基于數(shù)字伺服控制器的吊艙陀螺穩(wěn)定平臺設計

　　Elmo公司的Whistle系列數(shù)字伺服控制器，體積小、重量輕、提供數(shù)字輸入與輸出接口，提供RS232與CAN總線2種通信方式，可編程。采用 Elmo Whistle數(shù)字伺服控制器，通過編程，僅需設計相對簡單的一部分外圍電路，就能實現(xiàn)很復雜的功能，體現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。但目前國內應用這一控制器來實現(xiàn)機載吊艙陀螺穩(wěn)定平臺的廠家比較少，因此可以借鑒的經(jīng)驗非常有限。本文通過仔細研讀Elmo相關文檔，設計出了符合性能指標的機載陀螺穩(wěn)定平臺。

　　1 吊艙及陀螺穩(wěn)定平臺

　　吊艙是指懸掛在運動載體(如飛機、船舶)外的艙體有效載荷容器裝置。它的作用主要是隔離載機的姿態(tài)變化和機械振動對光電傳感器指向的影響。吊艙系統(tǒng)由陀螺穩(wěn)定平臺伺服平臺、電視跟蹤系統(tǒng)、座艙顯示和控制系統(tǒng)、紅外測量系統(tǒng)、激光測距儀和GPS定位于測距數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和記錄系統(tǒng)、吊艙環(huán)控系統(tǒng)等7部分組成。

　　陀螺穩(wěn)定平臺系統(tǒng)主要用于穩(wěn)定機載吊艙上TV和紅外攝像機的視軸穩(wěn)定，消除直升飛機飛行過程中由于搖擺帶來的干擾力矩。這里設計的平臺屬于二軸四框架系統(tǒng)，分為方位軸和俯仰軸。在每一個軸上安裝一個單自由度的光纖陀螺，用來感應干擾力矩。陀螺輸出信號經(jīng)過放大濾波后，送到Elmo伺服控制器，由控制器智能處理陀螺信號。信號處理完畢之后，由控制器的輸出部分，驅動直流伺服電機，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。

　　2 穩(wěn)定平臺設計

　　2.1 系統(tǒng)總體設計框圖

　　此文設計的陀螺穩(wěn)定平臺主要是要保證各個光傳感器的視軸穩(wěn)定。結合整個吊艙系統(tǒng)，主要是實現(xiàn)以下6個功能：

　　1)現(xiàn)吊艙的穩(wěn)定控制;2)實現(xiàn)吊艙的運動控制;3)限位信號輸入;4)錯誤指示電路;5)LOCK電路;6)串口通信。

　　圖l為系統(tǒng)總體設計框圖。

　　2.2 硬件電路設計

　　2.2.1 陀螺信號處理電路

　　由于俄羅斯的Fizoptika VG94l-3AS光纖陀螺輸出信號非常微弱，輸出比例因子只有3.3 mV/deg/s。對于這么微弱的信號，必須要先進行小信號的放大電路處理，才能傳送到Elmo伺服控制器，進行下一步的處理。這里要說明的一點是，并沒有對陀螺輸出信號進行濾波處理，原因在于Elmo伺服控制內部已經(jīng)有了數(shù)字濾波電路，可以在調試時進行相關設置，以達到濾波目的。

　　Elmo數(shù)字伺服控制器原本有2個模擬輸入口的，可直接將光纖陀螺的輸出信號接入數(shù)字伺服控制器，但由于陀螺的隨機漂移大，基本無規(guī)律可以遵循，每次開機，給陀螺供電時，陀螺的隨機輸出是不一樣的。所以，應設計陀螺信號處理電路，一方面可以將陀螺的輸出信號按一定比例的放大，然后輸入到Elmo數(shù)字伺服控制中，減少程序中的比例因子，進而減少Elmo數(shù)字伺服控制器內部的噪聲對整個系統(tǒng)的影響，另一方面通過外接一只可調電阻，實現(xiàn)每次開機的漂移量補償，從而使吊艙保持平穩(wěn)狀態(tài)。

　　Fizoptika VG941-3A光纖陀螺在載體靜止時，輸出電壓為2.5 V。因此要保證載體靜止時，輸入到Elmo數(shù)字伺服控制模擬輸入口的電壓為0 V，必須用一個精準電壓芯片產(chǎn)生2.5 V的電壓，通過放大器4558實現(xiàn)一個減法電路。在該減法電路中，用REF02CZ產(chǎn)生5 V的電壓，然后通過電阻分壓得到2.5 V基準電壓。圖2為陀螺信號處理電路(減法電路)原理圖。

