挠性陀螺仪数字控制回路关键技术研究

摘要

挠性陀螺是一种机电式陀螺仪，广泛应用于制导弹药、战车、火炮等对体积和成本有着严格限制的武器装备上。传统的挠性陀螺闭环控制回路的解调、低通陷波、滤波、校正等环节均通过模拟电路实现。这种实现方式有十分明显的缺点，当外部环境剧烈变化或陀螺剧烈运动时，由模拟电路构成的陀螺控制回路的参数会发生改变，并且控制回路中的模拟元器件性能会随着老化而逐渐下降，从而影响到整个陀螺仪的测量误差;模拟电路难以实现复杂的控制算法，而基于经典控制算法的陀螺仪控制回路一般难以满足某些有特殊使用要求的载体;模拟电路分立元件多，体积大，结构复杂，可靠性差。　　为了克服模拟电路的各种缺点，运用数字化控制技术将陀螺仪控制回路数字化。使用数字信号处理器完成挠性陀螺仪的闭环控制。以数字处理器为核心的全数字化控制回路可以大大地提高挠性陀螺仪的测量精度和可靠性。　　为了实现挠性陀螺控制回路的全数字化控制与测量，首先，深入研究了挠性陀螺仪的工作原理。运用陀螺动力学与运动学分析原理，建立了挠性陀螺及其开环传递函数与控制回路传递函数。　　挠性陀螺数字控制回路由带通滤波器、A/D和D/A转换电路、功率放大电路、数字信号处理电路、陀螺二次电源电路、陀螺信号输出电路组成。其中，带通滤波电路滤除激磁信号以外的噪声电压。使用功率放大器OPA544驱动挠性陀螺力矩器。数字信号处理电路使用TI公司浮点型的TMS320F28335作为核心控制芯片，实现陀螺信号的相敏解调，低通滤波，陷波，校正，角速率输出等功能。上述功能均由TMS320F28335的软件实现。　　在设计校正控制器时，分别使用超前校正方法和模糊自适应PID控制方法对控制回路的校正控制器进行设计，并通过Matlab的仿真分析，证明模糊自适应PID控制器相比传统的校正控制器具有更好的控制性能。　　最后，对全数字挠性陀螺控制回路进行性能指标测试，结果表明本文设计的控制回路实现了预期功能，性能指标满足系统要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外发展现状

1．2．1 国外的研究现状

1．2．2 国内的研究现状

1．3 论文主要工作及结构安排

第2章 挠性陀螺数字控制回路原理

2．1 挠性陀螺工作原理

2．2 挠性陀螺数学模型

2．3 挠性陀螺控制解耦

2．4 闭环控制回路的数学模型

2．5 本章小结

第3章 挠性陀螺数字控制回路硬件电路设计

3．1 带通滤波器

3．2 A/D与D/A转换电路

3．3 功率放大电路

3．4 数字处理电路

3．5 串口输出电路

3．6 陀螺二次电源电路

3．6．1 陀螺电机三相激磁电源的设计

3．6．2 信号器激磁电源的设计

3．6．3 整形电路的设计

3．7 本章小结

第4章 挠性陀螺数字控制回路软件设计

4．1 DSP主程序设计

4．2 CPLD程序设计

4．2．1 移相器程序设计

4．2．2 陀螺电机激磁信号产生程序设计

4．3 AD采样与数字解调设计

4．3．1 相敏角翠调

4．3．2 AD采样

4．4 数字低通滤波

4．5 数字陷波器

4．6 串口输出

4．7 本章小结

第5章 挠性陀螺仪数字控制器设计

5．1 经典数字控制器校正

5．2 模糊控制器

5．3 模糊控制器的仿真结果对比

5．4 本章小结

第6章 挠性陀螺仪数字控制回路性能测试

6．1 测试方法与测试程序

6．2 控制回路性能测试

6．2．1 零位漂移测试

6．2．2 阻尼比与带宽测试

6．2．3 动态性能测试

6．3 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