惯性稳定平台（精选4篇）
惯性稳定平台 篇1
0 引言
稳定平台系统是航空遥感系统重要组成部分[1], 其主要的作用:隔离载体运动对遥感相机的干扰;实时提供遥感相机的时间、位置和姿态等信息;为遥感相机保持对地垂直及方位保持。而磁悬浮稳定平台则是利用磁悬浮轴承使得方位内框悬浮在稳定平台内, 消除机械接触, 以避免摩擦力矩所产生的随机干扰, 提高了定轴精度[2], 在高精度的航空遥感平台中由广阔的应用前景。本文先介绍了磁悬浮稳定平台的工作原理及组成结构, 在结合磁悬浮稳定平台中方位轴悬浮的特点, 设计了磁悬浮稳定平台方位轴三闭环控制回路和硬件控制系统, 在三框架三轴稳定平台上能够实现了较高的稳定精度。
1 磁悬浮稳定平台工作原理
磁悬浮稳定平台系统主要由惯性稳定平台、磁悬浮轴承、有效载荷、POS (高精度定位定向系统) 、外部解算系统组成。POS平台系统和有效载荷安装在方位轴上, 方位轴和惯性稳定平台的连接是通过磁悬浮轴承无机械接触式连接, 惯性稳定平台通过减震器安装在飞行器上。
磁悬浮稳定平台三轴框架结构:方位框架、俯仰框架、横滚框架。其示意图如图1 所示。有效遥感载荷和POS系统安装在平台的方位框内, 通过磁悬浮轴承与稳定平台的俯仰环连接。俯仰环和横滚环的连接方式则是通过机械轴承连接。稳定平台俯仰环和横滚环作用是抑制飞行载体俯仰和横滚运动对遥感相机产生的干扰, 保持遥感相机光轴与当地地垂线重合。方位内框的作用是抑制飞行载体偏航角运动对遥感相机的干扰, 保持遥感相机对准某一航向。
俯仰环和横滚环是传统的机械轴承连接, 因此在电机驱动设计通过旋转变压器测量平台的旋转角度, FPGA利用角度信息模拟霍尔信号, 产生换向表。在DSP计算控制环路产生PWM实现电机的驱动控制。然而由于方位框架作为磁悬浮轴承的转子, 和轴端无机械接触, 因此在其控制回路的设计和方位轴旋转角度的测量等都需要更加深入的研究。
2 方位轴控制原理
根据磁悬浮无机械接触, 摩擦力矩小, 定轴精度高等特点, 因此电机的控制系统采用三闭环控制回路, 即电流环、速率环和位置环的控制结构。其控制原理图如图2 所示。
电流回路通过电流传感器获取电枢电流信号, 与电流给定值进行动态比较, 以抵消负载转矩作用以及惯量变化所带来的影响[3]。
速率回路通过速率陀螺获取框架运行的角速率, 得到的转速信号作为速率环控制器的负反馈, 与转速参考值进行比较, 产生适当的电流参考值来控制后续闭合的电流环。其主要目的是隔离基座干扰角运动。
位置环是整个伺服系统设计的关键, 主要是利用POS获取遥感相机的姿态信号, 得到的姿态信号作为位置控制器的负反馈, 位置控制器输出的值与陀螺测量值进行复合, 通过电流控制器产生驱动电流, 使力矩电机带动相机框架进行相应补偿运动, 调整相机姿态。其主要目的是驱动平台跟踪参考航向。
3 方位轴控制系统硬件设计
由于方位轴的无接触的特性, 因此为避免有刷电机电刷带来的干扰, 本文选用的是永磁同步无刷直流电机。无刷电机换向表的产生, 采用角度传感器获得位置信息, 通过位置信息模拟电机的霍尔换向表。角位置传感器采用无接触式的光栅尺。而速率、姿态角的测量则是通过安装在方位框内的MEMS陀螺和高精度的POS系统测量, 电流反馈量的测量是通过安装在电机上的电流传感器获取。然后在DSP中进行控制环路的计算, 产生电机控制的PWM波, 经功率放大后与换向表共同控制无刷直流电机。
