張 鵬，李維剛，王樹森，李孟委,2，李 登

(1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學 儀器與電子學院，山西 太原 030051)

微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)是基于半導體制造技術在微電技術基礎上發(fā)展而來的，一般使用光刻、腐蝕等工藝，是對微米納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術.MEMS技術集微型機構、傳感、控制等多個功能于一體，是一種具有信息獲取、處理等多種功能的系統(tǒng)[1].該系統(tǒng)憑借體積小、重量輕、功耗低、價格低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，在軍用和民用領域均得到廣泛的應用[2].

穩(wěn)定平臺是一種具有防抖隔震、穩(wěn)瞄穩(wěn)像、目標跟蹤等功能的標定測試儀器，被廣泛應用于坦克炮塔穩(wěn)瞄、艦船炮塔穩(wěn)瞄、無人機光電吊艙、空空導彈導引頭、民用航拍攝影防抖等領域[3-5].目前世界范圍內的高精度三維伺服平臺發(fā)展很快，美、英等國在役的武器裝備上相當廣泛地使用了基于微慣性的傳感器跟蹤平臺.我國于上世紀八十年代研制出了穩(wěn)瞄式的平臺，而研制陀螺式的穩(wěn)定平臺工作也在九十年代初得到了全面的開展.北京618所研制的機載陀螺式穩(wěn)定平臺，其精度已經達到了0.1 mrad.

傳統(tǒng)的高精度慣性測試穩(wěn)定平臺主要針對高精度的光學慣組、機械陀螺等，體積大、成本高，應用于MEMS慣性器件必將造成測試資源的浪費[6-8].本文設計了一款面向實驗教學的穩(wěn)定平臺，其兼具對中低精度MEMS器件進行測試標定的功能，在控制成本及儀器整機體積的前提下設計伺服控制系統(tǒng)，提高了控制精度.

1 系統(tǒng)設計

1.1 技術指標

為使所設計的測試標定系統(tǒng)能夠對采用串行外設接口(Serial Peripheral Interface，SPI)和串口輸出數字信號的MEMS傳感器進行測試標定，系統(tǒng)可進行MEMS加表、陀螺性能參數的測試標定以及微型慣性測量單元(Miniature Inertial Measurement Unit，MIMU)的安裝誤差標定.通過MIMU的標定實驗可得到MEMS加表和MEMS陀螺的標度因數、零偏以及MIMU的安裝誤差，既可以實現器件的標定，也可用于性能篩選領域.平臺系統(tǒng)設計的技術指標如表 1 所示.

表 1 技術指標

1.2 控制系統(tǒng)設計

伺服穩(wěn)定平臺的核心部分包括角速率測量、姿態(tài)測量部分，伺服回路控制部分和機械框架部分.

平臺的構成及各個環(huán)節(jié)之間的關系如圖 1 所示，從圖中可以看出平臺的核心部分為控制系統(tǒng)[9]，控制系統(tǒng)下達指令給驅動系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)帶動機械框架部分運動，框架運動后，傳感器將測得值反饋給控制系統(tǒng).這3個部分缺一不可，且需要按照一定的要求系統(tǒng)工作.作為平臺核心的控制系統(tǒng)又由主控制器、配套主控制器的信號輸入輸出接口、通訊接口等組成；驅動系統(tǒng)主要由電機及驅動器組成；機械框架部分主要由用于平臺和載體固連及平臺與驅動電機連接的機械構件組成.

圖 1 平臺結構組成Fig.1 Platform structure composition

穩(wěn)定平臺的主控制芯片如圖 2 所示，內置RS422及RS485通信電路，與上位機通過RS485通信，方便轉臺的位置控制與速率控制，與橫滾軸和俯仰軸的RX28舵機采用RS422通信.

