一种三轴稳定平台、全数字控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种三轴稳定平台、全数字控制系统及方法。针对现有稳定平台更小体积、更苛刻结构适应性和更高使用性能需求，首次应用光纤陀螺、光电编码器、无刷力矩电机等小型高精度惯性仪表，并采用了稳定回路计算机+高速串行总线+惯性仪表数据采集单元的集散化、数字化创新形式，大幅减小了稳定系统体积。三轴稳定平台同步时钟为频标，实现惯性数据采集、控制率计算和力矩电流传输。无刷力矩电机进行了电流矢量控制，稳定回路计算机引入了高性能数字信号处理器可完成的光纤陀螺误差补偿方法和积分延时控制策略，实现了将平台台体坐标系稳定在惯性空间方向。

A three axis stable platform, full digital control system and method

【技术实现步骤摘要】
一种三轴稳定平台、全数字控制系统及方法
本专利技术涉及一种平台式惯性导航设备的稳定控制系统，特别应用于对系统体积有严格限制的惯性导航设备，属于惯性导航领域。
技术介绍
新一代战略武器对惯性导航设备的体积、可靠性和实战化能力的要求越来越高。平台稳定系统作为实现惯性平台各项功能和指标要求的重要组成部分，其方案的合理性、技术的先进性、功能实现的灵活性以及设计的可靠性，都对惯性平台系统整体性能起着至关重要的作用。国内针对战略武器系统使用的高精度惯性平台仍然以高精度机械仪表为核心，例如液浮陀螺、气浮陀螺、静压液浮陀螺、高精度三浮陀螺。但是机械式陀螺仪技术复杂，加工难度高，寿命较短，不具备长时间热待机工作。“长寿命、小体积、高可靠、全姿态、使用便利”要求平台电气系统应减小规模、增强功能。国内现有战略武器平台稳定系统采用旋转变压器+姿态角变换电路(简称RDC电路)作为姿态角敏感元件、采用有刷电机作为执行元件，这些仪表采用电压信号进行传输，电压信号在电缆上传输存在压降，测量精度较低，并且电刷的存在降低了有刷电机的使用寿命。同时，大部分平台稳定系统主要采用模拟控制器方案，要实现越来越多、越来越复杂的功能，其电路规模势必庞大，较难满足新型武器型号的高标准要求。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种三轴稳定平台、全数字控制系统及方法，引入了光纤陀螺误差补偿方法和积分延时控制策略，提高了稳定控制精度。本专利技术的技术方案是：一种基于光纤陀螺和无刷力矩电机的三轴稳定平台，采用平台台体+三轴两框架结构设计，包括平台台体、台体轴承、台体轴光电编码器、台体轴无刷力矩电机、内环框架、内环轴承、内环轴光电编码器、内环轴无刷力矩电机、外环框架、外环轴承、外环轴光电编码器、外环轴无刷力矩电机；平台台体通过台体轴承安装在内环框架上，内环框架通过内环轴承安装在外环框架上，外环框架通过外环轴承安装于系统箱体上；台体轴承、内环轴承、外环轴承三轴安装方向相互正交，构成右手直角坐标系；三轴的正向轴承一端均安装用于测量姿态角的光电编码器，三轴的负向轴承一端均安装用于驱动框架转动的无刷力矩电机。所述平台台体包括台体光纤陀螺、内环光纤陀螺、外环光纤陀螺以及三个光纤陀螺共用的一个光源和一套光纤陀螺电路板；台体光纤陀螺安装方向与台体轴正向重合，内环光纤陀螺安装方向与内环轴正向重合，外环光纤陀螺安装方向与外环轴正向重合，即三个陀螺仪的敏感轴方向与各框架轴重合；光纤陀螺用于测量相对于光纤陀螺敏感轴的角速度。包括三轴稳定平台和平台电路组件；三轴稳定平台和平台电路之间对外数据通信电路统一为高速串行接口；三轴稳定平台完成惯性数据采集，平台电路组件为整个平台提供电源以及实现平台惯性数据预处理、导航解算和稳定控制。所述平台电路组件包括主控电路板和平台系统集成电源；其中平台系统集成电源用于供电；主控电路板包括稳定回路计算机、主控计算机和FPGA；稳定回路计算机和主控计算机分别通过独立的并行数据总线与FPGA相连，FPGA实现外设管理、串行总线通讯和对外接口控制，稳定回路计算机实现平台系统稳定控制计算，主控计算机用于控制平台本体惯性数据采集和平台系统导航解算。