CN1142449C - 一种海洋重力仪控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋重力仪控制装置，涉及一种海洋重力仪，尤其涉及海洋重力仪的控制装置。为了对德国GSS-2型海洋重力仪等改造，本发明保持其本体不变，由本控制装置与其组成一闭环自动调节系统，尤其是其中的自整角机低速运转电路，主要由中央处理器、升压器、步进计算单元、计算机输出电路、电机驱动输出电路、电机当前位置记忆单元组成，保证了改型后的海洋重力仪性能价格比高，因此有着广阔的应用前景。

Description

一种海洋重力仪控制装置

技术领域

本发明涉及一种海洋重力仪，尤其涉及海洋重力仪的控制装置。

背景技术

对于海洋重力场时空变化的监测与研究，无疑是地球重力学研究的极其重要的内容。同时由于海洋资源(譬如石油)的藏量丰富，又使得海洋重力测量成为了人类较为有效的地球物理勘探手段。卫星重力测量虽然利用空间技术可以监测海洋重力，但其卫星轨道参数的确定仍需以地表重力测量数据为基础。因此在海面利用海洋重力仪测量重力，至今仍为海洋重力学研究和海洋地球物理勘探不可缺少的手段。由于海面重力测量是在动态环境中进行，因此其测量综合精度仅为10^-5m/s²(参考国家标准10^-5m/s²为1毫伽)级。但由于海上测区大，连续作业时间长(至少1-2个月)，所以对海洋重力仪的掉格、仪器格值的稳定性、电气检测部分的漂移和整机故障率均有很高的要求。前西德在海洋重力仪制造领域具有很高水平。我国自70年代以来，引进海洋重力仪以西德产品居多。如阿斯卡尼亚公司生产的GS-15型和转产波登公司生产的GSS-2和GSS-20以及其后的KSS-30型海洋重力仪，这些仪器掉格均很小(GSS-2小于每月3×10^-5m/s²)，平静海况时测量精度高(GSS-2优于0.7×10^-5m/s²、KSS-30优于0.5×10^-5m/s²)。近三十年来，这些仪器为我国海洋重力测量研究发挥了很大作用。但由于年代久远，并受当时控制思想和器件技术水平的限制，已无法满足海洋重力测量的要求，同时国内的许多台德国进口重力仪的电气控制部分均已损坏。与此相反，这些仪器的机械探头性能却日趋稳定。因此从事这些仪器控制系统的更新研制，使得这些精密机械重力传感探头重新焕发青春，对于物尽其用、节省外汇，对于启迪和促进我国海洋重力仪器研制无疑具有现实意义。

发明内容

本发明的目的，首先是针对德国GSS-2型海洋重力仪的改造，也适用于其它海洋重力仪的改造，即保持海洋重力仪现有本体的优点，克服其电控和记录部分存在的问题，提供一种性价比更高的海洋重力仪控制装置。

