于 浩，吳國(guó)強(qiáng)，高 峰，譚秋玥

(1.天津航海儀器研究所，天津 300131;2.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401)

雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖慣導(dǎo)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)隔離控制實(shí)現(xiàn)

于 浩1，吳國(guó)強(qiáng)1，高 峰1，譚秋玥2

(1.天津航海儀器研究所，天津 300131;2.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401)

框架旋轉(zhuǎn)控制的穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性是捷聯(lián)式雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)揮精度潛力的重要保障條件。針對(duì)這一需求，搭建了雙軸旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)，選用了直流力矩電機(jī)結(jié)合旋轉(zhuǎn)變壓器的硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于DSP的高速控制線路板作為控制器，完成了信號(hào)流程的構(gòu)建，并設(shè)計(jì)相應(yīng)PI控制算法，實(shí)現(xiàn)了光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)隔離載體運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)控制功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，IMU姿態(tài)隔離效率達(dá)99%以上，框架旋轉(zhuǎn)控制性能良好，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)隔離載體運(yùn)動(dòng)的需求。

雙軸旋轉(zhuǎn)；DSP；PI控制；隔離載體運(yùn)動(dòng)

0 引言

慣導(dǎo)系統(tǒng)先后經(jīng)歷了從平臺(tái)式到捷聯(lián)式的發(fā)展過(guò)程,自光學(xué)陀螺出現(xiàn)后，基于其不敏感重力加速度、抗沖擊力強(qiáng)、成本低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，出現(xiàn)了一類(lèi)新型慣導(dǎo)系統(tǒng)——旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣導(dǎo)系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣導(dǎo)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)并沒(méi)有提高光學(xué)陀螺本身的精度，陀螺漂移依然存在，只是在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)抵消慣性元件常值漂移引發(fā)的導(dǎo)航誤差，提高定位精度，以滿(mǎn)足船用長(zhǎng)航時(shí)、高精度導(dǎo)航的定位要求。

隔離載體角運(yùn)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航的必要條件，既隔離載體的角運(yùn)動(dòng)，又能使之按照給定指令運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)慣性元件誤差的自動(dòng)補(bǔ)償，兩種運(yùn)動(dòng)疊加使載體角運(yùn)動(dòng)不會(huì)影響到旋轉(zhuǎn)調(diào)制效果，并且轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)還可用于自主標(biāo)定和初始對(duì)準(zhǔn)。本文所述為雙軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)控制技術(shù)研究?jī)?nèi)容，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)方案所要求的十六次序旋轉(zhuǎn)調(diào)制功能[1]。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

結(jié)合系統(tǒng)導(dǎo)航結(jié)算和旋轉(zhuǎn)變壓器角位置測(cè)量，搭建一個(gè)不受載體運(yùn)動(dòng)影響的慣性穩(wěn)定基準(zhǔn)，以此為系統(tǒng)核心，設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)隔離載體運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。本系統(tǒng)中，采用DSP作為控制器，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)軸的驅(qū)動(dòng)控制，同時(shí)根據(jù)角度傳感器提供內(nèi)環(huán)和外環(huán)的位置信息以供系統(tǒng)解算[2-3]。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的總體構(gòu)成如圖1所示，包括五個(gè)部分，分別是力矩電機(jī)、測(cè)角部分、驅(qū)動(dòng)部分、控制器和上位機(jī)部分。雙軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)要求轉(zhuǎn)角讀取精度高，框架旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，因此對(duì)執(zhí)行元件的性能要求較高，具體為體積小、重量輕、低速運(yùn)行平穩(wěn)、大扭矩、可堵轉(zhuǎn)、響應(yīng)快速、線性度好以及調(diào)速方便等。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和旋轉(zhuǎn)方案的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用直流力矩電機(jī)作為執(zhí)行元件。

圖1 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的總體構(gòu)成Fig.1 General structure of rotating mechanism

雙軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以看作是兩個(gè)單軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，只是每個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不同，所以控制參數(shù)會(huì)不同，但控制原理結(jié)構(gòu)都是一樣的，因此本文只對(duì)單軸旋轉(zhuǎn)控制的原理進(jìn)行分析。

2 多通道數(shù)字控制器實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)字控制器硬件線路實(shí)現(xiàn)

位置伺服控制系統(tǒng)硬件包括上位機(jī)、接口擴(kuò)展，以及內(nèi)框和外框控制回路電子線路。圖2所示為單個(gè)旋轉(zhuǎn)控制回路硬件線路圖，該回路主要由信號(hào)采樣、控制器、驅(qū)動(dòng)輸出、通信接口，以及電源和保護(hù)電路組成。

