0 引言

　　陀螺穩定平臺作為穩定視軸或瞄準線的主要手段[1]，一直是國內外科研機構的主要研究對象。陀螺穩定平臺主要作用是消除平臺受到的干擾，使平臺能夠按照既定的方向運動或者在慣性空間中保持穩定，保證平臺負載能夠精確、穩定地跟蹤目標[2]。

　　穩定平臺控制系統實現數字化，能克服以模擬電路實現為主的控制系統中體積大、成本高、故障頻繁、很難將控制精度提高到1%以上的級別、漂移誤差影響等缺陷。鑒于國內大部分穩定控制系統的控制芯片為定點型芯片，其浮點運算能力有限，參考文獻[3]設計伺服跟蹤控制器以定點DSP芯片為核心、FPGA為輔助處理器的控制結構。而本設計以浮點型DSP芯片為主控芯片，提高數據處理速度和計算精度，使實現電流環、速度環、位置環多閉環復合控制成為可能。

1 穩定平臺系統結構及原理

　　穩定平臺結構設計常采用雙軸或三軸框架式結構，不同方向軸結構類似，均由負載、執行器、測量元件、功率放大器組成。為滿足各項技術指標，實現高的穩定和跟蹤精度，不僅需要精心設計機械結構和合理選擇各類元器件，而且需要設計可靠的控制方案。本設計采用電流環、速度環、位置環組合的多閉環復合控制方案。

　　穩定平臺裝置控制框圖如圖1所示，穩定平臺裝置控制分為兩種模式：系統靜止狀態下的伺服控制和系統運動狀態下的穩定控制。其中載體靜止時系統工作于伺服控制模式，系統的作用是使穩定平臺轉角相對基座保持固定不變或跟隨指令信號進行跟蹤運動，采用旋轉變壓器作為角度反饋器件；載體運動時系統工作于穩定控制模式，控制系統主要功能是隔離載體運動及平臺受到的各種擾動信號，保持平臺相對于慣性空間穩定，以保證光電裝置可以獲得穩定的視場，采用陀螺儀作為平臺速度反饋器件。

2 控制系統硬件設計實現

　　該穩定平臺控制系統分為方位軸和俯仰軸兩個自由度的運動控制，控制系統在這兩個方向上硬件結構基本一致，方位控制板硬件結構示意圖如圖2所示，主要可以分為信號采集、電機驅動和信息交互三部分。

　　穩定平臺系統的控制過程：采樣電阻采集力矩電機電流大小傳送給DSP主控制器，同時陀螺敏感到平臺在慣性空間的角速度信號，經過A/D轉換后變為數字信號傳送給DSP主控制器，并且旋轉變壓器感應到的平臺位置信號經過軸角粗精通道編碼后，也傳送到DSP主控制器，在DSP主控制器中經過信號處理和多閉環組合控制算法處理后，產生控制力矩電機的信號，以抵消擾動力矩使平臺穩定并跟蹤目標。

　　2.1 檢測元件的選擇

　　2.1.1 角度測量元件選擇

　　由于系統使用環境存在大沖擊等惡劣因素，電機角度采樣裝置除了需要能精確地反映電機真實的轉角外，還需要有較強的抗沖擊和抗誤差能力。旋轉變壓器是在測角系統中廣泛采用的一種高精度角度傳感器，其精度高，動態性能好，抗干擾能力強，尤其適用于高溫、嚴寒、潮濕、高速、振動等環境惡劣、旋轉編碼器無法正常工作的場合。由于粗機測量范圍大但精度低，精機測量范圍小但精度高，在測量電機角度時一般都采用粗精組合的方式獲取準確角度。本系統設計根據要求可以將粗精通道數據組合成測量范圍為180°的16位整型數據，即測量精度可達到0.047 9 mrad。

　　2.1.2 速度敏感元件選擇

　　動力調諧陀螺儀與常用的輸出位置信號的液浮陀螺不同，該陀螺輸出的是速率信號。光纖陀螺輸出為速率信號，但其對供電電源要求很苛刻，而且信號輸出范圍大，頻率高，易受干擾[4]。經過調研，動力調諧陀螺儀是目前國內同等體積下精度較高的一款陀螺儀。動力調諧陀螺儀是一種雙自由度陀螺儀，它利用可以準確補償摩擦力矩的撓性支承懸掛陀螺轉子，消除了摩擦干擾力矩，結構簡單，性能可靠。