一种基于光纤陀螺和无刷力矩电机的三轴稳定平台全数字控制方法，步骤如下：1)以1kHz同步信号下降沿为一个控制周期起始时刻，光纤陀螺电路板锁存3路光纤陀螺数据，并向主控电路板打包发出；2)3路光电编码器也在1kHz同步信号下降沿锁存姿态角数据，主控电路板分时发送数据请求指令，被点名的光电编码器响应指令后，向主控电路板发出数据；3)3路无刷力矩电机监听光电编码器数据，根据光电编码器数据中的数据帧头辨识台体、内环、外环的姿态角数据；4)主控电路板FPGA接收到光纤陀螺数据或光电编码器数据后，置相应的数据有效标志，稳定回路计算机查询读取；5)稳定回路计算机对读取3路光纤陀螺数据进行误差补偿，并采用信号分解器将补偿后的光纤陀螺输出分解到惯性坐标系；6)稳定回路计算机中控制器采用积分延时策略，分别计算台体、内环、外环三条回路转矩电流，并在下一个同步时钟下降沿到来之前分时向3路无刷力矩电机发送电机转矩电流指令；7)无刷力矩电机对接收的转矩电流，采用矢量控制策略，生成力矩电机三相绕组电流，使无刷力矩电机产生力矩，抵消台体轴、内环轴、外环轴三个支承轴上的干扰力矩。所述步骤5)中台体光纤陀螺、内环光纤陀螺和外环光纤陀螺使用相同的光纤陀螺输出误差补偿方法，其中一个光纤陀螺的输出误差补偿方法具体步骤为：51)一步预测，即将当前时刻之前连续N个陀螺输出角速度数据乘以相应的权重来预测当前时刻n的陀螺输出方程式如下：其中，bk为权重值，ω(n-k)为当前时刻n之前第k个时刻光纤陀螺的实际角速度，为当前时刻n陀螺输出角速度估计值，k＝1，2……N，N为正整数；52)权重更新，即利用当前采集陀螺数据与预测值之间均方差最小化为目标，不断优化更新权重，其权重更新表达式如下：其中，ω(n)为当前时刻n光纤陀螺的实际角速度，e(n)表示光纤陀螺实际输出值与估计值之间误差，E(e2(n))表示误差e(n)的均方差值。所述步骤5)中信号分解器表达式如下：其中，下标y、x、z分别代表台体、内环、外环，为步骤51)中为当前时刻n陀螺输出角速度估计值，为当前时刻n分解后的角速度，θy为台体光电编码器所测姿态角。所述步骤6)的具体过程为：控制器以经过信号分解后的光纤陀螺角速度信号为输入在稳定回路在闭合时刻和初始转位时刻，控制器为一个纯比例环节，达到设定的切换时刻TL后，控制器切换为两个纯积分+两个零点+一个极点环节。台体、内环、外环控制器表达形式相同，传递函数如下：其中，为控制器的输出，即发送给无刷力矩电机的转矩电流，K1和K2为控制器比例系数，z1和z2为控制器零点，p1为控制器极点；然后采用双线性变换将连续控制器离散化，即控制器中s用去替换，Ts表示控制周期，z表示离散域下的变量算子，离散后的控制器表达式如下：其中，a0、a1、a2、a3、b0、b1、b2和b3为经离散变换后的系数；将上式整理为稳定回路计算机可执行的差分方程如下：所述步骤7)中台体无刷力矩电机、内环无刷力矩电机、外环无刷力矩电机采用相同的电流矢量控制策略，该电流矢量控制策略步骤如下：71)将来自主控电路板的转矩电流指令iq*和励磁参考电流id*＝0，与无刷力矩电机反馈电流iq和id分别求差；72)将步骤71)得到的差值分别送入转矩电流PI控制器和励磁电流PI控制器，输出电压和73)将电压和经过dq-αβ坐标变换形成电压和和经SVPWM逆变器施加给无刷力矩电机，驱动无刷力矩电机旋转，其中dq-αβ坐标变换表达式为：其中，θ为光电编码器发送来的姿态角信号；74)检测无刷力矩电机的三相驱动电流iA、iB和iC，经过abc-dq坐标变换得到反馈电流iq和id，其中abc-dq坐标变换表达式为：本专利技术与现有技术相比的优点如下：(1)采用更优化的平台稳定控制系统组成架构。采用稳定回路计算机+高速串行总线+惯性仪表数据采集单元的集散化、数字化结构，并为适应总体轻小型化要求，平台稳定控制系统中高精度惯性仪表及配套电路采用了前端就近安装的策略，并将稳定回路计算机和主控计算机合并为一块主控电路板本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤陀螺和无刷力矩电机的三轴稳定平台，采用平台台体+三轴两框架结构设计，其特征在于：包括平台台体、台体轴承、台体轴光电编码器、台体轴无刷力矩电机、内环框架、内环轴承、内环轴光电编码器、内环轴无刷力矩电机、外环框架、外环轴承、外环轴光电编码器、外环轴无刷力矩电机；平台台体通过台体轴承安装在内环框架上，内环框架通过内环轴承安装在外环框架上，外环框架通过外环轴承安装于系统箱体上；台体轴承、内环轴承、外环轴承三轴安装方向相互正交，构成右手直角坐标系；三轴的正向轴承一端均安装用于测量姿态角的光电编码器，三轴的负向轴承一端均安装用于驱动框架转动的无刷力矩电机。