圖 2 主控電路圖Fig.2 Main control circuit diagram

圖 3 為三軸陀螺穩(wěn)定平臺示意圖.伺服穩(wěn)定平臺的原理[10]如圖 4 所示，由陀螺儀提供角速率信息，反饋給速度控制器，矯正穩(wěn)定平臺干擾信號.同時陀螺儀輸出角速率進行一次積分得到角度信息，反饋給位置控制器，形成位置-速度雙閉環(huán)控制系統(tǒng).

圖 3 三軸陀螺平臺示意圖Fig.3 Schematic diagram of three-axis gyro platform

圖 4 陀螺穩(wěn)定平臺原理Fig.4 Principle of Gyro Stabilized platform

2 非水平干擾信號

穩(wěn)定平臺功能中的非水平干擾信號能否準確獲取是實現該功能演示的關鍵.常見的抖動干擾信號源產生于六自由度搖擺平臺，但該方法需要重新設計一套六自由度搖擺平臺系統(tǒng)，大大增加了系統(tǒng)的復雜度和儀器成本.因此，將儀器基座傾斜角度θ，認為產生一個俯仰角，然后通過Z軸旋轉實現非水平干擾信號，方法簡單，幾乎不用增加硬件設備.

傳統(tǒng)的穩(wěn)定平臺測試方法包括靜態(tài)跟蹤測試和動態(tài)搖擺測試，靜態(tài)測試主要是將穩(wěn)定平臺放置于高精度轉臺上，通過高精度轉臺設定一個傾角位置，讓穩(wěn)定平臺跟隨到該已知位置，利用穩(wěn)定平臺自帶的高精度碼盤測量位置跟蹤精度；動態(tài)測試是指將穩(wěn)定平臺放置于高精度搖擺臺上，搖擺臺按照一個正弦變化的角度信號做周期運動，通過調節(jié)搖擺臺的搖擺周期測量穩(wěn)定平臺跟隨的動態(tài)特性.

圖 5 為陀螺穩(wěn)定平臺的系統(tǒng)框圖，包括穩(wěn)定平臺和非水平干擾信號源.穩(wěn)定平臺實物圖如圖 6 所示.

圖 7 為穩(wěn)定平臺功能干擾信號源產生機理.其中MEMS慣組提供俯仰軸和橫滾軸姿態(tài)，傳輸給穩(wěn)定平臺俯仰軸電機和橫滾軸電機，以調整轉臺內框水平.轉臺航向軸由上位機軟件控制，使轉臺外框在傾斜狀態(tài)下做搖擺運動，為中框和內框提供非水平干擾信號.

圖 5 陀螺穩(wěn)定平臺系統(tǒng)框圖Fig.5 Diagram of Gyro stabilized platform system

圖 6 穩(wěn)定平臺實物圖Fig.6 Picture of Gyro stabilized platform

圖 7 穩(wěn)定平臺功能干擾信號源產生機理Fig.7 Generation mechanism of stabilizing platform function jamming signal source

穩(wěn)定平臺的教學演示及測量方法用于測試穩(wěn)定平臺的教學實驗中，包括以下測量步驟：

1) 給穩(wěn)定平臺提供一非水平干擾信號源，計算獲得穩(wěn)定平臺的俯仰角α1、橫滾角β1；

2) 穩(wěn)定平臺調節(jié)自身姿態(tài)，保持平臺處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，并通過電機碼盤獲得測量穩(wěn)定平臺的俯仰角α2、橫滾角β2；

3) 計算比較α1與α2的誤差，β1與β2的誤差，獲得穩(wěn)定平臺的整體誤差水平，完成教學試驗.

如果要求一種面向實驗教學的穩(wěn)定平臺測試方法，所述步驟1)的非水平干擾信號源包括一個傾斜基座、一個航向軸電機及一個內框平臺.內框平臺的水平姿態(tài)角α和β通過下式產生干擾信號

式中：α為所述內框平臺的俯仰角；β為所述內框平臺的橫滾角；θ為所述傾斜基座的傾斜角度；ω為所述航向軸電機的轉動角速率；ε為所述航向軸電機轉動的初始相位角.