由圖2可知，信號(hào)采樣通道采用旋轉(zhuǎn)變壓器角位置信號(hào)采集線路，旋變模擬輸入連接軸角轉(zhuǎn)換芯片，然后通過(guò)并行線路接入DSP，同時(shí)DSP輸出控制信號(hào)對(duì)軸角轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行使能，并且DSP可以采集軸角轉(zhuǎn)換器速度數(shù)字量輸入。控制單元采用TI DSP及其最小系統(tǒng)線路；采用DA芯片將控制算法計(jì)算所得數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬電壓，然后通過(guò)MSK驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行功率放大，最終轉(zhuǎn)化為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓。在這條電壓驅(qū)動(dòng)放大通道中，添加了模擬速度阻尼線路，將軸角轉(zhuǎn)換芯片采集轉(zhuǎn)化出的轉(zhuǎn)速模擬量與DA輸出做減法運(yùn)算，然后再驅(qū)動(dòng)輸出。TI DSP自身具備CAN總線模塊，用于實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和DSP之間電平信號(hào)轉(zhuǎn)換。

2.2 數(shù)字控制器信號(hào)流程實(shí)現(xiàn)

硬件線路架構(gòu)搭建完備以后，需要建立系統(tǒng)各功能模塊的通信接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳遞和輸出，具體信號(hào)流程如圖3所示。

圖3 單框穩(wěn)定回路控制系統(tǒng)信號(hào)流程圖Fig.3 The signal flow graph of single frame stability loop control system

本系統(tǒng)中，陀螺信號(hào)采樣頻率為400Hz，為匹配該頻率，旋變角位置信號(hào)更新頻率同樣設(shè)定為400Hz。通過(guò)上位機(jī)底板上的FPGA統(tǒng)一規(guī)劃角度信號(hào)和陀螺信號(hào)的時(shí)序，使參與解算的數(shù)據(jù)保持時(shí)統(tǒng)。上位機(jī)接受測(cè)量解算板發(fā)送來(lái)的姿態(tài)信息，通過(guò)解耦運(yùn)算獲得各軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)量，上位機(jī)通過(guò)CAN協(xié)議發(fā)送至旋轉(zhuǎn)控制板。旋轉(zhuǎn)變壓器與直流力矩電機(jī)在結(jié)構(gòu)上同軸連接，由旋轉(zhuǎn)變壓器提供框架位置信息，并發(fā)送至位于控制板上的軸角轉(zhuǎn)換模塊，軸角轉(zhuǎn)換模塊讀取旋變的粗精通道輸出，經(jīng)耦合處理后得到20位的數(shù)字量，然后通過(guò)緩存芯片將數(shù)字量存放至DSP的數(shù)據(jù)總線上，以備讀取。

3 載體隔離控制方案及軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 控制方案的確定

在實(shí)際雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣導(dǎo)系統(tǒng)中，慣導(dǎo)系統(tǒng)固連在載體上，隨載體姿態(tài)變化而相對(duì)地理系運(yùn)動(dòng)，這樣就導(dǎo)致了框架單純以固定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，無(wú)法完全抵消掉陀螺的常值漂移量，使導(dǎo)航精度受到影響。

為了實(shí)現(xiàn)載體在姿態(tài)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，仍然保證陀螺常值漂移的作用效果得到完全抵消，就需要旋轉(zhuǎn)框不僅能夠按固定的速度旋轉(zhuǎn)，還要疊加上載體姿態(tài)角速率在旋轉(zhuǎn)軸上的分量，該分量是從導(dǎo)航解算結(jié)果中得來(lái)的。為實(shí)現(xiàn)這一功能，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在上位機(jī)中進(jìn)行了位置隔離運(yùn)算和控制指令發(fā)送。一方面，上位機(jī)接收當(dāng)前旋轉(zhuǎn)變壓器傳送過(guò)來(lái)的角位置信息；另一方面，接收測(cè)量解算板發(fā)送的載體姿態(tài)角速率信息，兩者進(jìn)行疊加，并參照控制周期，再疊加旋轉(zhuǎn)角增量。系統(tǒng)對(duì)位置控制的要求是：一方面要有穩(wěn)定平滑的瞬態(tài)響應(yīng)，避免位置跟蹤超調(diào)；另一方面位置穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差要小，以便獲得高精度的位置控制功能。

圖4所示為旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖，本系統(tǒng)包含了數(shù)字位置環(huán)、模擬速度回路和驅(qū)動(dòng)器內(nèi)置電流環(huán)。位置伺服是旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的最終目標(biāo)，在本系統(tǒng)中，位置環(huán)校正采用PI環(huán)節(jié)，主要目的是實(shí)現(xiàn)位置無(wú)靜差[4-6]。

圖4 旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)框圖Fig.4 The simplified block diagram of rotation control system

3.2 控制軟件實(shí)現(xiàn)

結(jié)合上文所述的位置隨動(dòng)控制系統(tǒng)，在旋轉(zhuǎn)控制線路板的DSP上編制控制軟件，包含系統(tǒng)配置、模式選擇、控制算法等功能[7]，具體過(guò)程如圖5所示。

