[發明專利]一種三軸穩定平臺、全數字控制系統及方法

有效

• 申請號: 201710814169.4
• 申請日: 2017-09-11
• 公開（公告）號: CN107796392B
• 公開（公告）日: 2020-04-10
• 發明（設計）人: 彭荻;閆光亞;趙友;楊曉鶯;趙啟坤
• 申請（專利權）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號: G01C21/18
• 分類號: G01C21/18;G01C25/00
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 張曉飛

技術領域

本發明涉及一種平臺式慣性導航設備的穩定控制系統，特別應用于對系統體積有嚴格限制的慣性導航設備，屬于慣性導航領域。

背景技術

新一代戰略武器對慣性導航設備的體積、可靠性和實戰化能力的要求越來越高。平臺穩定系統作為實現慣性平臺各項功能和指標要求的重要組成部分，其方案的合理性、技術的先進性、功能實現的靈活性以及設計的可靠性，都對慣性平臺系統整體性能起著至關重要的作用。國內針對戰略武器系統使用的高精度慣性平臺仍然以高精度機械儀表為核心，例如液浮陀螺、氣浮陀螺、靜壓液浮陀螺、高精度三浮陀螺。但是機械式陀螺儀技術復雜，加工難度高，壽命較短，不具備長時間熱待機工作。

“長壽命、小體積、高可靠、全姿態、使用便利”要求平臺電氣系統應減小規模、增強功能。國內現有戰略武器平臺穩定系統采用旋轉變壓器+姿態角變換電路(簡稱RDC電路)作為姿態角敏感元件、采用有刷電機作為執行元件，這些儀表采用電壓信號進行傳輸，電壓信號在電纜上傳輸存在壓降，測量精度較低，并且電刷的存在降低了有刷電機的使用壽命。同時，大部分平臺穩定系統主要采用模擬控制器方案，要實現越來越多、越來越復雜的功能，其電路規模勢必龐大，較難滿足新型武器型號的高標準要求。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供一種三軸穩定平臺、全數字控制系統及方法，引入了光纖陀螺誤差補償方法和積分延時控制策略，提高了穩定控制精度。

本發明的技術方案是：一種基于光纖陀螺和無刷力矩電機的三軸穩定平臺，采用平臺臺體+三軸兩框架結構設計，包括平臺臺體、臺體軸承、臺體軸光電編碼器、臺體軸無刷力矩電機、內環框架、內環軸承、內環軸光電編碼器、內環軸無刷力矩電機、外環框架、外環軸承、外環軸光電編碼器、外環軸無刷力矩電機；平臺臺體通過臺體軸承安裝在內環框架上，內環框架通過內環軸承安裝在外環框架上，外環框架通過外環軸承安裝于系統箱體上；臺體軸承、內環軸承、外環軸承三軸安裝方向相互正交，構成右手直角坐標系；三軸的正向軸承一端均安裝用于測量姿態角的光電編碼器，三軸的負向軸承一端均安裝用于驅動框架轉動的無刷力矩電機。

所述平臺臺體包括臺體光纖陀螺、內環光纖陀螺、外環光纖陀螺以及三個光纖陀螺共用的一個光源和一套光纖陀螺電路板；臺體光纖陀螺安裝方向與臺體軸正向重合，內環光纖陀螺安裝方向與內環軸正向重合，外環光纖陀螺安裝方向與外環軸正向重合，即三個陀螺儀的敏感軸方向與各框架軸重合；光纖陀螺用于測量相對于光纖陀螺敏感軸的角速度。

包括三軸穩定平臺和平臺電路組件；三軸穩定平臺和平臺電路之間對外數據通信電路統一為高速串行接口；三軸穩定平臺完成慣性數據采集，平臺電路組件為整個平臺提供電源以及實現平臺慣性數據預處理、導航解算和穩定控制。

所述平臺電路組件包括主控電路板和平臺系統集成電源；其中平臺系統集成電源用于供電；主控電路板包括穩定回路計算機、主控計算機和FPGA；穩定回路計算機和主控計算機分別通過獨立的并行數據總線與FPGA相連，FPGA實現外設管理、串行總線通訊和對外接口控制，穩定回路計算機實現平臺系統穩定控制計算，主控計算機用于控制平臺本體慣性數據采集和平臺系統導航解算。

一種基于光纖陀螺和無刷力矩電機的三軸穩定平臺全數字控制方法，步驟如下：

1)以1kHz同步信號下降沿為一個控制周期起始時刻，光纖陀螺電路板鎖存3路光纖陀螺數據，并向主控電路板打包發出；

2)3路光電編碼器也在1kHz同步信號下降沿鎖存姿態角數據，主控電路板分時發送數據請求指令，被點名的光電編碼器響應指令后，向主控電路板發出數據；

3)3路無刷力矩電機監聽光電編碼器數據，根據光電編碼器數據中的數據幀頭辨識臺體、內環、外環的姿態角數據；

4)主控電路板FPGA接收到光纖陀螺數據或光電編碼器數據后，置相應的數據有效標志，穩定回路計算機查詢讀取；

5)穩定回路計算機對讀取3路光纖陀螺數據進行誤差補償，并采用信號分解器將補償后的光纖陀螺輸出分解到慣性坐標系；

6)穩定回路計算機中控制器采用積分延時策略，分別計算臺體、內環、外環三條回路轉矩電流，并在下一個同步時鐘下降沿到來之前分時向3路無刷力矩電機發送電機轉矩電流指令；

7)無刷力矩電機對接收的轉矩電流，采用矢量控制策略，生成力矩電機三相繞組電流，使無刷力矩電機產生力矩，抵消臺體軸、內環軸、外環軸三個支承軸上的干擾力矩。