王國臣，袁保倫，饒谷音，韓松來

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410073）

激光陀螺雙軸旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)高精度轉(zhuǎn)動控制的設(shè)計與實現(xiàn)

王國臣，袁保倫，饒谷音，韓松來

（國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410073）

為實現(xiàn)高精度激光陀螺雙軸旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)，通過理論分析，設(shè)計實現(xiàn)了雙軸旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)所需的高精度轉(zhuǎn)動控制方案。所設(shè)計的轉(zhuǎn)動方案在實際旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)樣機(jī)上進(jìn)行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的轉(zhuǎn)動控制系統(tǒng)速率偏差優(yōu)于2×10-5(°)/s，速率平穩(wěn)度優(yōu)于10-4，速率峰值波動優(yōu)于3×10-3(°)/s，峰值定位誤差優(yōu)于0.001°。所設(shè)計的轉(zhuǎn)動控制電路控制精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，很好地滿足了研制激光陀螺雙軸旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)樣機(jī)的需求。

激光陀螺；慣性導(dǎo)航；雙軸旋轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)動控制；PID

激光陀螺旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)[1-6]是在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)[7-11]的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是在激光陀螺慣性測量組合（IMU）外面加上轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)和測角裝置，并以此控制IMU按照一定的次序旋轉(zhuǎn)，從而使激光陀螺和加速度計的漂移對導(dǎo)航所產(chǎn)生的誤差能夠在一個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)自動抵消，最終提高系統(tǒng)導(dǎo)航精度。

對于雙軸旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)來說，為了完全自動補(bǔ)償慣性元件常值漂移誤差，從而達(dá)到高精度的慣性導(dǎo)航要求，必須實時控制IMU嚴(yán)格按照系統(tǒng)計算結(jié)果精確轉(zhuǎn)動，否則不但可能會直接使系統(tǒng)的導(dǎo)航精度下降，而且會影響系統(tǒng)自標(biāo)定及初始對準(zhǔn)的精度和時間，從而間接影響系統(tǒng)的整體性能。因此，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的高精度控制技術(shù)是雙軸系統(tǒng)的一項重要技術(shù)。

1 旋轉(zhuǎn)控制方案的硬件實現(xiàn)

1.1 旋轉(zhuǎn)控制部分的系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)控制部分主要由通用計算機(jī)、外部導(dǎo)航計算機(jī)、電機(jī)控制電路（包含轉(zhuǎn)動控制電路和功率驅(qū)動模塊）、直流力矩電機(jī)、光柵角編碼器組成。直流力矩電機(jī)安裝在內(nèi)、外軸系內(nèi)，IMU的所有信息通過安裝在內(nèi)、外軸系中的導(dǎo)電滑環(huán)與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。外部導(dǎo)航計算機(jī)則讀取測角元件的角位置信息、計算載體的姿態(tài)信息，并向電機(jī)控制電路發(fā)控制指令，電機(jī)控制電路根據(jù)指令驅(qū)動直流力矩電機(jī)拖動IMU轉(zhuǎn)動。如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)動控制部分系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the rotating scheme

1.2 轉(zhuǎn)動控制電路的硬件實現(xiàn)

旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)電機(jī)控制電路的功能是接收導(dǎo)航計算機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動控制指令，然后根據(jù)此控制指令產(chǎn)生與之相適應(yīng)的電流驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。電機(jī)控制電路由轉(zhuǎn)動控制電路和功率驅(qū)動模塊等功能模塊組成。

為實現(xiàn)上述電機(jī)控制電路的功能，轉(zhuǎn)動控制電路根據(jù)實際的需要采用TI公司的數(shù)字信號控制器TMS320LF2812來完成，轉(zhuǎn)動控制電路與外部導(dǎo)航計算機(jī)之間采用隔離的串口通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，采用高精度的D/A與SMA5005匹配使用以確定輸出給電機(jī)電流的大小，利用DSP通用I/O口對SMA5005進(jìn)行其他必要控制如輸出禁止等。另外，為保護(hù)電機(jī)不因過大的電流而損壞，過流保護(hù)電路也集成在轉(zhuǎn)動控制板上。

