CN103872965A - 一种浮油支撑惯性仪表的伺服回路控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浮油支撑惯性仪表的伺服回路控制系统及控制方法，主要包括角度传感器、前置放大电路、A/D转换电路、DSP数字控制器、光耦隔离电路、功率驱动模块、力矩电机、霍尔传感器、422通讯接口电路、温度采集电路和上位机。本发明通过引入可变参数校正网络DSP数字控制器，分别实现了控制系统启动阶段非线性控制和仪表伺服回路的温度梯度精确控制。上位机通过温度采集电路采集仪表内浮油温度信息，再通过422通讯接口电路将信息发送给DSP数字控制器。DSP数字控制器将温度与给定温度阈值比对后调用相应控制参数，实现仪表不同温度的变参数伺服控制。本发明控制系统集成度高、控制精度高、自动化程度高且安全可靠。

Description

一种浮油支撑惯性仪表的伺服回路控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种浮油支撑惯性仪表的伺服回路控制系统及控制方法。

背景技术

下面以陀螺加速度计为例，对浮油支撑惯性仪表的原理进行解释。如图1所示，陀螺加速度计的外环坐标系为OX₁Y₁Z₁,OX₁为外框架轴，OY₁为内框架轴，OZ₁为马达角动量方向，

、

分别为外框架相对仪表基座和内框架相对外框架的角速度，M_X1为绕外框架轴的各种干扰力矩之和，M_D为力矩电机产生的力矩。内框架轴采用浮油支撑。由于外框架轴上的干扰力矩M_X1影响，角动量H将缓慢向M_X1方向进动，使内框架相对外框架的转角β逐渐增大。浮油支撑惯性仪表的伺服回路控制系统工作过程如下：角度传感器1检测β角，转换成电压信号经控制器2算法校正后驱动力矩电机3给外环加修正力矩，平衡干扰力矩M_X1，保证角动量H与外框架OX₁垂直，同时赋予陀螺加速度计以应有的静态和动态特性。现有浮油支撑的惯性仪表中有温度控制电路，希望通过温度控制电路将浮油的温度控制在预设温度点；现有的伺服回路根据预设温度点设计校正网络的增益参数。但由于仪表应用环境复杂，散热缓慢，容易导致浮油的实际稳定温度比预设温度点高，浮油温度升高导致系统阻尼变小，使伺服回路设计校正网络与实际应用对象模型不符，系统稳定裕度变小。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种浮油支撑惯性仪表的伺服回路控制系统及控制方法，既满足控制精度又保证足够的稳定裕度。

本发明所采用的技术方案是：

一种浮油支撑惯性仪表的伺服回路控制系统，包括角度传感器、前置放大电路、A/D转换电路、DSP数字控制器、光耦隔离电路、功率驱动模块、力矩电机、霍尔传感器、422通讯接口电路、温度采集电路和上位机；角度传感器用于采集浮油支撑惯性仪表内环角度信号并将其转换成电压信号，电压信号经前置放大电路放大后输入到A/D转换电路，A/D转换电路进行转换后输出数字角度信号至DSP数字控制器；DSP数字控制器根据采集的数字角度信号利用数字校正网络进行校正获得PWM控制信号，PWM控制信号经光耦隔离电路后输入至功率驱动模块，同时功率驱动模块接收霍尔传感器的三相换相逻辑信号；功率驱动模块根据三相换相逻辑信号和PWM控制信号驱动力矩电机，使力矩电机工作在堵转加矩状态；温度采集电路采集惯性仪表内浮油的温度信息并发送至上位机，上位机通过422通讯接口电路将浮油的温度信息输入至DSP数字控制器；在力矩电机稳定运行阶段，DSP数字控制器根据浮油的温度信息T确定所述数字校正网络的增益参数K_P2；其中

K_H、K_M、K_L为不同的增益参数；K_H≥K_M≥K_L，T₁、T₂、T₃、T₄为温度阈值，T₁<T₂<T₃<T₄。

力矩电机启动阶段的数字校正网络的增益参数比力矩电机稳定阶段的增益参数小。

上述浮油支撑惯性仪表的伺服回路控制系统的控制方法，其特征在于，DSP数字控制器根据采集的数字角度信号利用数字校正网络进行校正获得PWM控制信号；在力矩电机稳定运行阶段，DSP数字控制器根据浮油的温度信息T确定所述数字校正网络的增益参数K_P2；其中

K_H、K_M、K_L为不同的增益参数；K_H≥K_M≥K_L，T₁、T₂、T₃、T₄为不同的温度阈值，T₁<T₂<T₃<T₄。

力矩电机启动阶段的数字校正网络的增益参数K_P1比力矩电机稳定阶段的增益参数K_P2小。

本发明与现有技术相比优点在于：

本发明研究系统温度特性，给出相应温度梯度模型，设计变参数的控制算法。上位机通过温度采集电路采集仪表温度信息，控制器与上位机建立通讯，DSP数字控制器根据温度信息确定数字校正网络的增益参数，实现惯性仪表不同温度特性的变参数伺服控制。本发明控制系统集成度高、控制精度高、自动化程度高且安全可靠。

附图说明

图1为陀螺加速度计原理示意图。

图2为本发明的伺服回路控制系统框图。

图3为本发明的DSP数字控制器中回路启动阶段增益非线性示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