擾動基座裝置包括傾斜基座、航向電機控制單元、航向軸電機及內框平臺.抖動干擾信號源引起的俯仰角和橫滾角與Z軸轉動角速率成正余弦變化.陀螺穩(wěn)定平臺控制所需姿態(tài)角由陀螺儀測量得到.由上式可知，當ω為常數時，俯仰角和橫滾角呈正余弦變化，相位相差90°；當ω以一次函數變化時，俯仰角和橫滾角按照頻率隨時間呈正余弦變化；當ω以正弦函數變化時，俯仰角和橫滾角變化規(guī)律復雜，相位相差90°；當ω以白噪聲信號變化時，俯仰角和橫滾角開始無規(guī)律變化，將形成嚴重的干擾信號.圖 8 為角速率ω按照一次函數變化時，平臺內框俯仰角和橫滾角的姿態(tài)變化曲線圖.

圖 8 角速率按一次函數變化時的姿態(tài)角Fig.8 The attitude angle of angular rate changing at one time function

圖 9 為角速率按照正弦函數變化時，平臺內框俯仰角和橫滾角的姿態(tài)變化曲線圖.通過調整不同的ω和θ角度，可以實現任意的非水平干擾信號.

圖 9 角速率按正弦變化時的姿態(tài)角Fig.9 Attitude angle of angular rate in the case of sinusoidal variation

3 控制策略及Simulink仿真

設計的雙軸陀螺穩(wěn)定平臺可以看作是兩個單軸陀螺穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的組合.單軸陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)特性、分析方法、評估指標等都適用于雙軸陀螺穩(wěn)定平臺.依據穩(wěn)定平臺的工作原理，將各個部分簡化成傳遞函數的形式，得到如圖 10 所示的平臺穩(wěn)定原理框圖.其中，速度環(huán)反饋由陀螺儀輸出的角速率提供，位置環(huán)由慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)提供.

根據穩(wěn)定平臺控制系統(tǒng)原理建立Simulink仿真，仿真包括速率陀螺的速度環(huán)反饋回路和位置跟蹤環(huán)反饋回路.電機的參數根據直流電機的實際指標進行配置.輸入幅值為10°的階躍位置信號，載體干擾角速度設為幅值為0.2、頻率為2 Hz的正弦信號ωb(t)=sin(4πt) rad/s，力矩輸入為2.通過調節(jié)速度環(huán)PID(Proportion Integral Derivative)和位置環(huán)PID使得系統(tǒng)達到速率精度0.1 °/s 和位置精度0.01°.

圖 10 平臺穩(wěn)定原理框圖Fig.10 Principle diagram of platform stability

通過仿真得到圖 11 的階躍響應曲線和圖 12 的正弦位置變化跟蹤曲線.仿真結果表明所設計的陀螺穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)的控制策略能滿足陀螺穩(wěn)定平臺控制需求.

圖 11 平臺穩(wěn)定位置控制系統(tǒng)仿真圖Fig.11 Simulation diagram of platform stabilized position control system

圖 12 平臺穩(wěn)定位置跟蹤仿真圖Fig.12 Platform stable position tracking simulation diagram

4 結 論

從學生教學穩(wěn)定平臺試驗儀出發(fā)，結合目前MEMS加速度計、MEMS陀螺以及MIMU信號輸出形式，提出了系統(tǒng)設計的主要技術指標；結合三軸陀螺穩(wěn)定平臺，對平臺控制系統(tǒng)進行了設計，分析了干擾信號的耦合機理，并解釋了穩(wěn)定平臺隔離震動的工作原理；最后，通過建模和Simulink仿真得到陀螺穩(wěn)定平臺常用的雙閉環(huán)控制原理.仿真結果表明所設計的陀螺穩(wěn)定平臺伺服系統(tǒng)的控制策略能滿足陀螺穩(wěn)定平臺控制需求.