3.1 FPGA测角系统
磁悬浮稳定平台方位轴的测角装置采用光栅尺位移传感器, 其输出为数字脉冲信号, 具有检测范围大、检测精度高、响应速度快、无物理接触等特点。光栅尺主要是由读数头、主尺和接口组成。主尺安装在方位轴上, 通过摩尔条纹原理测量方位轴端角位移[4]。光栅尺选用英国Renishaw公司的增量式RGH22 系列, 其光栅尺栅距为20μm, 通过数字细分后可以实现数字分辨率达到1μm。
光栅尺一般采用Bi SS-C串行通信协议进行编码。Bi SS协议是为了从编码中器获得位置数据一种快速同步串行通信协议。该通信波特率可以达到10Mbps, 它是由两对差分信号线组成:MA和SLO[5]。MA是主机给从机的时钟信号;SLO是从机到主机传输位置数据, 同步于MA。因此在硬件电路设计时可以采用差分转化芯片Max3290, 转成FPGA可使用的TTL电平信号。图3 为FPGA读取光栅尺的状态转化图。取MA的时钟信号为2MHz, Cnt1 为CLK赋值给MA时开始计数MA上升沿次数;Cnt2 和i的取值相同。此状态转换读取位置量为1位、1 位错误位、1 位警告位和6 位CRC校验位, 数据读取结束后需保持40us的低电平, 才能进行下一次数据的采集。
3.2 驱动系统
方位电机驱动系统设计方案如图4 所示。控制系统以CPLD为核心器件, 接收控制板发来换向信号、PWM和使能信号EN, 发送给电机驱动芯片L298 实现无刷电机的换向和转速的控制。
控制板FPGA通过电流传感器采集电机电枢电流信号、通过MEMS陀螺采集方位轴的旋转角速率信号、通过POS平台系统采集到有效载荷的姿态角信息、通过光栅尺采集方位轴旋转的角度信号根据角度信号。FPGA将采集到的电流、速率、姿态等信息, 通过并口发送给DSP, 通过串口发送给上位机。DSP运算稳定回路的控制运算, 得到控制电机的PWM信号, 实现回路的稳定控制。上位机将采集数据进行直观的显示。
3.3 软件系统开发
方位轴控制系统的软件开发分为FPGA和DSP两部分的进行.FPGA采用的是Xilinx公司的ISE9.1 设计, DSP采用的是TI公司的CCS3.3 进行软件开发。具体的开发流程图如图5 所示。
4 结论
本文首先介绍了三轴磁悬浮稳定平台的系统组成, 然后就磁悬浮无机械接触、摩擦力矩小、定轴精度高等特点, 设计了磁悬浮稳定平台方位轴端的三闭环控制回路, 轴端驱动电机选择永磁同步无刷直流电机, 减少机械电刷带来的干扰, 无刷电机的换向需要位置信号模拟霍尔换向表, 其中位置的测量装置采用无机械接触的光栅尺。最后描述方位轴的控制系统的硬件设计方案。该方案的设计能够满足系统的任务指标。
参考文献
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[5]肖鲲, 王莉娜.基于FPGA的Bi SS协议关电编码器通信模块设计[J].电子测量技术, 2008, 31 (7) :188-191.
惯性稳定平台 篇2
惯性平台结构系统振动特性的实验分析与控制
应用动态测振实验和分析方法,针对某型号平台系统在生产和调试过程中出现的动、静态测试参数不一致的`问题进行了分析.通过对平台结构系统进行振动测试实验,找出了平台结构系统的动态谐振点,结合平台回路系统和控制系统提出了简单有效的控制方法并进行了实验验证.