为达到仪表的伺服回路精确控制，本发明引入基于温度特性的可变参数伺服回路控制系统。如图2所示，本发明的浮油支撑的惯性仪表的伺服回路控制系统，主要包括角度传感器、前置放大电路、A/D转换电路、DSP数字控制器、光耦隔离电路、功率驱动模块、力矩电机、霍尔传感器、422通讯接口电路、温度采集电路和上位机。角度传感器用于采集内环角度信号并将其转换成电压信号，经前置放大电路放大后输入到A/D转换电路，转换后的数字信号传递到DSP数字控制器，在DSP数字控制器进行数据采集及并利用数字校正网络进行超前滞后校正，依据校正结果输出PWM信号，调宽波经光耦隔离电路后输入到功率驱动模块，同时功率驱动模块接收霍尔传感器的三相换相逻辑信号，功率驱动模块根据三相换相逻辑信号和PWM信号驱动力矩电机，使力矩电机工作在堵转加矩状态。上位机通过温度采集电路采集惯性仪表内浮油的温度信息，再通过422通讯接口电路将温度信息发送给DSP数字控制器，DSP数字控制器根据温度信息确定数字校正网络的增益参数，实现惯性仪表不同温度特性的变参数伺服控制。

为实现对力矩电机的控制，本发明采用的校正网络形式为

用双线性变化法得到数字控制校正网络，其差分方程为 $G\left(z\right)=K_P\frac{z^{-2}+k_2{z}^{-1}+k_3}{z^{-2}+k_4{z}^{-1}+k_5}.$

本发明应用对象陀螺加速度计物理模型中包含温度敏感项，系统阻尼随温度的升高而减小。为实现温度梯度精确控制，保证系统足够的稳定裕度，需要改变校正网络模型中的增益参数K_P，即可满足系统静动态特性要求。本发明通过大量仿真和试验，确定温度和增益参数的关系式如下：

$K_P=\left\{\begin{array}{c}{K}_H,T\&Subset;(T_1,T_2]\\ K_M,T\&Subset;(T_2,T_3]\\ K_L,T\&Subset;{(T}_3,T_4]\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中K_H≥K_M≥K_L，T₁<T₂<T₃<T₄

本发明根据实际温度点，设置三段温度阈值，对应不同阈值给定相应增益，DSP在每个采样环节进行温度值的更新，依据温度值变更校正网络的增益参数，实现变参数控制，既满足控制精度又保证足够的稳定裕度。

图3为回路启动阶段增益非线性示意图。试验证明力矩电机启动时超调约为20%，系统闭合启动瞬间应用对象有明显过冲，为使启动平稳，采用非线性控制算法，在力矩电机启动阶段（例如50ms内），数字校正网络的增益参数为K_P1。在力矩电机稳定阶段（例如50ms后）后数字校正网络的增益参数K_P2依据式(1)的温度阈值范围确定。K_P1小于K_P2中的任一段中的值，即K_P1<K_L。本发明在力矩电机启动阶段内通过减小数字校正网络的增益参数，降低系统超调，在力矩电机稳定阶段恢复正常算法，实现启动阶段非线性控制，优化启动特性。

本发明的DSP数字控制器通过引入可变参数校正网络控制器，分别实现了浮油支撑惯性仪表启动阶段非线性控制和伺服回路的温度梯度精确控制。

实施例

以下给出一组陀螺加速度计设计参数，上述温度点阈值分别为T₁=54℃,T₂=56℃,T₃=58℃,T₄=60℃；对应阈值内增益分别为K_H=4.0，K_M=3.5,K_L=3.2，实测系统稳定裕度均满足幅值裕度>10dB，相角裕度>40度的设计要求。K_P1为3.0。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种浮油支撑惯性仪表的伺服回路控制系统，其特征在于，包括角度传感器、前置放大电路、A/D转换电路、DSP数字控制器、光耦隔离电路、功率驱动模块、力矩电机、霍尔传感器、422通讯接口电路、温度采集电路和上位机；角度传感器用于采集浮油支撑惯性仪表内环角度信号并将其转换成电压信号，电压信号经前置放大电路放大后输入到A/D转换电路，A/D转换电路进行转换后输出数字角度信号至DSP数字控制器；DSP数字控制器根据采集的数字角度信号利用数字校正网络进行校正获得PWM控制信号，PWM控制信号经光耦隔离电路后输入至功率驱动模块，同时功率驱动模块接收霍尔传感器的三相换相逻辑信号；功率驱动模块根据三相换相逻辑信号和PWM控制信号驱动力矩电机，使力矩电机工作在堵转加矩状态；温度采集电路采集惯性仪表内浮油的温度信息并发送至上位机，上位机通过422通讯接口电路将浮油的温度信息输入至DSP数字控制器；在力矩电机稳定运行阶段，DSP数字控制器根据浮油的温度信息T确定所述数字校正网络的增益参数K_P2；其中K_H、K_M、K_L为不同的增益参数；K_H≥K_M≥K_L，T₁、T₂、T₃、T₄为温度阈值，T₁<T₂<T₃<T₄。

2.根据权利要求1所述的浮油支撑惯性仪表的伺服回路控制系统，其特征在于，力矩电机启动阶段的数字校正网络的增益参数比力矩电机稳定阶段的增益参数小。

3.如权利要求1所述的浮油支撑惯性仪表的伺服回路控制系统的控制方法，其特征在于，DSP数字控制器根据采集的数字角度信号利用数字校正网络进行校正获得PWM控制信号；在力矩电机稳定运行阶段，DSP数字控制器根据浮油的温度信息T确定所述数字校正网络的增益参数K_P2；其中

K_H、K_M、K_L为不同的增益参数；K_H≥K_M≥K_L，T₁、T₂、T₃、T₄为不同的温度阈值，T₁<T₂<T₃<T₄。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，力矩电机启动阶段的数字校正网络的增益参数K_P1比力矩电机稳定阶段的增益参数K_P2小。

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