本发明的目的是这样实现的：

①保持GSS-2重力仪本体部分不作任何修改和添加附加设备。这样既保持了传感器的精度，又能够实现新旧电控系统的替换、备份和兼容。

②完全取消任何机械运算。

③取消所有电桥等直流-交流变换部分，全部采用直流放大与控制。

④彻底取消笔录仪在控制回路中的作用，使新机柜完全独立运行。

⑤采用单片机对执行电机进行直接数字步进式控制，取消多余的伺服机构及齿轮传动机构。

⑥采用全数字技术，实现数字反馈、数字比例积分运算；改变设置方便；保证参数稳定可靠，系统长期动静态特性不变。

本发明具有以下优点和积极效果：

①由于采用了高精度数据放大器AD610L，其长期稳定度优于0.5μV/月，因此在控制系统中，对于近似直流的重力信号，贯穿整个控制过程始终，而无需多次交直流转换。

②采用数字比例积分技术，改变调节时间常数，只需要通过拨码盘操作软件，能方便适应各种海况的测量，且时间常数稳定。

③直接将GSS-2仪器执行电机，由自整角机状态运用为步进电机，丢弃了大量齿轮减速系统，避免了齿轮间隙误差，减小了调节死区。

④重力变化信号Vg采用12位模数转换器变换成数字信号读出，保证了读出精度优于0.3×10^-5m/s²。

⑤本自整角机低速运转电路及技术，可以推广应用于数字信号直接驱动自整角机的其它领域。

附图说明图1为GSS-2重力仪本体结构示意图；图2为GSS-2重力仪改造前组成框图；图3为GSS-2重力仪改造后组成框图；图4为自整角机低速运转电路组成框图；图5为升压器电路图；图6为计算机输出电路图；图7为中央处理器电路图；图8为步进计算单元电路图；图9为电机当前位置记忆单元电路图；图10为电机驱动输出电路图。其中：M-摆，                  G-摆杆，                 m-配重块，O-支点，                S-支点弹簧，             S₁-上测弹簧，S₂-下测弹簧，          V₁，V₂-上下端光电池，  L-灯泡，R-重力读出电位器，      E-执行电机，             ΔV-合成输出电压，Vg-下测弹簧位置电压，   PI-比例积分，            x-重力显示；A-重力仪本体，          B-重力仪控制装置；1-重力变化信号，        2-摆杆机构，             3-光电检测电路，5-自整角机，            6-机械读数计数器和读数电位器，7-终端红通道，          8-数据放大器，           9-阻容滤波器，10-电机控制单片机，     11-数字比例积分运算器(即数字PI运算器)，12-模数转换器(即A/D)，                         13-终端蓝通道；a-升压器，              b-计算机输出电路，c-中央处理器(即CPU)，   d-步进计算单元，e-电机当前位置记忆单元，f-电机驱动输出电路，g-自整角机绕组。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

1、GSS-2重力仪的工作原理由图1可知，当摆杆G所受重力产生的转矩与支点弹簧s的扭矩平衡时，摆杆G保持在水平位置。此时分别位于摆M上下两端的光电池V₁、V₂，因接受灯泡L的照度相同，合成输出电压V为零，这便是重力仪的初始状态。在摆M和支点O之间，还安置有上测弹簧S₁和下测弹簧S₂，S₁和S₂的伸长和压缩均会产生作用于摆杆G的附加转矩。S₁由人工调节，用作调整重力仪的测程；S₂由重力仪闭环执行电机E调节，它的伸长或压缩代表着重力变化量。执行电机E在旋转S₂的同时，也同步旋转重力读出电位器R的中心抽头，R的中心抽头则输出一随下测弹簧位置变化的电压Vg，Vg乘上重力仪的格值系数则可得到重力变化。

2、由图2可知，GSS-2重力仪采用了双通道笔式记录仪。其蓝笔通道记录仪器摆M的位置，红笔通道记录下测弹簧位置电压Vg。在GSS-2重力仪原检测控制方式中，双通道记录仪的兰笔电机被用作闭环控制必不可少的环节，其比例和积分环节又采用交流电桥和机械齿轮加法器，因此原工作方式的严重缺陷在于：

①控制过程重力变化信号多次直流、交流转换；

②机械合成比例积分运算采用的大量齿轮减速机构带来间隙误差和调节死区；

③下测弹簧位置电压Vg所反映的重力变化通过刻度盘人工读出影响仪器的精度。

3、由图3可知，改造后的重力仪由重力仪本体A和重力仪控制装置B两大部分组成闭环自动调节系统。

①重力仪本体A有摆杆机构2、光电检测电路3、下测弹簧S₂、自整角机(原同步接收机)5、机械读数计数器和读数电位器6。

②重力仪控制装置B有数据放大器8、阻容滤波器9、电机控制单片机10、数字比例积分运算器11、模数转换器12。

③其相互连接关系是：摆杆机构2→光电检测电路3→数据放大器8→阻容滤波器9→模数转换器12→数字比例积分运算器11→电机控制单片机10→自整角机5→下测弹簧S₂→摆杆机构2；还有阻容滤波器9→终端蓝通道13(显示摆位归零值)；自整角机5→机械读数计数器和读数电位器6→模数转换器12→终端红通道7。(显示测量重力值)

由此可见，本发明丢弃了双通道笔式记录仪，重力变化信号1经高精度低漂移数据放大器8放大，阻容滤波器9滤波后，直接送模数转换器12，变为数字信号，又经数字比例积分运算器11运算后，以计算脉冲的方式再通过电机控制单片机10驱动自整角机5，调节下测弹簧S₂。

4、由图4可知，自整角机低速运转电路包括数字积分运算器11和电机控制单片机10；具体地说，自整角机低速运转电路由升压器a、计算机输出电路b、中央处理器c、步进计算单元d、电机驱动输出电路f、电机当前位置记忆单元e组成，其连接关系是：升压器a→电机驱动输出电路f；步进计算单元d→中央处理器c→计算机输出电路b→电机驱动输出电路f；电机当前记忆单元e→中央处理器c；电机驱动输出电路f→自整角机定子绕组g。

5、由图5可知，升压器a的电路由下列部件组成，其相互关系是：振荡器U1，三极管缓冲放大器T7，三极管推挽放大器T8、T9，二极管倍压检波器D10、D11，依次电气连接。

其功能是：将+5V和+12V直流供电电压，转换成+24V直流电压，提供给电机驱动输出电路f。

6、由图6可知，计算机输出电路b由四或门U2、六非门U3组成3组同样的门电路；第1组门电路U2A、U3A、U3F，第2组门电路U2B、U3B、U3E，第3组门电路U2C、U3C、U3D，每组门电路之间均按数字逻辑运算关系连接。