　　2.2 電流反饋模塊分析與設計

　　電流環控制電機電樞電流同時使電樞電流嚴格跟蹤控制電壓指令的變化，從而準確控制電機輸出力矩[5]。電流環作為控制系統內環提高系統響應速度和精度，實際系統中還可以提高系統靜態力矩剛度。在實際系統中PWM電壓輸出與電機電流輸出并非線性關系，其比值在低電流段較大，隨著電流增加而減小，故增加電流環可以提高控制輸出與電機輸出力矩線性度，優化系統控制特性。同時電流環能夠削弱電機在低速運行時出現的“爬行”現象和換向時的“平頂”情況。電流采樣的硬件電路如圖3所示，通過電阻采樣、電壓信號差分放大、低通濾波、A/D采樣實現，低通濾波采用二階Butterworth濾波電路。A/D采樣采用快速、低功耗的14位A/D轉換芯片AD7899。

　　2.3 電機驅動模塊

　　電機功率驅動模塊由專門的24 V電源供電，由于電機驅動工作于高頻、大電流狀態，對控制電路容易產生信號干擾，需將控制信號與電機驅動信號可靠隔離，防止高頻干擾。DSP控制芯片輸出的兩路PWM驅動信號經過光耦HCPL2601隔離后送至集成驅動器MC33486用以驅動電機，MC33486的控制信號以及反饋信號也通過光耦進行隔離。由7805構成的電壓轉換電路給光耦位于電機側信號提供單獨的+5 V電源。

3 陀螺信號處理

　　3.1 調零調漂補償電路

　　本系統所選陀螺儀的標度因數為8.5 V/℃，對應10 采樣電阻的標度因數就為65.3 mV/°/s，但陀螺儀在檢測速度為零時輸出存在零位偏差。除元器件本身隨著溫度、時間會產生信號漂移以外，由于地球自轉，當陀螺指向不同時，其自身輸出信號漂移量也有所變化，由此設計調零調漂補償電路，補償陀螺信號零位偏差和漂移影響。其電路圖如圖4所示，調零補償電路與調漂補差電路相同，故圖中省略調漂補償電路。該系統使用兩個不同電阻值分辨率的旋鈕式滑動變阻器實現0~5 V電壓的粗、精補償。利用穩壓芯片BS0505S-2W隔離系統電壓波動對輸出補償信號的影響。陀螺速率信號的漂移補償和零偏補償電路使用多路開關來分時選通，并經過同一個A/D轉換器轉換為數字量進行補償。

　　3.2 信號調理電路

　　為了提取有用的信號，保證穩定環路的輸出精度，必須對陀螺輸出信號進行濾波預處理[6]。處理電路如圖5所示，利用差分放大電路抑制共模信號的特性進行減噪處理。運算放大器INA117的偏置電壓為25 ?滋V且其溫漂典型值只有8.5 V/℃，該溫漂值與常用的運算放大器相比并不小，但是此處主要是利用其搭建差分放大電路來抑制共模信號，而且其內部集成典型放大電路，可以省去外接電阻，簡化電路。由于陀螺受隨機干擾力矩及不確定因素影響，輸出信號含有很多高頻干擾信號，常用的無源RC低通濾波器能夠達到一定的濾波效果。本系統所要求的陀螺儀帶寬需要≥60 Hz，并不是無限寬的，為了避免高頻振動時低通濾波器造成陀螺信號失真同時兼顧對陀螺信號的濾波效果，需要合理地選取電阻值和電容值。為了隔離前后級間的影響，運算放大電路中一般都接一個電壓跟隨器，這里選用OP177運算放大器來構成電壓跟隨器，相比較常用的LM158，其最大的優點是溫漂非常小，典型值只有0.1 V/℃。對于具有陀螺隨機漂移信號的系統，選用低溫漂的器件是必要的。

　　3.3 數字濾波處理

　　經過信號調理電路、A/D轉換后的陀螺采樣信號波動范圍仍達到±3 mV，利用此信號作為陀螺反饋信號控制力矩電機，系統隔離精度達不到設計要求。滑動平均濾波器計算時所需的內存空間少，運算時間短。它實質上是一個低通濾波器，在平滑信號、濾除高頻分量方面有顯著的作用。