需要說明的是，轉(zhuǎn)動控制電路自身可以直接對光柵角編碼器的輸出脈沖進(jìn)行計數(shù)，從而獨立完成對系統(tǒng)兩個軸的轉(zhuǎn)動控制。但實際系統(tǒng)中，控制軟件由外部導(dǎo)航計算機(jī)完成，轉(zhuǎn)動控制電路只接收控制指令并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的D/A值，驅(qū)動SMA5005輸出，完成對電機(jī)的控制

1.3 控制電機(jī)的選擇

直流力矩電機(jī)是為滿足低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩負(fù)載的需要而設(shè)計制造的電動機(jī)。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)在選擇直流力矩電動機(jī)時，首先要確定電動機(jī)軸上所帶的負(fù)載，然后再根據(jù)速度-轉(zhuǎn)矩特性分析電動機(jī)的靜態(tài)和動態(tài)轉(zhuǎn)矩特性是否滿足系統(tǒng)要求。電機(jī)軸上所帶負(fù)載可分為負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動慣量，一般應(yīng)考慮到轉(zhuǎn)矩平衡和慣量匹配。對于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)來說，在嚴(yán)格配平之后，僅需要考慮系統(tǒng)軸承、電刷、滑環(huán)的摩擦力產(chǎn)生的力矩和系統(tǒng)沿轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。除此之外，還應(yīng)考慮到電機(jī)的內(nèi)外徑尺寸大小是否合適等因素。最后，外環(huán)電機(jī)和內(nèi)環(huán)電機(jī)分別選用成都微精電機(jī)股份公司型號為J130LYX01和 J115LYX01的分裝式直流力矩電動機(jī)。

1.4 測角元件的選擇

測角元件可以選用旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、角度編碼器（圓光柵）等器件來實現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器輸出的均是模擬電壓信號，需要另加精密的轉(zhuǎn)換電路才能將其輸出轉(zhuǎn)化為數(shù)字角度。角度編碼器是利用測量圓光柵所產(chǎn)生的莫爾條紋的方法來測量所轉(zhuǎn)動的角度，可以直接輸出數(shù)字角度脈沖信號，經(jīng)過簡單的鑒相計數(shù)即可以得到轉(zhuǎn)子相對定子轉(zhuǎn)過的角度。三者各有優(yōu)缺點，就其可靠性而言，旋轉(zhuǎn)變壓器和感應(yīng)同步器對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，在慣導(dǎo)產(chǎn)品中應(yīng)用較多，而角度編碼器使用方便，近年來在慣導(dǎo)產(chǎn)品中的應(yīng)用有所增長。

系統(tǒng)實際選用Renishaw公司的光柵角編碼器RESM20USA075，光柵環(huán)直徑為75 mm，柵距為20 μm，細(xì)分卡型號為Si-NN-0100，分辨率為0.2 μm，每圈輸出1184000 個脈沖，角度分辨率約為1.0946''，刻度誤差優(yōu)于±2.75″，系統(tǒng)誤差優(yōu)于±2.97″。

2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制方案的軟件實現(xiàn)

2.1 控制方案的確定

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)轉(zhuǎn)動控制設(shè)計的主要性能指標(biāo)為位置精度、速率精度和速率平穩(wěn)度。另外，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)停的轉(zhuǎn)位方式，因此實際系統(tǒng)運(yùn)行中主要有靜止和旋轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動狀態(tài)。為使系統(tǒng)具有良好的調(diào)速性能必須采用閉環(huán)調(diào)節(jié)，設(shè)計良好的調(diào)節(jié)器進(jìn)行校正。工程上一般采用位置環(huán)+速度環(huán)的控制方式或者“位置環(huán)+速度環(huán)+電流環(huán)”的控制方式來設(shè)計。速度環(huán)控制器的主要作用是減小位置調(diào)節(jié)過程中的振蕩和超調(diào)，電流環(huán)控制器的作用是減小力矩波動，改善動態(tài)響應(yīng)的快速性。根據(jù)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的實際情況和所選功率驅(qū)動模塊的特點，實際系統(tǒng)中位置環(huán)和速度環(huán)控制由電機(jī)轉(zhuǎn)動控制電路來完成，電流環(huán)控制則由功率驅(qū)動模塊SMA5005自動完成。

旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)角位置給定量（該值由外部導(dǎo)航計算機(jī)根據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)位方案自動產(chǎn)生）作為整個控制環(huán)路的輸入信號，與實際的位置反饋信號一起對電機(jī)進(jìn)行位置環(huán)和速度環(huán)控制；電流環(huán)的控制由SMA5005硬件上自動實現(xiàn)，軟件上無需對其進(jìn)行干預(yù)。閉環(huán)控制框圖如圖2所示。

圖2 控制方式框圖Fig.2 Block diagram of the control method

2.2 控制軟件流程

系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動控制在停止期間和勻速轉(zhuǎn)動期間采用PID控制算法；在轉(zhuǎn)停狀態(tài)變換過程中，為減小位置的超調(diào)引入加速度控制，系統(tǒng)從靜止到勻速轉(zhuǎn)動以及從勻速轉(zhuǎn)動到靜止的狀態(tài)變換過程為勻角加速度運(yùn)動。外部導(dǎo)航計算機(jī)的控制軟件流程如圖3所示，另外轉(zhuǎn)動控制電路內(nèi)的軟件流程不再贅述。

圖3 控制軟件流程圖Fig.3 Flowchart of the control software

3 旋轉(zhuǎn)控制的實測性能

對于旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)來說，內(nèi)軸和外軸是交替轉(zhuǎn)停的。因此測試時按照內(nèi)外軸交替的順序進(jìn)行，主要測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)動的速度性能和位置定位精度。

3.1 速度性能測試

系統(tǒng)所用光柵角編碼器的分辨率為1.0946″，為降低由于光柵角編碼器分辨率有限帶來的測速誤差，測試中使用1 s作為采用時間，這樣光柵角編碼器對測速的影響可降低到約0.0006 (°)/s。采用測量100 s數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差除以平均值作為評價速率平穩(wěn)性的指標(biāo)，采用100 s數(shù)據(jù)的平均值與設(shè)置轉(zhuǎn)速的差值作為角速度偏差。圖4是測試數(shù)據(jù)中的部分細(xì)節(jié)圖。表1為10 (°)/s和20 (°)/s時的內(nèi)外軸測試性能。

從圖4和表1可以看出，內(nèi)外軸轉(zhuǎn)動均基本平穩(wěn)，速率偏差優(yōu)于2×10-5(°)/s，速率平穩(wěn)度優(yōu)于410-，速率峰值波動優(yōu)于3×10-3(°)/s；同時還可以看出，內(nèi)軸轉(zhuǎn)動性能相比較外軸而言略差，這是因為圖中數(shù)據(jù)是內(nèi)外軸同時控制得到的，外軸對內(nèi)軸的干擾較之內(nèi)軸對外軸的干擾要大，因此內(nèi)軸的控制性能比外軸要略差。對旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)來說，載體輸出姿態(tài)的精度直接受轉(zhuǎn)動波動的影響，因此轉(zhuǎn)動控制還要保證姿態(tài)解算周期間隔內(nèi)的平穩(wěn)度。圖5為間隔1 ms的內(nèi)外軸實測輸出脈沖數(shù)，10 (°)/s和20 (°)/s對應(yīng)的1 ms脈沖數(shù)分別為32.889和65.778，理想情況輸出脈沖數(shù)應(yīng)在（32, 33）和（65, 66）范圍波動，而實際的波動范圍是（32, 34）和（65, 67），也就是說控制引入了1個脈沖的波動，相當(dāng)于1.0946″，應(yīng)該說速率控制還是不錯的。

圖4 轉(zhuǎn)速分別為10 (°)/s和20 (°)/s時的內(nèi)外軸實測轉(zhuǎn)速細(xì)節(jié)Fig.4 Detail curves for inner and outer axes at 10 (°)/s, 20 (°)/s

