慣性平臺防倒臺保護電路設計

慣性平臺是運載火箭等航天飛行器制導與控制系統中的核心部件。其作用是為飛行器建立方位和姿態(tài)基準，同時(shí)測量飛行器相對慣性空間運動(dòng)的角度、角速度、速度和加速度。慣性?xún)x器的可靠性直接關(guān)系飛行器的可靠性。
慣性平臺是提供空間慣性坐標系基準，是通過(guò)平臺穩定回路實(shí)現的。其由3條穩定回路組成平臺穩定系統，系統原理如圖1所示。以平臺X軸為例，X軸受干擾力矩時(shí)，臺體偏離X軸慣性基準。此時(shí)X陀螺敏感臺體偏離角度，輸出電信號，經(jīng)前置放大器、變換放大器等電子線(xiàn)路，傳遞為直流信號輸入到X軸平臺力矩電機。力矩電機產(chǎn)生電磁力矩，抵消干擾力矩，使臺體穩定在慣性空間。

外部環(huán)境過(guò)載或穩定回路的某一環(huán)節發(fā)生故障，都可使系統不穩定發(fā)散或開(kāi)環(huán)，引起環(huán)架(常平架)伺服電機單向驅動(dòng)的現象，當事故發(fā)生時(shí)，對有限姿態(tài)角慣性平臺來(lái)說(shuō)，平臺環(huán)架會(huì )從原來(lái)(慣性空間)穩定位置向某一邊快速轉動(dòng)倒下，直至碰到另一個(gè)環(huán)架的止擋銷(xiāo)為止。對全姿態(tài)慣性平臺來(lái)說(shuō)，平臺環(huán)架會(huì )從原來(lái)(慣性空間)穩定位置向某一邊快速轉動(dòng)倒下，如果不及時(shí)切斷系統電源，平臺環(huán)架會(huì )連續不斷地轉下去。由于慣性平臺上環(huán)架和陀螺具有的交耦性，在大速率情況下，一個(gè)環(huán)架伺服回路的快速倒環(huán)，會(huì )引起其它各環(huán)架伺服回路的同時(shí)倒環(huán)，這就是平臺的倒臺。它的結果，不但造成慣性平臺上的陀螺、加速度計等儀表的損壞，而且會(huì )造成平臺內部連接導線(xiàn)的損壞，是一種致命性的故障。
平臺倒臺在試驗中也是不可避免的事件，除了平臺力矩馬達線(xiàn)圈開(kāi)路或是其供電電源開(kāi)路外，在平臺伺服回路中任意點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，均會(huì )導致平臺的倒臺。為了避免倒臺帶來(lái)的損失，人們正在設法防止或減少倒臺的發(fā)生，設計硬件防倒臺保護電路無(wú)疑是一種可靠、有效的平臺保護手段。

1 保護原理
平臺姿態(tài)角測量系統通常是由粗、精雙通道組成的測角系統。粗通道完成>1°的角度測量，精通道對1°以?xún)鹊慕嵌冗M(jìn)行精測，測量精度可以達到角秒級，絕對角度由粗測值和精測值經(jīng)適當組合得到，也就是粗、精耦合。設計平臺防倒臺保護電路，需實(shí)時(shí)測量平臺姿態(tài)角。因為平臺發(fā)生倒臺時(shí)，平臺的角速度較高，因此只需實(shí)時(shí)測量、計算粗通道的姿態(tài)角測量值即可。

某型平臺粗通道測角系統由一對極旋轉變壓器組成。采用轉子單相激磁，定子兩相輸出，如圖2所示。當特定頻率的正弦電壓UC加在轉子繞組C上時(shí)，在定子繞組A、B分別產(chǎn)生感應電勢EA和EB。在負載阻抗足夠大時(shí)，可以認為繞組A、B的端電壓UA和UB分別等于感應電勢EA、EB，即UA=EA，UB=EB。于是有

式中，UM為UC的幅值；UAM為UA的幅值；UAM=KA·UM，UBM為UB的幅值；UBM=KB·UM；KA，KB為A、B兩繞組的電壓傳輸系數；θ為定子、轉子繞組間相對機械角；φA、φB為A、B兩相電壓的初相角；ω1為2πf1，f1為激磁電源頻率。
設旋轉變壓器為理想的，則有KA=KB=Ke1，于是

則UA和UB是兩個(gè)幅值隨轉角θ做正弦和余弦變化的正弦波電壓。UA和UB經(jīng)幅相變換電路、鑒零電路后以及輸出電路，最后輸出為開(kāi)關(guān)門(mén)脈沖信號。姿態(tài)角的大小是通過(guò)平臺姿態(tài)角測量系統粗通道發(fā)出的開(kāi)關(guān)門(mén)信號的時(shí)間間隔來(lái)判斷的。保護電路需根據3個(gè)姿態(tài)角粗通道開(kāi)關(guān)門(mén)信號的間隔，計算出角度和角速度，當角速度超過(guò)設定值時(shí)，則切斷平臺回路電源，使平臺不飛轉，保護平臺儀表。