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤陀螺和无刷力矩电机的三轴稳定平台，采用平台台体+三轴两框架结构设计，其特征在于：包括平台台体、台体轴承、台体轴光电编码器、台体轴无刷力矩电机、内环框架、内环轴承、内环轴光电编码器、内环轴无刷力矩电机、外环框架、外环轴承、外环轴光电编码器、外环轴无刷力矩电机；平台台体通过台体轴承安装在内环框架上，内环框架通过内环轴承安装在外环框架上，外环框架通过外环轴承安装于系统箱体上；台体轴承、内环轴承、外环轴承三轴安装方向相互正交，构成右手直角坐标系；三轴的正向轴承一端均安装用于测量姿态角的光电编码器，三轴的负向轴承一端均安装用于驱动框架转动的无刷力矩电机。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤陀螺和无刷力矩电机的三轴稳定平台，其特征在于：所述平台台体包括台体光纤陀螺、内环光纤陀螺、外环光纤陀螺以及三个光纤陀螺共用的一个光源和一套光纤陀螺电路板；台体光纤陀螺安装方向与台体轴正向重合，内环光纤陀螺安装方向与内环轴正向重合，外环光纤陀螺安装方向与外环轴正向重合，即三个陀螺仪的敏感轴方向与各框架轴重合；光纤陀螺用于测量相对于光纤陀螺敏感轴的角速度。3.一种基于光纤陀螺和无刷力矩电机的三轴稳定平台全数字控制系统，其特征在于：包括三轴稳定平台和平台电路组件；三轴稳定平台和平台电路之间对外数据通信电路统一为高速串行接口；三轴稳定平台完成惯性数据采集，平台电路组件为整个平台提供电源以及实现平台惯性数据预处理、导航解算和稳定控制。4.根据权利要求3所述的一种基于光纤陀螺和无刷力矩电机的三轴稳定平台全数字控制系统，其特征在于：所述平台电路组件包括主控电路板和平台系统集成电源；其中平台系统集成电源用于供电；主控电路板包括稳定回路计算机、主控计算机和FPGA；稳定回路计算机和主控计算机分别通过独立的并行数据总线与FPGA相连，FPGA实现外设管理、串行总线通讯和对外接口控制，稳定回路计算机实现平台系统稳定控制计算，主控计算机用于控制平台本体惯性数据采集和平台系统导航解算。5.一种基于光纤陀螺和无刷力矩电机的三轴稳定平台全数字控制方法，其特征在于步骤如下：1)以1kHz同步信号下降沿为一个控制周期起始时刻，光纤陀螺电路板锁存3路光纤陀螺数据，并向主控电路板打包发出；2)3路光电编码器也在1kHz同步信号下降沿锁存姿态角数据，主控电路板分时发送数据请求指令，被点名的光电编码器响应指令后，向主控电路板发出数据；3)3路无刷力矩电机监听光电编码器数据，根据光电编码器数据中的数据帧头辨识台体、内环、外环的姿态角数据；4)主控电路板FPGA接收到光纤陀螺数据或光电编码器数据后，置相应的数据有效标志，稳定回路计算机查询读取；5)稳定回路计算机对读取3路光纤陀螺数据进行误差补偿，并采用信号分解器将补偿后的光纤陀螺输出分解到惯性坐标系；6)稳定回路计算机中控制器采用积分延时策略，分别计算台体、内环、外环三条回路转矩电流，并在下一个同步时钟下降沿到来之前分时向3路无刷力矩电机发送电机转矩电流指令；7)无刷力矩电机对接收的转矩电流，采用矢量控制策略，生成力矩电机三相绕组电流，使无刷力矩电机产生力矩，抵消台体轴、内环轴、外环轴三个支承轴上的干扰力矩。6.根据权利要求书5所述的一种基于光纤陀螺和无刷力矩电机的三轴稳定平台全数字控制方法，其特征在于：所述步骤5)中台体光纤陀螺、内环光纤陀螺和外环光纤陀螺使用相同的光纤陀螺输出误差补偿方法，其中一个光纤陀螺的输出误差补偿方法具体步骤为：51)一步预测，即将当前时刻之前连续N个陀螺输出角速度数据乘以相应的权重来预测当前时刻n的陀螺输出方程式如下：其中，bk为权重值，ω(n-k)为当前时刻n之前第k个时刻光纤陀螺的实际角速度，为当前时刻n陀螺输出角速度估计值，k＝1，2……N，N为正整数；52)权重更新，即利用当前采集陀螺数据与预测值之间均方差最小化为目标，不断优化更新权重，其权重更新表达式如下：其中，ω(n)为当前时刻n光...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭荻，闫光亚，赵友，杨晓莺，赵启坤，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11