表1 轉(zhuǎn)速為10 (°)/s和20 (°)/s時的內(nèi)外軸實測數(shù)據(jù)Tab.1 Test data for inner and outer axes at 10 (°)/s, 20 (°)/s

圖5 間隔1 ms的內(nèi)外軸實測輸出脈沖數(shù)Fig.5 Output pulse number for inner and outer at 1 ms interval

3.2 位置性能測試

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)提高系統(tǒng)精度的核心就是對稱相消，以消除系統(tǒng)的絕大部分誤差。系統(tǒng)正反轉(zhuǎn)如果無法回到原來位置顯然會對導(dǎo)航精度有一定的影響，因此旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動控制的一個重要指標(biāo)是位置的準(zhǔn)確性。圖6為轉(zhuǎn)速分別為10 (°)/s、20 (°)/s、30 (°)/s和40 (°)/s時的內(nèi)外軸180°正反轉(zhuǎn)實測位置曲線。

采用測試時間內(nèi)180°位置輸出的最大值與0°位置輸出的最小值之差再減去180°作為內(nèi)外軸的峰值定位誤差，計算結(jié)果如表2所示?？梢娤到y(tǒng)周期性轉(zhuǎn)動的峰值定位誤差0.001°，已滿足系統(tǒng)的要求。

圖6 轉(zhuǎn)速分別為10 (°)/s、20 (°)/s、3 (°)/s和4 (°)/s時的內(nèi)外軸180°正反轉(zhuǎn)實測位置Fig.6 Position curves at 10 (°)/s, 20 (°)/s, 30 (°)/s, 40 (°)/s for 180° forward & reverse rotating

表2 轉(zhuǎn)速分別為10 (°)/s, 20 (°)/s, 30 (°)/s, 40 (°)/s 時的內(nèi)外軸180°正反轉(zhuǎn)實測位置誤差Tab.2 Position errors at 10 (°)/s, 20 (°)/s, 30 (°)/s, 40 (°)/s for 180° forward & reverse rotating

4 旋轉(zhuǎn)控制的一些思考

本文的旋轉(zhuǎn)控制是以系統(tǒng)內(nèi)、外軸角光柵編碼器輸出的角位置變化來控制IMU 旋轉(zhuǎn)的。如果需要隔離載體的角運(yùn)動，則可以根據(jù)導(dǎo)航解算出的姿態(tài)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)動控制，但控制系統(tǒng)的控制精度是不受影響的。

5 結(jié)束語

本文詳細(xì)闡述了激光陀螺旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動控制方案的設(shè)計與實現(xiàn)。所設(shè)計的轉(zhuǎn)動控制電路速度、位置控制精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，很好地滿足了研制激光陀螺旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)樣機(jī)的需求。

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High-precision rotating scheme for laser gyroscope dual-axis rotating inertial navigation system

WANG Guo-chen, YUAN Bao-lun, RAO Gu-yin, HAN Song-lai
(College of Optical Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

To realize high-precision laser gyroscope dual-axis rotating inertial navigation systems(INS), a high-precision rotating scheme for the INS is put forward through theoretical analysis. Then the rotating scheme system is tested in the actual dual-axis rotating INS. Tests results show that: the speed deviation is superior to 2×10-5(°)/s, the speed accuracy is superior to10-4, the maximum speed error is superior to 3×10-3(°)/s, and the maximum position error is superior to 0.001°. The rotating scheme’s circuit has such advantages as high-precision, high stability and reliability. The designed rotating scheme system meets the demands for developing the laser gyroscope dual-axis rotating INS.

ring laser gyroscope; inertial navigation; dual-axis rotating; rotating scheme; PID

U666.1

A

1005-6734(2015)04-0438-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2015.04.004

2015-02-27；

2015-06-25

國家自然科學(xué)基金（61104199，61203199）

王國臣（1980—），男，博士，講師，從事激光陀螺及慣性導(dǎo)航研究。E-mail：wangguochen0912@yeah.net