一种旋转调制惯导用转位机构的研究和实现

刘雪锋

(湖北三江航天红峰控制有限公司，湖北 孝感 432000)

转位技术是一种有效提高惯导系统精度的方法，可以实现对系统中的常值及慢变误差的抑制。转位技术是在转位机构旋转下，惯性器件敏感轴相对某个固定的坐标系(水平、偏航)旋转，从而使其误差在此坐标系下被调制成均值为零的周期变化，大大提高了惯导系统的精度。

转位机构在转位过程中的误差是三自惯组方案的主要误差源之一，对精度影响较大，因此转位精度必须满足三自惯组标定、对准需求。针对需求，设计基于直流力矩电机的三闭环PID控制器，实现对转位机构角度、速度、力矩的控制，减小转位机构转位误差[1]。

1 工作原理

转位机构采用直流力矩电机驱动传动部件旋转惯组敏感体，利用圆光栅、光电编码器反馈旋转角度信息，实现惯组转位方案控制。

转位机构工作原理是系统根据设定的控制规律，通过转位机构驱动控制器给定的位置(目标位置)信号和敏感体转位反馈信号比较后作为位置调节器的输入，位置调节器输出速度控制信号与转位反馈信号的微分信号比较后送入速度调节器，生成电流控制信号与直流力矩电机通过霍尔传感敏感电枢电流做差，经电流调节器生产频率固定、宽度可调的PWM电机控制信号，实现位置-速度-电流三闭环PID控制。电机控制信号再经过隔离、放大电路，从而驱动直流力矩电机转动。工作原理框图如图1所示。

图1 转位机构控制框图Fig.1 Block diagram of transposition mechanism control

2 软硬件设计

2.1 转位机构设计

转位机构实现惯组敏感体绕X、Y两个轴系旋转，非工作时敏感体结构捷联锁死，采用双轴转位机构方案，其中内框轴、外框轴和锁紧轴三轴正交，采用三轴正交方案能够为本体提供足够强的刚性支撑[2]。

三自惯组转位机构内框与惯组本体采用复用设计，即惯组本体即为转位机构内框。转位机构由基座、外框组件、惯组本体、锁紧组件构成，基座为转位机构提供支撑和对外安装接口，外框为转位机构提供外框旋转轴系和内框安装接口，内框为转位机构提供内框旋转轴系，锁紧组件为敏感体实现捷联结构。转位机构主要将带动敏感体旋转的直流力矩电机、传动机构、角度传感器、锁紧机构等部件在三轴方向最优结构布局，使得三自惯组结构紧凑、质量轻且结构刚度强[3]。

2.2 转位控制驱动设计

转位机构控制驱动板主要由二次电源、转位控制和驱动放大等功能模块组成，转位控制功能采用数字信号处理DSP+FPGA为控制核心电路实现，FPGA主要实现控制信息接口功能，与上位机通过CAN总线信息交互，采集角度传感器信息、电机电枢电流，并将参与控制信息通过EMIF总线发送至DSP，DSP根据控制指令、传感器反馈信息，实现三闭环PID控制规律产生电机控制信号。驱动放大电路实现按控制电路给定的信号实现对电机的驱动控制，主要由信号隔离、功率放大、滤波电路组成。控制驱动板各功能模块系统框图如图2。

图2 转位机构控制驱动系统框图Fig.2 Block diagram of transposition mechanism control drive system

高精度的反馈信息(角度、电流)是闭环控制系统控制精度的基本要素。敏感体旋转选用26位绝对式的圆光栅编码器完成角度信息采集，最高可以提供0.02″角度分辨率，FPGA程序设计循环状态机按BISS-C模式串口通信协议编写读写时序及采集频率读取编码器位置数据信息。直流力矩电机电枢端设计一个双极性霍尔电流传感器，具有新型度高、响应速度快等特点，电流信号经传感器输出为电压信号，方便A/D器件数模转换，实现电流采集精度0.01A。

2.3 软件设计

转位机构控制驱动板上电后FPGA先启动工作，程序加载完成后，复位DSP开始正常工作[4]。系统初次上电时，FPGA软件处于复位状态，等待FPGA复位模块执行完成，FPGA软件退出复位状态，退出复位状态后由时钟配置模块给各个模块提供所需时钟，FPGA软件各个模块进入工作状态，各模块并行执行，由不同的时钟来进行时序安排，通过采集同步信号来进行传输数据和指令。DSP接收FPGA复位信号后，进入正常工作模式，软件默认进入主程序中，对外输出状态信息。当有外部中断时，软件跳转到中断程序中执行外部中断指令，根据相关信息执行操作；当外部中断指令执行完毕后，跳回主程序。

3 转位机构三闭环控制设计与仿真

闭环控制采用三个经典PID控制算法复合结构，其结构简单、性能稳定、轨迹清楚，适用于伺服控制，其PID控制方程可表达为：

依据负载敏感体偏心力矩、传动机构构建转位机构传动模型，模拟转动过程力矩波动，并电机电流一同反馈至电流环输如端，结合控制系统模型中位置控制器、速度控制器、直流力矩电机模型等，建立系统仿真数学模型如图3。

图3 DSP软件流程图Fig.3 DSP software flow pattern

转位机构最终依靠位置环实现旋转精确到位。闭环控制对象是电机，电机通过传动机构带动惯导系统从静止位置开始旋转至目标位置，为保证敏感体转动过程平稳，需经历启动匀加速、匀速运动和匀减速停止过程。假定匀加速、匀减速均为20°/s2，由牛顿公式V=at和S=S0+vt+at2/2可知，在每次命令旋转90°范围内，1 ms控制周期旋转最大偏角0.6°。转位机构需良好跟随控制曲线，在系统仿真模型输入0.6°阶跃信号，仿真结果显示系统调整时间约为0.15 ms，超调为0.8%，动态特性满足设计需求。

4 实物验证情况

主要对转位机构发送转位控制指令(角度、速度)，测试转位机构角度速度反馈跟随控制曲线、指令曲线情况。上位机对转位机构发送转位180°转角和25°/s速度指令，采集角度反馈信息和速度信息，反馈曲线如图4所示。由于通讯协议中速度为整型数据，速度信息精度显示在±1°/s内。

图4 实物测试结果Fig.4 Physical test results

5 结论

通过以上分析和论述，解决了转位机构软硬件设计中存在的难点问题，完成了三自惯组转位机构设计方案，并对该方案进行了试验验证。试验证明该此方案转位机构具有较好的跟随能力、到位精度高、转动平稳性好，满足惯导系统旋转调制需求，是提高三自惯组精度的一个重要方向。