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　　2.2.2 電源電路設計

　　這里的電源電路設計主要的目的是給各芯片提供基準電壓。TSMl212D用于產(chǎn)生±12 V基準電源，給放大器4558和REF02CZ提供基準電壓，而REF02CZ用于產(chǎn)生+5 V基準電壓，給放大器提供參考電壓。圖3為電源電路原理圖。

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　　2.2.3 吊艙運動信號處理電路

　　吊艙系統(tǒng)除了要實現(xiàn)基本的陀螺穩(wěn)定功能外，還必須具備巡航、跟蹤等功能。因此，整個吊艙系統(tǒng)還有轉動信號、漂移信號的處理電路。這兩個信號是通過控制面板(HCU)上相應的開關按鈕來控制。圖4為吊艙運動信號處理電路原理圖。

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　　2.3 系統(tǒng)軟件設計

　　Elmo Whistle數(shù)字化智能驅動器的軟件結構總體可分為2大部分：1)驅動器本身的程序，這個包括引導程序，固件和個性化的設置。這些程序可以通過官方網(wǎng)站下載，然后根據(jù)特定的驅動器型號進行燒錄;2)用戶自己的程序，以實現(xiàn)用戶自行設計的功能。

　　在本系統(tǒng)軟件設計中，主要完成陀螺穩(wěn)定的功能。通過采集Elmo Whistle控制器的模擬輸入口由光纖陀螺反饋回來的電壓信號AN[1]，在程序設定相應的跟隨比例AG[2]，實現(xiàn)相應的陀螺穩(wěn)定功能。這里的關鍵是參數(shù)AG[2]的確定。這個參數(shù)首先有一個估算的過程，估算完成后，可以在稍后的調試環(huán)節(jié)中進行微調，最終實現(xiàn)精準的陀螺穩(wěn)定功能。參數(shù)AG[2]可以按以下方法估算：

　　1)在Smart Terminal界面中，將輸入AN[1]設定為1 V，測量此時吊艙的轉速，設為N，并在Smart Terminal界面中查看電機的轉速為S1，單位為count/s;

　　2)光纖陀螺最大感應輸出電壓為2.5 V，此時對應吊艙的速度應為M，M的值在吊艙設計時已經(jīng)設定，為60(°)/s;此時電機的轉速為S2，則S2的值為：S2=(60/N)xS1;

　　3)比例因子AG[2]=S2/2.5;

　　Elmo Whistle內部有可調用函數(shù)，通過相應的設置語句，控制器就可以根據(jù)判斷6個數(shù)字輸入口的狀態(tài)，執(zhí)行相應的內部函數(shù)。在本系統(tǒng)中，體現(xiàn)為LOCK信號功能、限位信號功能以及指示輸出等。圖5為陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)的部分軟件流程圖。

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　　為了真正實現(xiàn)機載吊艙的數(shù)字化，在實現(xiàn)以上功能之外，本系統(tǒng)還就指令控制吊艙運動做了相應的嘗試。在原有的軟件模塊中，通過判斷輸入口3的狀態(tài).增加了一個串口通信模塊。如果檢測到控制器數(shù)字輸入口3為低電平，則觸發(fā)串口通信模塊子程序，向控制器發(fā)送控制狀態(tài)字，實現(xiàn)指令控制吊艙功能。當然，這個功能也可以通過PC機向控制器發(fā)送相應的指令實現(xiàn)。

　　3 結束語

　　配合Elmo公司的Studio界面和Recorder軟件，可以分析機載吊艙陀螺穩(wěn)定平臺是否達到技術指標要求，并且在有必要的時候修改系統(tǒng)硬件電路設計和程序中的參數(shù)，以達到預期的目標。

　　本系統(tǒng)最終設計出的機載吊艙陀螺穩(wěn)定平臺，應用于目前的吊艙系統(tǒng)中，吊艙的穩(wěn)定性能達到50μrad，俯仰轉動角度為-120°～+15°，方位轉動角度為360°連續(xù)，最大轉動速度為60(°)/s最大轉動加速度200(°)/S2，功耗小于240 W。