陀螺/加速度计稳定环在“动中通”伺服系统中的应用

摘要

针对机载卫星通信天线对中系统隔离载体姿态变化、稳定跟踪的技术要求，设计了一种小型机载定向天线伺服分机。随着飞机在空中的姿态变化，惯性导航系统每20ms对伺服分机天线进行一次姿态校正，为了补偿两次上位机指令间隔中飞机姿态变化的扰动，提出了基于三轴陀螺和加速度计的稳定回路跟踪控制方法。该方法在传统伺服系统电流环、速度环和位置环的反馈回路中增加了负载速度前馈补偿和稳定回路位置校正环节。稳定回路利用转台自身的陀螺和加速度计的测量数据融合、稳定跟踪修正的原理隔离飞机姿态变化对卫星跟踪精度的影响。
　　通过对伺服分机组成及工作原理的总体设计，电机及其他结构器件的选型参数进行详细计算，得到完整的伺服分机实物模型。控制系统采用PID算法实现电流环、速度环和位置环调节器的设计，在Matlab中建立伺服分机系统的仿真模型。根据伺服分机动态性能指标的要求，对系统进行阶跃响应、动态跟踪响应、斜坡响应、角速度/加速度、稳定回路隔离度等性能的仿真，结果验证了伺服分机满足设计要求。
　　根据伺服分机的功能需求，以无刷直流电机作为驱动电机，基于32位高性能、高可靠性Soc系列CPU设计了BLDC驱动板和控制板硬件电路。此外，对伺服分机待机、角度预置、搜索、跟踪等工作模式和稳定回路的控制算法进行研究。对陀螺仪和加速度计的测量噪声信号用卡尔曼滤波技术进行估计和误差补偿，有效地提高了系统对姿态扰动的隔离度。调试结果表明，伺服稳定系统的响应时间小于200ms，动态跟踪误差小于0.1°，隔离度高于97％，具有较高的跟踪精度。能够满足工业应用中天线定位、指令跟踪和抗外界干扰的稳定跟踪控制要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第2章 伺服分机的系统研究

2．1 伺服分机系统概述

2．2 机械系统设计方案

2．2．1 总体结构

2．2．2 运动机构实现原理

2．3 稳定回路设计

2．3．1 稳定回路原理

2．3．2 卡尔曼滤波

2．4 系统功能及性能需求

2．4．1 运动模式

2．4．2 性能要求

第3章 控制系统模型建立与仿真

3．1 无刷直流电机原理与控制策略

3．1．1 电机结构和工作原理

3．1．2 电机数学模型

3．1．3 电机控制策略

3．2 控制系统仿真模型的建立

3．2．1 控制系统分析

3．2．2 各单元仿真模型

3．2．3 系统仿真模型

3．3 控制系统动态性能分析

3．3．1 方位运动分析

3．3．2 俯仰运动分析

第4章 控制系统硬件实现

4．1 硬件整体结构

4．2 硬件电路设计

4．2．1 运动控制单元

4．2．2 硬件电路组成模块

4．3 控制板硬件实物

第5章 控制系统软件实现

5．1 软件需求分析

5．2 软件实现

第6章 实现与验证

6．1 上位机调试系统

6．2 实物验证平台

6．3 指标验证

6．3．1 运动角度精度检测

6．3．2 动态性能检测

6．3．3 稳定跟踪测试

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文