作 者：王卿 张天孝 王佳民 WANG Qing ZHANG Tian-xiao WANG Jia-min 作者单位：航天时代电子公司第十六研究所,西安,710100刊 名：宇航学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF ASTRONAUTICS年，卷(期)：200728(2)分类号：V214.3关键词：惯性平台 结构系统 振动实验 振动控制
惯性平台防倒台保护电路设计 篇3
关键词：倒台保护,开关门计数,82C54
惯性平台是运载火箭等航天飞行器制导与控制系统中的核心部件。其作用是为飞行器建立方位和姿态基准,同时测量飞行器相对惯性空间运动的角度、角速度、速度和加速度。惯性仪器的可靠性直接关系飞行器的可靠性。
惯性平台是提供空间惯性坐标系基准,是通过平台稳定回路实现的。其由3条稳定回路组成平台稳定系统,系统原理如图1所示。以平台X轴为例,X轴受干扰力矩时,台体偏离X轴惯性基准。此时X陀螺敏感台体偏离角度,输出电信号,经前置放大器、变换放大器等电子线路,传递为直流信号输入到X轴平台力矩电机。力矩电机产生电磁力矩,抵消干扰力矩,使台体稳定在惯性空间。
外部环境过载或稳定回路的某一环节发生故障,都可使系统不稳定发散或开环,引起环架(常平架)伺服电机单向驱动的现象,当事故发生时,对有限姿态角惯性平台来说,平台环架会从原来(惯性空间)稳定位置向某一边快速转动倒下,直至碰到另一个环架的止挡销为止。对全姿态惯性平台来说,平台环架会从原来(惯性空间)稳定位置向某一边快速转动倒下,如果不及时切断系统电源,平台环架会连续不断地转下去。由于惯性平台上环架和陀螺具有的交耦性,在大速率情况下,一个环架伺服回路的快速倒环,会引起其它各环架伺服回路的同时倒环,这就是平台的倒台。它的结果,不但造成惯性平台上的陀螺、加速度计等仪表的损坏,而且会造成平台内部连接导线的损坏,是一种致命性的故障。
平台倒台在试验中也是不可避免的事件,除了平台力矩马达线圈开路或是其供电电源开路外,在平台伺服回路中任意点发生故障时,均会导致平台的倒台。为了避免倒台带来的损失,人们正在设法防止或减少倒台的发生,设计硬件防倒台保护电路无疑是一种可靠、有效的平台保护手段。
1 保护原理
平台姿态角测量系统通常是由粗、精双通道组成的测角系统。粗通道完成>1°的角度测量,精通道对1°以内的角度进行精测,测量精度可以达到角秒级,绝对角度由粗测值和精测值经适当组合得到,也就是粗、精耦合。设计平台防倒台保护电路,需实时测量平台姿态角。因为平台发生倒台时,平台的角速度较高,因此只需实时测量、计算粗通道的姿态角测量值即可。
某型平台粗通道测角系统由一对极旋转变压器组成。采用转子单相激磁,定子两相输出,如图2所示。当特定频率的正弦电压UC加在转子绕组C上时,在定子绕组A、B分别产生感应电势EA和EB。在负载阻抗足够大时,可以认为绕组A、B的端电压UA和UB分别等于感应电势EA、EB,即UA=EA,UB=EB。于是有
UC=UM·sinω1t
UA=UAM·sinθ·sin(ω1t+ΦA)
UB=UBM·cosθ·sin(ω1t+ΦB) (1)
式中,UM为UC的幅值;UAM为UA的幅值;UAM=KA·UM,UBM为UB的幅值;UBM=KB·UM;KA,KB为A、B两绕组的电压传输系数;θ为定子、转子绕组间相对机械角;ΦA、ΦB为A、B两相电压的初相角;ω1为2πf1,f1为激磁电源频率。
设旋转变压器为理想的,则有KA=KB=Ke1,于是
UA=Ke1UMsinθ sinω1tUB
UB=Ke1UMcosθ sinω1t (2)
则UA和UB是两个幅值随转角θ做正弦和余弦变化的正弦波电压。UA和UB经幅相变换电路、鉴零电路后以及输出电路,最后输出为开关门脉冲信号。姿态角的大小是通过平台姿态角测量系统粗通道发出的开关门信号的时间间隔来判断的。保护电路需根据3个姿态角粗通道开关门信号的间隔,计算出角度和角速度,当角速度超过设定值时,则切断平台回路电源,使平台不飞转,保护平台仪表。
2 硬件设计
平台防倒台保护电路主要由角度测量电路和控制电路两部分组成。
2.1 角度测量电路
平台输出的开关门信号测量采用专用定时/计数芯片82C54进行测量。选用的Intersil公司的82C54是标准TTL电平的逻辑器件,当逻辑电平>2.2 V时认为是1,当逻辑电平<0.8 V时认为是0。
这里以X通道的姿态角测量电路为例进行说明(如图3所示)。平台送出的X轴姿态角信号包括粗通道的两路开关门信号以及精通道的两路开关门信号。开门脉冲到来后,逻辑电路使82C54计数器的GATE端变为高电平,使82C54计数器开始计数,关门脉冲到来后,逻辑电路使82C54计数GATE端变为低电平,使82C54计数器停止计数,完成计数后CPU便可读取粗精通道的计数值,经过计算以及粗精通道的耦合即可精确也计算出姿态角的大小,进一步计算出角速度。根据平台倒台的判断依据(角速度通常达到较大角速度),平台保护电路只需测量粗通道的姿态角即可。
开关门计数需要解决的主要问题是如何使两路开关门脉冲信号控制82C54的GATE端,实现开门脉冲到来时82C54开始计数,关门脉冲到来时82C54停止计数。这里通过门电路实现,如图4所示。开关门信号经异或门后,再与开门信号相与,最后就得到即能反映角度大小又满足控制82C54的GATE端信号,如图5所示。
根据平台姿态角激磁频率和填充脉冲的频率,一个16位的计数器即可满足一路姿态角的计数。82C54具有3个独立的16位计数通道,因此本保护电路只需1片82C54即可。计数方式采用方式4,软件触发选通 Soft Triggered Strobe;这种计数方式由软件装入计数初值,在计数过程中如果GATE门变为低电平,则停止计数,直到GATE恢复时,重新从初值开始减计数。
2.2 控制电路
以MCU为核心控制电路需在检测到GATE门变为低电平后立即读取计数值,并计算出角度值和角速度值。这里采用宏晶科技的STC11F08XE单片机。STC11F08XE单片机是单时钟/机器周期单片机,平均执行速度比传统8051单片机快8～12倍,这样在保证执行速度的前提下,可以选择较低的晶振频率,减小对系统的干扰。此外STC11F08XE单片机还具有3个可编程时钟输出脚(CLKOUT0/P3.4,CLKOUT1/P3.5,CLKOUT2/P1.1),并且最大输出频率为单片机时钟频率的1/2。在这里,使用P1.1脚作为82C54 3个通道的填充脉冲源。当单片机判断平台出现倒台时,立即控制继电器切断平台回路的电源使平台不飞转。
3 软件设计
电路的保护功能是由单片机STC11F08XE根据内部程序设计来实现。
防倒台保护板的软件要实现的功能有:(1)对计数芯片82C54的控制。(2)读取计数值,在82C54完成计数后实时读取计数值。(3)判断是否超差,根据计数值判断是否超差。(4)断开继电器,在计数值超差的情况下,及时发出断开继电器的指令。包括:1)单片机初始化模块。2)82C54初始化模块。3)计算、判断、执行模块。
(1)单片机初始化模块。
单片机初始化模块在单片机上电复位后,首先要保证在完成对单片机内部寄存器的配置及完成82C54的初始化之前,控制平台伺服回路供电的继电器处于断开状态,然后对单片机的各内部寄存器进行配置,并在P1.1口产生82C54所需特定频率的脉冲信号。
(2)82C54初始化模块。
在单片机完成初始化后,程序将对82C54 3个计数通道进行初始化,完成3个通道的寄存器的配置。写入控制字使计数方式为方式4,装入计数初值。
(3)计算、判断、执行模块。
计算、判断、执行模块检测到某个通道停止计数后,将立即读取该通道的计数值,并与预设的超差数据比较,做出角速度值是否超差的判断。为防止误判,在检测到角速度值超差后,单片机将连续6次读取此通道的计数值,如果仍判断为超差则认为平台出现倒台,将立即断开继电器、发出报警声并将此时的状态存入单片机内部的EEROM。
4 结束语
文中为某型号平台的测试系统设计了硬件防倒台保护电路板。目前保护电路板已调试完毕,并已在例试台上进行了实验。实验结果表明,保护板在平台出现倒台时能够及时地切断平台伺服回路的电源、有效地防止倒台对平台的损害。
参考文献
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[4]郑力,卢刚,李声晋.基于AD2S80A的双路RDC测角系统及接口设计[J].微特电机,2009,37(8):12-14.
惯性稳定平台 篇4
数学软件Matlab有强大的数据处理和数据可视化能力, 被应用于实验室仿真和静态数据处理。笔者在Matlab串口对象和图形用户界面 (GUI) 的基础上, 设计实时惯性传感器数据采集平台, 该平台通过PC机串口获取以微处理器为核心的下位机采集的MEMS惯性传感器数据, 完成数据的实时可视化和储存。为信号处理算法的设计和验证提供了便利。
1 数据传输接口设计
1.1 Matlab串口对象
Matlab的仪器控制工具箱 (Instrument Control Toolbox, ICT) 集成了串口类, 支持主流的串口通信标准。通过调用serial函数创建串口对象并设定串口参数, 该函数返回串口对象句柄, 通过操作句柄, 可以查看或修改对象的大部分属性[3], 包括波特率, 数据位等属性。本平台在初始化时先建立一个参数默认的串口对象并分配相应属性:
Matlab为串口对象设计了事件机制, 以上属性中Bytes Available Fcn Mode、Bytes Available Fcn Coun、Bytes Available Fcn是使用串口对象的Bytesavilable事件时需要设置的属性, 它们分别配置了事件的触发类型、触发条件、回调函数, 这样, 在串口输入缓冲区字节数达到一定字节时, 将执行回调函数执行读取数据和其他相应操作, 达到实时通信的目的。同时, 用户可在图形界面上对属性进行修改以匹配下位机系统。
1.2 Modbus协议简介
Matlab数据处理平台利用PC主机上RS-232 标准定义的硬件接口与下位机进行通信, 然而以异步方的式通信并不能保证传输数据的可靠性, 因此, 本文在数据传输接口的设计上借鉴了Modbus-RTU应用协议。Modbus协议以高效、可靠的特性, 已经成为工业自动化领域广泛使用的事实工业标准[4], 其数据帧格式定义如图1 所示。
图中, PDU是与基础通信层无关的简单协议数据单元, ADU是在PDU的基础上引入了附加字段的应用数据单元, 它包含了用于器件寻址的附加地址段和进行差错校验的校验和段。Modbus应用数据单元由启动事务处理的客户机创建, 功能码向服务器请示执行哪种操作, 数据是可选的, 服务器通过功能码判断客户机操作类型并做出响应, 如图2 所示。
图2 描述了通信无差错的情况下客户机和服务器的行为, 如果服务器接收到的数据不符合Modbus数据帧的规范, 将返回异常功能码和异常码。这样, 通过Modbus协议, 数据收发双方就建立起简单而可靠的通信。
1.3 本平台通信协议设计
Modbus支持多主机通信和完成不同操作的功能码, 而本文设计的平台并不对这些特性有要求, 因此, 在Modbus协议基础上进行相应简化来实现通信协议的设计。图3 为本平台采用的数据帧格式。
图中, 请求帧由下位机发出, 头为2 字节的16进制数0x55 和0xaa, 数据字节的长度根据所选用的传感器不同而不同, 校验只针对数据字节进行。Matlab上位机系统在接受到数据并校验后向下位机返回应答数据帧。在这里应答数据帧只有接收成功或失败两种情况, 分别对应差错功能码0x00 和0x01, 差错码也有两种状态0x00 和0x01, 分别对应数据错误和通信超时。Matlab平台的数据帧同步编程采用有限状态机 (FSM) 思想, 具体实现遵循以下原则:
1) 状态初始化:声明枚举变量储存状态信息并将其初始化为初始状态;
2) 触发条件:在串口缓冲区非空时, 状态机应处于运行状态, 确保每个字节都得到同步;
3) 动作和状态迁移:利用选择语句, 判断当前状态并执行相应动作, 并更新状态。
4) 为了确定惯性数据采集单元处于在线状态, 在状态机中还加入了定时器, 定时长度应大于采样频率下位机每次完成数据采集后应该实时将数据发送给Matlab数据采集平台, 如果平台在定时长度到达后任未收到数据, 则判定采集单元不在线, 将错误状态交给主程序处理。
由以上原则, 得到如图4 所示状态转换图, 形成一个帧同步的闭环。当出现数据错误时, Matlab数据采集平台会通过主控制台界面显示错误信息并向下位机发送差错应答。
1.4 本平台通信协议实现