圖5 控制軟件流程圖Fig.5 Flowchart of the control software

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 靜基座旋轉(zhuǎn)控制性能驗(yàn)證

慣導(dǎo)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室靜基座和搖擺臺(tái)動(dòng)基座兩種工況條件下進(jìn)行導(dǎo)航測(cè)試試驗(yàn)，內(nèi)框和外框旋轉(zhuǎn)次序按照方案設(shè)計(jì)要求執(zhí)行，并且要求隔離掉航向和橫搖兩個(gè)姿態(tài)上的變化，保證因載體運(yùn)動(dòng)而引起的陀螺常值漂移誤差被完全消除[8]。圖6所示為靜基座導(dǎo)航試驗(yàn)中外框的旋轉(zhuǎn)角速度曲線，從曲線中可以大致看出，設(shè)定轉(zhuǎn)速為6(°)/s時(shí)，框架旋轉(zhuǎn)無(wú)速度靜差，速度穩(wěn)定性良好。

圖7所示為外框旋轉(zhuǎn)從靜止起動(dòng)到速度6(°)/s的響應(yīng)過(guò)程，調(diào)節(jié)控制器旋轉(zhuǎn)控制參數(shù)，統(tǒng)籌考慮框架抗干擾能力、穩(wěn)態(tài)誤差、響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量等指標(biāo)。由圖7可得旋轉(zhuǎn)控制的響應(yīng)時(shí)間為0.09s，超調(diào)量為10%，穩(wěn)態(tài)誤差為0，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后5ms平滑波動(dòng)范圍為5.94～6.09(°)/s。

圖6 靜基座旋轉(zhuǎn)速度曲線(外框)Fig.6 The curve of rotation speed on static base(outer frame)

圖7 靜基座旋轉(zhuǎn)速度階躍響應(yīng)曲線(外框)Fig.7 The response curve of rotation speed on static base(outer frame)

4.2 動(dòng)基座載體隔離性能驗(yàn)證

在框架旋轉(zhuǎn)的動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)滿(mǎn)足靜基座導(dǎo)航試驗(yàn)要求后，要實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)系統(tǒng)在載體運(yùn)動(dòng)時(shí)同樣保持良好的工作性能。如上文所述，通過(guò)上位機(jī)添加位置閉環(huán)回路實(shí)現(xiàn)隔離載體運(yùn)動(dòng)，在雙軸系統(tǒng)中，通過(guò)外框和內(nèi)框的旋轉(zhuǎn)控制可以隔離航向和橫搖的姿態(tài)變化。本系統(tǒng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室搖擺臺(tái)上完成，搖擺臺(tái)三個(gè)軸做周期性正弦運(yùn)動(dòng)，頻率和幅值可以自行設(shè)定，本文以航向隔離為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖8所示為搖擺試驗(yàn)過(guò)程中的外框旋轉(zhuǎn)速度曲線，從曲線中可以看出，外框旋轉(zhuǎn)速度存在與靜基座類(lèi)似的旋轉(zhuǎn)調(diào)制，該調(diào)制速度作為基波，其上疊加的正弦載波為抵抗載體航向變化所產(chǎn)生的角速度分量。圖9所示為搖擺試驗(yàn)中IMU航向輸出值，其波動(dòng)范圍約為0.01°，遠(yuǎn)低于搖擺臺(tái)1.3°的搖擺幅值，隔離效率達(dá)到99%。

圖8 搖擺試驗(yàn)中框架旋轉(zhuǎn)曲線(外框)Fig.8 The frame rotation curve in swing test(outer frame)

圖9 搖擺試驗(yàn)中IMU航向曲線Fig.9 The IMU heading in swing test

5 結(jié)論

本文介紹了雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的隔離載體運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案，完成了框架旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、元器件的選型、硬件線路設(shè)計(jì)、通信接口設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)了模擬速度環(huán)和數(shù)字位置環(huán)調(diào)節(jié)器。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)在靜基座和動(dòng)基座條件下實(shí)現(xiàn)功能準(zhǔn)確，快速性、穩(wěn)定性等指標(biāo)良好，為更好地發(fā)揮雙軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的導(dǎo)航潛力提供了有效的保障。

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Implementation of the Carrier-Insulated Control for the 2-Axis FOG Strapdown Inertial Navigation System

YU Hao1, WU Guo-qiang1, GAO Feng1, TAN Qiu-yue2

(1.Tianjin Navigation Instrument Research Institute, Tianjin 300131, China;2.Heibei University of Technology, Tianjin 300401, China)

The performance of the framework rotation control such as stability, rapidity and accuracy is the important condition which is needed to ensure the potential excavation of the 2-axis strapdown Inertial Navigation System.In view of this demand, a 2-axis rotation control system was built.Both DC torque motor and resolver were used as staple hardware architecture.Besides, a high speed DSP control board was designed as a controller.The signal process was built， an appropriate PI control algorithm was designed and finally test was performed.The results showed that the effectiveness of IMU insulated attitude exceeds 99%, and this performance of the framework rotation control can meet the needs of the inertial navigation.

2-axis rotation; DSP; PI control; Carrier-insulated motion

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.04.002

2016-04-22；

2016-05-10。

總裝預(yù)研項(xiàng)目(51309030101)

于浩(1964-)，男，研究員，主要從事導(dǎo)航制導(dǎo)與控制方面的研究。E-mail:yuhao_707@126.com

U666.1

A

2095-8110(2016)04-0009-04