其功能是第1组门电路、第2组门电路、第3组门电路都是根据中央处理器c的编程输出指令，分别产生三相旋变直流脉冲信号A+A-、B+B-、C+C-，然后馈送至电机驱动输出电路f。

7、由图7可知，中央处理器c由单片机U3组成。

其功能是根据输入的重力变化进行比例积分运算；控制步进计算单元d产生相应步进数；控制计算机输出电路b产生相应步数的三相均匀旋变直流脉冲电压。

8、由图8可知，步进计算单元d由12位计数器U4组成。

其功能是根据比例积分运算结果产生相应步进脉冲数。

9、由图9可知，电机当前位置记忆单元e由静态可读写存储器U8组成。

其功能是仪器掉电或中央处理器c复位时，记忆电机当前位置，当仪器重新上电或中央处理器c重新启动程序时，将电机当前位置数据提供中央处理器c连续运算，以保证电机步进方向正确和平稳。

10、由图10可知，电机驱动输出电路f由电压缓冲放大器T1-T6和功率推挽放大器V1-V6组成3组同样的驱动电路；第1组驱动电路T1、T4、V1、V4，第2组驱动电路T2、T5、V2、V5，第3组驱动电路T3、T6、V3、V6，每组驱动电路之间均是电压缓冲放大器T1-T6分别激励功率推挽放大器V1-V6。

其功能是：第1组驱动电路输出A相驱动脉冲，第2组驱动电路输出B相驱动脉冲，第3组驱动电路输出C相驱动脉冲；A、B、C三相驱动脉冲驱动电机运转。

自整角机低速运转电路是本控制装置的核心部分，它是将一般传统的自整角机对(包括一个位于控制部分的自整角机发射机和一个位于被控对象部分的自整角机接收机，用电轴连接实现转角跟踪)改进成用数控脉冲直接驱动自整角机接收机低速运转。一般控制装置的执行电机，无论是交流还是直接伺服电机均为高速旋转型。自整角机发射机与伺服电机连接必需依靠大量的减速齿轮装置方可获得低速运转以保证整个伺服控制系统的静态和动态特性。

本控制装置省去了控制部分的自整角机发射机，将具比例积分调节规律的数字脉冲直接驱动自整机接收机低速运转，完成自动控制系统的闭环控制功能。通过数字比例积分运算，本控制装置很容易获得优良的静、动态调节特性，因而本装置的显著特性是：①只用一只自整角机而不需自整角机对就能实现角度传输、变换、指示和控制。②将自整角机从一种感应式电机的运行状态改变为转子直流激磁、定子三相直流逆变的步进电机运行状态。

本自整角机低速运转电路，改变定子电压逆变频率则可以改变转速，对逆变信号进行适当细分，则可得到需要的转角定位精度。

Claims (1)

1、一种海洋重力仪控制装置，其特征是本控制装置(B)与重力仪本体(A)组成一闭环自动调节系统，连接关系是：

摆杆机构(2)→光电检测电路(3)→数据放大器(8)→阻容滤波器(9)→模数转换器(12)→数字比例积分运算器(11)→电机控制单片机(10)→自整角机(5)→下测弹簧(S₂)→摆杆机构(2)；

数字比例积分运算器(11)、电机控制单片机(10)组成-自整角机低速运转电路，该电路由升压器(a)、计算机输出电路(b)、中央处理器(c)、步进计算单元(d)、电机驱动输出电路(f)、电机当前位置记忆单元(e)组成；其连接关系是：升压器(a)→电机驱动输出电路(f)；步进计算单元(d)→中央处理器(c)→计算机输出电路(b)→电机驱动输出电路(f)；电机当前位置记忆单元(e)→中央处理器(c)；电机输出电路→自整角机定子绕组(g)；

升压器(a)的电路由下列部件组成，其相互关系是：振荡器(U1)，三极管缓冲放大器(T7)，三极管推挽放大器(T8、T9)，二极管倍压检波器(D10、D11)，依次电气连接；

计算机输出电路(b)由四或门(U2)、六非门(U3)组成3组同样的门电路；第1组门电路(U2A、U3A、U3F)，第2组门电路(U2B、U3B、U3E)，第3组门电路(U2C、U3C、U3D)，每组门电路之间均按数字逻辑运算关系连接；

中央处理器(c)由单片机(U3)组成；

步进计算单元(d)由12位计数器(U4)组成；

电机当前位置记忆单元(e)由静态可读写存储器(U8)组成；

电机驱动输出电路(f)由电压缓冲放大器(T1-T6)和功率推挽放大器(V1-V6)组成3组同样的驱动电路；第1组驱动电路(T1、T4、V1、V4)，第2组驱动电路(T2、T5、V2、V5)，第3组驱动电路(T3、T6、V3、V6)，每组驱动电路之间均是电压缓冲放大器(T1-T6)分别激励功率推挽放大器(V1-V6)。

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