陀螺仪全数字再平衡回路的设计与实现

摘要

陀螺仪是惯性导航系统中的重要测量元件，它敏感运动物体相对于惯性空间的角运动，被广泛应用于航天、航空和航海等领域，其性能的好坏在整个系统中起着关键性的作用。液浮陀螺仪是目前应用最广泛的陀螺之一，再平衡回路与陀螺仪一起构成了角速度测量装置，因此设计高精度的再平衡回路具有十分重要的意义。本课题首先以陀螺动力学原理和运动学分析原理为理论工具，以实现控制系统数字化为目的，明确了陀螺仪输入角、输出角的物理含义，推导了陀螺仪开环传递函数模型并进行了频谱分析；阅读了大量的文献后，分析了模拟再平衡回路和数字再平衡回路的特点，比较了两者的优劣，结合本课题陀螺仪结构性能特点，确定了二元调脉冲宽为再平衡回路的施矩方案。本文主要内容包括： 分析了自抗扰控制器的相关内容，结合自抗扰控制系统结构框图，给出了跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性校正的功能描述，并分析了跟踪微分器、非线性校正和扩张状态观测器数学描述中各参数的特点；设计了基于自抗扰控制方法的陀螺再平衡回路，主要包括：设计了再平衡回路自抗扰控制器的结构，整定了自抗扰控制器的各个参数。仿真结果表明：自抗扰控制方法具有很好的控制效果；针对液浮陀螺仪再平衡回路信号的频谱特点，应用欠采样技术对再平衡回路的信号进行采样处理，设计出无限冲击响应二阶巴特沃斯低通滤波器，经过matlab仿真实验，证明欠采样方法对再平衡回路信号处理的切实可行；以TI公司TMS320F2812DSP作为硬件电路核心，设计了数字脉冲再平衡回路，通过DSP控制A/D采样陀螺仪信号器，并实现数字ADRC控制，最后以二元脉冲调宽给陀螺仪施加恢复力矩，迫使陀螺仪绕输入轴进动。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1课题的背景来源及目的意义

1.2平台式惯性导航及相关技术

1.1.1惯性技术的概念

1.1.2平台式惯性导航系统

1.3再平衡回路的发展及现状

1.4课题的研究内容及章节安排

第2章单自由度液浮陀螺仪再平衡回路的研究与设计

2.1液浮陀螺仪的工作原理和运动方程

2.1.1单自由度陀螺仪的运动描述

2.1.2单自由度陀螺的运动方程

2.1.3力反馈速率陀螺的工作原理和传递函数

2.2再平衡回路方案的研究与选择

2.2.1再平衡理论

2.2.2数字再平衡回路施矩方式的研究与选取

2.2.3再平衡回路系统框图

2.3系统采样频率的研究分析与选择

2.3.1奈奎斯特采样理论分析

2.3.2欠采样理论分析及其在再平衡回路中的应用

2.4滤波器的选择与使用

2.5本章小结

第3章控制方案的分析与选择

3.1传统PID控制的结构及优缺点

3.2再平衡回路自抗扰控制器的研究与设计

3.2.1自抗扰控制基本理论

3.2.2自抗扰控制系统设计方法

3.2.3再平衡回路的ADRC设计

3.2.4自抗扰控制器参数整定方法

3.2.5仿真结果及分析

3.3本章小结

第4章再平衡回路的硬件电路设计

4.1再平衡回路的整体设计方案

4.2 DSP最小系统的设计

4.2.1系统电源的设计

4.2.2时钟电路的设计

4.2.3复位电路的设计

4.2.4存储器扩展电路的设计

4.2.5 DSP与JTAG接口设计

4.3滤波电路的设计

4.4 A/D采样电路的设计

4.5A/D芯片与数字信号处理器接口电路的设计

4.6力矩电流发生器设计

4.6.1恒流源结构分析

4.6.2恒流源的设计

4.6.3极性开关电路的设计

4.7与导航计算机接口电路的设计

4.8本章小结

第5章系统的软件设计

5.1 DSP开发系统简介

5.2系统软件的实现

5.2.1系统的初始化

5.2.2 A/D采样

5.2.3低通滤波器

5.2.4 ADRC控制算法

5.2.5 PWM波形生成

5.3系统的调试与实验

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