　　滑動平均濾波的原理：將長度固定為M的連續采樣數據隊列，在每次新的測量之后，去掉隊列的第一個數據，剩下的M-1個數據依次向前移動，在隊尾插入新的采樣數據，然后對此隊列作算數運算，其結果記為本次測量結果。M項滑動平均濾波器的表達式為：

　　該系統中對陀螺信號的采樣時間間隔為100 s，即采樣頻率fs=10 kHz。陀螺儀的帶寬為≥60 Hz。取M=100，每次用100個最新的采樣數據對其求算數平均。得到的結果如圖6所示。

4 控制系統軟件設計實現

　　4.1 主程序設計

　　系統中用到了DSP芯片的多個模塊，在系統正常工作前需對其進行初始化。首先關閉所有中斷，對系統初始化，然后對用到的模塊進行初始化，再設置中斷向量表，完成這些工作后打開中斷，等待中斷。中斷程序是用來處理信號采集、控制算法計算等工作。

　　4.2 中斷程序設計

　　整個系統的運行主要依賴于中斷程序的運行，中斷程序的設計直接關系到系統的信號采集、算法計算以及控制執行。因此，中斷程序的設計是整個軟件設計的核心。

　　由于電流采樣信號和陀螺信號的精度對系統影響非常重要，因此對于電流采樣和陀螺信號的采集頻率要求很高。這就要求定時中斷的間隔時間盡可能短。又由于信號采樣、信號處理、控制計算都要在中斷程序內完成，在中斷的間隔時間內必須保證能完成這些工作。因此在綜合考慮了這兩個因素后，將定時中斷的時間定為100 s。

　　電流采樣和陀螺采樣需要在每次中斷執行中都完成一次，而旋轉變壓器的采樣則不用這么頻繁，控制算法的執行頻率也不用這么高。因此在定時中斷程序內定義一個計數器CNT，將中斷任務分為7次一組，CNT在不同的值時對應不同的任務。具體安排如表1所示。

5 系統性能測試

　　當系統處于靜止狀態下的伺服控制時，跟蹤指令使光電裝置在水平方向上0°跟蹤到22.5°，跟蹤曲線如圖7所示，跟蹤過程運動平穩，且最后穩定在22.5°位置，穩定誤差在±0.047 9 mrad范圍內。當系統處于運動狀態下穩定控制時，如圖8所示，在7.2 s處給系統基座水平方向加入最大幅值約為3°/s的擾動，系統能夠很好地隔離擾動速度的影響，保持位于俯仰環的視軸穩定。在沒有給定操縱速度時，基座在水平方向擾動下，光電裝置水平方向保持在±0.25 mrad范圍內，垂直方向保持在±0.05 mrad范圍內。擾動速度撤去后能夠迅速回到零位且保持穩定狀態，總體穩定性良好，能有效隔離載體擾動。

　　6 結論

　　本文介紹了一種高精度數字穩定平臺控制系統的設計與實現。電流環設計在伺服控制系統設計中比較常見，而且實現方法多種多樣，本文基于采樣電阻的電流采樣方法簡單易實現，使系統穩定度和控制精度有明顯提高。采集的陀螺信號經過調零調漂補償電路、低通濾波電路及數字濾波處理，能夠準確反映陀螺角速率變化，使力矩電機能夠有效抵消擾動力矩。實驗測試結果表明，此穩定平臺系統能夠精確、穩定地跟蹤目標并能有效地隔離載體擾動。

　　參考文獻

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　　[2] Zhang Hua，Ke Xizheng，Jiao Rong.Experimental research on feedback Kalman model of MEMS gyroscope[C].The 8thInternational Conference on Electronic Measurement and Instruments，2007(1)：253-256.

　　[3] 代根學，劉朝暉，劉軍.基于DSP與FPGA的跟蹤伺服運動控制器設計[J].電子技術應用，2010，36(1)：64-70.

　　[4] 米月星，林輝.光纖陀螺在穩定平臺伺服系統中的應用[J].電子技術應用，2012，38(9)：58-60.

　　[5] 龐新良.機載光電穩定平臺數字控制關鍵技術研究[D].湖南：國防科學技術大學，2007.

　　[6] 楊蒲，李奇.三軸陀螺穩定平臺控制系統設計與實現[J].中國慣性技術學報，2007，15(2)：171-176.

　　[7] 王德江，張濤.陀螺去噪算法對航空相機像移補償系統的影響[J].紅外與激光工程，2010，39(5)：967-971，978.