磁懸浮慣性穩(wěn)定平臺(tái)方位軸控制與實(shí)現(xiàn)

葉濤　丁楠　于嘯男　丁祝順

【摘 要】磁懸浮慣性穩(wěn)定平臺(tái)利用磁懸浮軸承使方位內(nèi)框懸浮在慣性穩(wěn)定平臺(tái)，消除了機(jī)械接觸。針對(duì)磁懸浮無(wú)機(jī)械接觸的特點(diǎn)，改進(jìn)原傳統(tǒng)機(jī)械軸承的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。介紹磁懸浮穩(wěn)定平臺(tái)的系統(tǒng)組成，就磁懸浮方位軸端摩擦隨機(jī)力矩小等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了方位軸端的三閉環(huán)控制回路。使用無(wú)刷直流力矩電機(jī)作為系統(tǒng)的傳動(dòng)裝置，避免有刷電機(jī)電刷和換向器帶來(lái)的干擾。采用無(wú)接觸式的光柵尺作為方位軸的測(cè)角裝置，模擬無(wú)刷電機(jī)的換向器。通過(guò)穩(wěn)定精度測(cè)試，驗(yàn)證方案具有較高的穩(wěn)定精度。

【關(guān)鍵詞】磁懸浮穩(wěn)定平臺(tái)；驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)；控制回路；光柵尺

Realization And Control for Azimuth Axis of magnetic levitation inertial stabilization platform

YE Tao1，2 DING Nan2 YU Xiao-nan2 DIGN Zhu-shun2

（1.School of Information and Communication Engineering， North University of China， Taiyuan Shanxi 030051， China；

2.Beijing Aerospace Control Institute， Beijing 100039， China）

【Abstract】Maglev intertial stabilization platform utilizes magnetic bearings to make orientation within the frame suspended in inertial stabilization platform， eliminating mechanical contact. For maglev no mechanical contact characteristics， improved drive design traditional mechanical bearings. