高精度大负载航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统及方法

摘要

一种高精度大负载航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统及方法，包括：DSP控制单元、PWM功率驱动单元、接口电路、信号采集单元、惯性器件及编码器、直流力矩电机。该系统通过信号采集单元获取各框架相对于惯性空间的姿态角和角速率、线圈电流、框架之间的相对转角，并通过接口电路送入到DSP内部寄存器供读取，DSP将其作为信号输入，通过三环路(电流环、速率环及位置环)复合控制算法生成PWM控制量，PWM信号经功率驱动单元送入到H桥直流电机换能电路，驱动直流力矩电机跟随参考指令的变化，从而实现此惯性稳定平台的主动控制。本发明提高了系统控制精度和带载能力，完善了控制算法，提高了平台工作模式的多样性与智能化。

主权项

一种高精度大负载航空遥感三轴惯性稳定平台控制系统，其特征在于包括惯性器件及编码器(10)、信号采集单元(15)、接口电路(20)、DSP控制单元(1)和PWM功率驱动单元(3)，其中：惯性器件及编码器(10)包括：速率陀螺(11)、编码器(12)、加速度计(13)及POS(14)；速率陀螺(11)与陀螺信号采集电路(16)相连，输出电压信号，用于测量框架相对于惯性空间的角速率；编码器(12)与编码器信号采集电路(17)相连，输出差分形式的二进制代码，用于测量框架之间的相对转角；加速度计(13)与加计信号采集电路(18)相连，输出电流信号，用于测量框架相对于地理水平系的转角；POS(14)与POS信号采集电路(19)相连，输出串行二进制代码，用于测量框架相对于惯性空间的姿态角；信号采集单元(15)：包括陀螺信号采集电路(16)、编码器信号采集电路(17)、加计信号采集电路(18)、POS信号采集电路(19)及电流传感器(8)；其中，陀螺信号采集电路(16)用于采集速率陀螺(11)输出的电压信号，首先将电压信号进行放大，再经过V/I转换，输出到接口电路(20)的I/V转换电路III(23)；编码器信号采集电路(17)用于采集编码器(12)输出的二进制差分信号，首先将差分信号转化为单路信号，再经过高速光耦隔离，输出到接口电路(20)的数据选择电路(24)；加计信号采集电路(18)用于采集加速度计(13)输出的电流信号，首先将电流信号进行放大，再经过RC滤波，输出到接口电路(20)的I/V转换电路I(21)；POS信号采集电路(19)将POS(14)输出的串行二进制数据经过高速光耦隔离、TVS浪涌防护输出到接口电路(20)的RS232电平转换电路(26)；电流传感器(8)串联在电机两端，输出正比于线圈电流的电压信号，通过V/I转换(9)化电压为电流信号；接口电路(20)：包括I/V转换电路I(21)、I/V转换电路II(22)、I/V转换电路III(23)、数据选择电路(24)、模数转换电路(25)、RS232电平转换电路(26)及电平转换芯片I(27)；其中，I/V转换电路I(21)将加计信号采集电路(18)输出的加计电流信号转化为电压信号，并叠加偏置电压，输出到模数转换电路(25)，再通过电平转换芯片I(27)连接到DSP控制单元(1)内部的MCBSP寄存器，供DSP读取；I/V转换电路II(22)将V/I转换电路(9)输出的线圈电流信号转化为电压信号，并叠加偏置电压，输出到DSP控制单元(1)的内部ADC寄存器；I/V转换电路III(23)将陀螺信号采集电路(16)输出的陀螺电流信号转化为电压信号，并叠加偏置电压，输出到DSP控制单元(1)的内部ADC寄存器，供DSP读取；数据选择电路(24)根据编码器信号采集电路(17)输出的信号，进行编码器通道的选择及时钟、数据信号的传输，输出到电平转换芯片I(27)；模数转换电路(25)将I/V转换电路I(21)输出的电压信号转化为数字量，输出到电平转换芯片I(27)；RS232电平转换电路(26)将POS信号采集电路(19)输出的232电平信号转化为TTL电平信号，输出到DSP控制单元(1)的内部UART寄存器，供DSP读取；电平转换芯片I(27)将数据选择电路(24)和模数转换电路(25)输出的5V电压转换为3.3V电压，输出到DSP控制单元(1)的内部SPI寄存器；DSP控制单元(1)：通过内部寄存器读取各传感器数据；执行控制算法；生成PWM信号控制电机动作；所述DSP控制单元(1)包括DSP和控制算法；所述控制算法实现自主模式、手动模式与组合模式三种工作模式，所述三个模式由三相开关进行手动选择；在自主模式下，横滚框和俯仰框保持惯性稳定，方位框无控制；控制方式为三环控制，即位置环、速率环、电流环；横滚框和俯仰框的控制如下：首先DSP读取MCB SP寄存器中寄存的实时采集到的加速度计(13)的信息，将其与姿态设定值作差，通过PID控制器生成速率设定值，完成位置闭环； 然后将速率设定值与ADC寄存器中寄存的实时采集到的速率陀螺(11)信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与ADC寄存器中寄存的电流传感器(8)实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元(3)驱动电机动作，无需换向控制；在手动模式下，横滚框和俯仰框在手动按钮控制下以指定速率旋转，方位框无控制；DSP通过监测横滚框和俯仰框的正转和反转四个手动按钮对这两框进行独立控制；控制方式为双环控制，即速率环和电流环；横滚框或俯仰框控制如下：首先DSP将转速率设定值与ADC寄存器中寄存的实时采集到的速率陀螺(11)信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与ADC寄存器中寄存的电流传感器(8)实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元(3)横滚或俯仰驱动电机以指定速率旋转，无需换向控制；在组合模式下，横滚框、俯仰框和方位框依据姿态设定值都保持惯性稳定状态，控制方式为三环控制，即位置环、速率环、电流环；对于横滚框或俯仰框控制分别为：首先DSP读取UART寄存器中寄存的实时采集到的POS(14)横滚或俯仰姿态信息，将其与姿态设定值作差，通过PID控制器生成速率设定值，完成位置闭环；然后将速率设定值与ADC寄存器中寄存的速率陀螺(11)信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与ADC寄存器中寄存的电流传感器(8)实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元(3)驱动横滚电机或俯仰电机动作，无需换向控制；对于方位框，姿态的设定值并不恒定，需要根据航迹进行自主设定，然后再进行三环控制，控制为：首先DSP将定时寄存器寄存的自主设定的方位姿态的设定值与UART寄存器中寄存的POS(14)反馈得到 的方位姿态值作差，通过PID控制器生成速率设定值，完成位置闭环；然后将速率设定值与ADC寄存器中寄存的实时采集的速率陀螺(11)信息进行作差，通过PID控制器生成电流设定值，完成速率闭环；然后将电流设定值与ADC寄存器中寄存的电流传感器(8)实时采集到的电机电流信息作差，通过PID控制器生成PWM控制量，完成电流闭环；PWM信号输出到PWM功率驱动单元(3)驱动方位电机动作，无需换向控制。