

     2)光纖陀螺最大感應輸出電壓為2.5 V,此時對應吊艙的速度應為M,M的值在吊艙設計時已經設定,為60(°)/s;此時電機的轉速為S2,則S2的值為:S2=(60/N)xS1;

    3)比例因子AG[2]=S2/2.5;

    Elmo Whistle內部有可調用函數,通過相應的設置語句,控制器就可以根據判斷6個數字輸入口的狀態(tài),執(zhí)行相應的內部函數。在本系統中,體現為LOCK信號功能、限位信號功能以及指示輸出等。圖5為陀螺穩(wěn)定系統的部分軟件流程圖。


    為了真正實現機載吊艙的數字化,在實現以上功能之外,本系統還就指令控制吊艙運動做了相應的嘗試。在原有的軟件模塊中,通過判斷輸入口3的狀態(tài).增加了一個串口通信模塊。如果檢測到控制器數字輸入口3為低電平,則觸發(fā)串口通信模塊子程序,向控制器發(fā)送控制狀態(tài)字,實現指令控制吊艙功能。當然,這個功能也可以通過PC機向控制器發(fā)送相應的指令實現。

3 結束語

    配合Elmo公司的Studio界面和Recorder軟件,可以分析機載吊艙陀螺穩(wěn)定平臺是否達到技術指標要求,并且在有必要的時候修改系統硬件電路設計和程序中的參數,以達到預期的目標。

    本系統最終設計出的機載吊艙陀螺穩(wěn)定平臺,應用于目前的吊艙系統中,吊艙的穩(wěn)定性能達到50μrad,俯仰轉動角度為-120°~+15°,方位轉動角度為360°連續(xù),最大轉動速度為60(°)/s最大轉動加速度200(°)/S2,功耗小于240 W。

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