动力调谐陀螺仪数字再平衡回路的设计

摘要

陀螺仪是惯性导航系统中的重要测量元件，其性能的好坏在整个系统中起着关键性的作用。动力调谐陀螺仪(Dynamically Tuned Gyroscope)是采用挠性接头支撑转子的二自由度陀螺仪，用于敏感载体的角速度。动力调谐陀螺仪具有的中高精度、成本低廉的特点，使其在导弹、航空、航天、航海等军事和民用领域被广泛使用，是目前应用最广泛的陀螺之一。
　　 陀螺仪使用时需要再平衡回路的配合，两者一起实现角速度测量功能，因此设计高精度的再平衡回路具有非常重要的意义。本文通过分析模拟再平衡回路和数字再平衡回路的特点以及对比两者的优劣。为了克服模拟再平衡回路在控制补偿和温度补偿方面的不足，提高再平衡回路的动静态品质指标，实现更高的可靠性和抗干扰性，研究了再平衡回路的数字化控制和实现方法。本文主要内容包括：
　　 1.详细介绍动力调谐陀螺仪的结构和工作原理。然后，推导出陀螺仪的动力学模型及其开环传递函数模型，研究陀螺仪的耦合情况，推导了再平衡回路的解耦控制模型，利用对角阵解耦法推导出控制解耦矩阵。
　　 2.实现陀螺仪模型解耦的基础上，利用经典的频域控制理论和设计方法对动力调谐陀螺仪再平衡回路的控制器进行了设计。为了提高系统的动态响应特性，设计了最小拍控制器，并进行了MATLAB系统仿真验证，从而实现了时间最优控制。
　　 3.充分考虑采样频率选择、减小量化误差、提高分辨率以及回路增益的选择与分配等约束条件，设计并实现了动力调谐陀螺数字控制系统，包括前置放大、相敏解调、滤波、A/D、D/A电路设计以及选择TMS320F2812DSP作为数字控制器实现基础的数字电路设计，通过DSP控制A/D转换电路的采样和D/A输出实现陀螺进动。
　　 4.在硬件平台构架的基础上，设计了系统控制软件的结构及程序流程，设计了中断方式A/D采集数据程序，并调试通过。最后进行了整个系统的性能测试。