CRC校验选用CRC16/IBM标准的生成多项式, 通过查表法[5]来实现, 相较于传统的通过多次移位和异或计算余式的算法, 查表法牺牲了一定的运行内存 (512bytes) , 但运算速度得到提高。帧同步包含大量选择和循环语句, 由于C语言在运行前先编译, 对选择和循环语句的执行效率远高于Matlab的脚本式语言。出于效率的考虑, 本平台选择了Matlab和C语言混合编程的方式[6], 其实现方式如下:
1) 用C语言编写有限状态机和CRC校验代码;
2) 将编写好的C语言函数嵌入Matlab提供给C语言的接口函数mex Fuction () 中;
3) 在Matlab命令行中输入mex-setup选择编译器, 再用mex-g***.c命令编译以mex Fuction () 函数为入口的C语言源文件, 编译成功后将生成***.mexw64格式的可执行文件;
4) 在Matlab脚本中调用***函数。
Matlab与C语言混合编程的关键在于mex Fuction () 接口函数, 其接受四个形式参数, 它们分别是输入参数数目、输出参数个数 (这两个形式参数为整形) 和指向输出参数的指针、指向输入参数的指针 (这两个参数为指向Matlab的自定义参数类型mx Array的指针, 这个类型定义于mex.h头文件) 。mex Fuction () 接口函数的功能与C语言中的main () 函数类似, 为C程序提供执行的入口, 同时, 它还起到类型转换的功能, 将C语言的数据类型与Matlab可操作的数据类型进行相互转换。
2 Matlab GUI设计
2.1 界面设计
本平台的GUI设计如图5 所示。
它的设计主要分为通信端口选择、数据存储设置、算法调用、实时数据表和实时数据图示五部分。前三个部分用到了下拉选框、可编辑文本框和复选框等控件, 设计思路是在点击按钮的事件处理函数中获取控件的值, 以这些值为参数作为相应的函数的输入从而完成对应的功能。
GUI设计的难点在于实时数据表和实时数据图示两个部分, 前者选用了整合性比较强的uitable控件 (图5 左侧的第二个控件) , 这个控件可以容纳字符串, 数值和布尔型等多种数据类型。本设计通过在GUI程序中不断读取, 修改, 写入的方式对uitable的值进行更新, 使实时获取的惯性数值信号能显示在该控件中, 同时通过判断uitable中的布尔类型变量来确定惯性信号是否需要显示在实时数据图示中。实时数据图示用到axes控件, 它主要用来显示惯性信号的变化趋势, 由于最多可以绘制6 条曲线, 大量的占用了GUI的运行时间, 如果每次获取到新数据后就对数据图示进行更新会造成GUI中其他控件被锁死的情况, 所以本设计选择在每收到3 个数据后对axes控件更新一次。
2.2 数据保存
Matlab每次接收到传感器数据后, 通过向矩阵中插入新数据的方式先将数据储存在计算机内存中, 代码如下:
data_ori = [data_ori [accel;gyro]];
Data_ori是用来储存数据的矩阵, [accel;gyro]是保存最新一次获得的数据的矩阵。这样, 所有的采样值都储存在一个矩阵中。当使用者通过实时数据的显示观察到符合自己需求的数据样本时, 可以记录下采样点, 通过设置图5 左下角的控件进行设置, 就可以从矩阵中截取所需数据存入一个.txt文档中。
具体实现代码如下:
代码中n、m、str都是从可编辑文本框控件中读取的数据。
3 实验与总结
笔者采用了微控制器STM32F103 作为下位机读取MEMS惯性传感器MPU6050 数据, 用到了I2C和USART片上外设, 整个系统运行状态如图5 所示。使用者在下位机能获得惯性传感器数据的前提下, 按照本文所述的数据帧结构完成数据封装和发送部分的编程, 就能使用该数据采集平台。同时实验也证明了该系统在实时采集MEMS惯性传感器信号的可行性, 利用Matlab作为采集平台也为惯性数据处理算法的研究提供了便利。
摘要：为更加方便地对以微机电 (MEMS) 惯性传感器为核心仪表的惯性系统进行研究, 利用MATLAB串口对象和图形用户界面 (GUI) 搭建了数据采集平台。实验证明该平台为惯性系统的数据采集提供了极大的便利。
关键词：微机电惯性传感器,MATLAB,串口通信,数据处理
参考文献
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