基于Elmo數字伺服控制器的機載吊艙陀螺穩定平臺設計

在民用市場(chǎng)，國內現有的機載吊艙陀螺穩定系統大多采用模擬伺服控制器，存在多方面的缺陷，比如：體積大，笨重，容易產(chǎn)生漂移，不易調整，伺服控制效果不好，無(wú)法實(shí)現數字通信等，因此無(wú)法采用諸如FPGA這樣的芯片去處理運動(dòng)信號，成了性能無(wú)法提升的瓶頸，不能很好地滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。
Elmo公司的Whistle系列數字伺服控制器，體積小、重量輕、提供數字輸入與輸出接口，提供RS232與CAN總線(xiàn)2種通信方式，可編程。采用Elmo Whistle數字伺服控制器，通過(guò)編程，僅需設計相對簡(jiǎn)單的一部分外圍電路，就能實(shí)現很復雜的功能，體現出極大的優(yōu)越性。但目前國內應用這一控制器來(lái)實(shí)現機載吊艙陀螺穩定平臺的廠(chǎng)家比較少，因此可以借鑒的經(jīng)驗非常有限。本文通過(guò)仔細研讀Elmo相關(guān)文檔，設計出了符合性能指標的機載陀螺穩定平臺。

1 吊艙及陀螺穩定平臺
吊艙是指懸掛在運動(dòng)載體(如飛機、船舶)外的艙體有效載荷容器裝置。它的作用主要是隔離載機的姿態(tài)變化和機械振動(dòng)對光電傳感器指向的影響。吊艙系統由陀螺穩定平臺伺服平臺、電視跟蹤系統、座艙顯示和控制系統、紅外測量系統、激光測距儀和GPS定位于測距數據鏈系統、數據采集和記錄系統、吊艙環(huán)控系統等7部分組成。
陀螺穩定平臺系統主要用于穩定機載吊艙上TV和紅外攝像機的視軸穩定，消除直升飛機飛行過(guò)程中由于搖擺帶來(lái)的干擾力矩。這里設計的平臺屬于二軸四框架系統，分為方位軸和俯仰軸。在每一個(gè)軸上安裝一個(gè)單自由度的光纖陀螺，用來(lái)感應干擾力矩。陀螺輸出信號經(jīng)過(guò)放大濾波后，送到Elmo伺服控制器，由控制器智能處理陀螺信號。信號處理完畢之后，由控制器的輸出部分，驅動(dòng)直流伺服電機，實(shí)現整個(gè)系統的穩定。

2 穩定平臺設計
2．1 系統總體設計框圖
此文設計的陀螺穩定平臺主要是要保證各個(gè)光傳感器的視軸穩定。結合整個(gè)吊艙系統，主要是實(shí)現以下6個(gè)功能：
1)現吊艙的穩定控制；2)實(shí)現吊艙的運動(dòng)控制；3)限位信號輸入；4)錯誤指示電路；5)LOCK電路；6)串口通信。
圖l為系統總體設計框圖。

2．2 硬件電路設計
2．2．1 陀螺信號處理電路
由于俄羅斯的Fizoptika VG94l-3AS光纖陀螺輸出信號非常微弱，輸出比例因子只有3．3 mV／deg／s。對于這么微弱的信號，必須要先進(jìn)行小信號的放大電路處理，才能傳送到Elmo伺服控制器，進(jìn)行下一步的處理。這里要說(shuō)明的一點(diǎn)是，并沒(méi)有對陀螺輸出信號進(jìn)行濾波處理，原因在于Elmo伺服控制內部已經(jīng)有了數字濾波電路，可以在調試時(shí)進(jìn)行相關(guān)設置，以達到濾波目的。
Elmo數字伺服控制器原本有2個(gè)模擬輸入口的，可直接將光纖陀螺的輸出信號接入數字伺服控制器，但由于陀螺的隨機漂移大，基本無(wú)規律可以遵循，每次開(kāi)機，給陀螺供電時(shí)，陀螺的隨機輸出是不一樣的。所以，應設計陀螺信號處理電路，一方面可以將陀螺的輸出信號按一定比例的放大，然后輸入到Elmo數字伺服控制中，減少程序中的比例因子，進(jìn)而減少Elmo數字伺服控制器內部的噪聲對整個(gè)系統的影響，另一方面通過(guò)外接一只可調電阻，實(shí)現每次開(kāi)機的漂移量補償，從而使吊艙保持平穩狀態(tài)。
Fizoptika VG941-3A光纖陀螺在載體靜止時(shí)，輸出電壓為2．5 V。因此要保證載體靜止時(shí)，輸入到Elmo數字伺服控制模擬輸入口的電壓為0 V，必須用一個(gè)精準電壓芯片產(chǎn)生2．5 V的電壓，通過(guò)放大器4558實(shí)現一個(gè)減法電路。在該減法電路中，用REF02CZ產(chǎn)生5 V的電壓，然后通過(guò)電阻分壓得到2．5 V基準電壓。圖2為陀螺信號處理電路(減法電路)原理圖。

2．2．2 電源電路設計
這里的電源電路設計主要的目的是給各芯片提供基準電壓。TSMl212D用于產(chǎn)生±12 V基準電源，給放大器4558和REF02CZ提供基準電壓，而REF02CZ用于產(chǎn)生+5 V基準電壓，給放大器提供參考電壓。圖3為電源電路原理圖。