基于DSP的陀螺加速度计伺服回路设计

　　0　引言

　　加速度计是惯性导航和惯性制导系统的基本测量元件之一,其作用是敏感、测量运载体的加速度,从而得到载体导航所必需的加速度、速度、位置等信息,因此其性能和精度直接影响导航和制导系统的精度。摆式积分陀螺加速度计(PIGA)是一种高精度的加速度计,主要用于战略武器的制导中。其主要由表头结构、伺服回路、输出电路三大部分组成。如图1所示,表头结构类似于一个二自由度的陀螺仪,与陀螺仪的区别主要是沿自转轴有一附加的偏心质量,在内、外框架之间有一条由角度传感器、放大器和力矩电机所组成的伺服控制回路。　外环轴装有变磁阻传感器,结合输出前放及输出电路将外环角度信号处理为脉冲信号输出。

　　陀螺加速度计伺服回路可以分为非线性伺服回路(继电式伺服回路)和线性伺服回路两种。继电式伺服回路在早期的低、中精度陀螺仪表中应用较多,但其自身存在严重缺陷,现已基本淘汰。线性伺服回路因控制方案的不同,可分为脉冲宽度调制法控制和线性放大控制。脉冲宽度调制法是控制功率管导通的脉冲占空比,相当于调节流经功率管的平均电流大小,从而控制其产生力矩的大小。脉冲调宽控制的技术关键在于高精度的定时脉冲源、恒流源以及极性开关,同时对时间稳定性、对称性方面的要求也很高。像德雷帕实验室的16PIGA摆式积分陀螺加速度计、贝尔公司的MESA静电加速度计都采用了脉冲再平衡回路[1]。线性放大控制采用电流反馈法,该方法是通过电流检测电路,将流经功率管的电流实时反馈和系统控制信号相比较,使其和希望的控制信号一致,从而达到控制力矩大小的目的。本文重点研究脉宽调制控制的线性伺服回路(在下文中简称伺服回路)的改进问题。

1　方案的提出

　　图2为陀螺加速度计伺服回路的组成。其中,角度信号传感器和力矩电机分别安装在仪表的内环轴和外环轴上,考虑到噪声等的影响,一般将前置变换放大电路也安装在仪表的壳体上。而由校正网络及功率驱动电路组成的伺服电路一般跟其它器件安装在壳体外。

　　目前,伺服电路主要是用模拟电路实现,这种常规的控制方式具有精度较高、技术成熟、易于实现、实时性好等优点,但其缺点也很明显:①组成校正环节的电阻电容等元器件的特性易受环境条件影响、难以实现复杂的控制规律。对于加速度计这样高精度的仪表来说,其性能在很大程度上依赖于伺服电路。因此,一旦由于电阻、电容值的漂移引起校正环节参数的变化,将会直接影响到整个仪表的性能。②陀螺加速度计在导弹(火箭)的整个飞行过程中,其工作环境是复杂多变的,常规的控制方案有时难以满足其性能的要求。随着现代控制理论的日渐成熟以及微电子技术的飞速发展,在陀螺仪加速度计上采用数字控制以实现复杂控制规律成为了可能。③模拟控制回路完全依靠硬件实现,升级换代比较困难,尤其像导弹武器系统,更新换代更难。采用软硬件相结合的方法设计,无疑为系统的今后升级提供了极大的冗余度。④模拟回路集成体积比较大,像气浮陀螺加速度计的伺服回路集成在一个很大的电子箱内,显然其体积和重量都极大的制约了其发展。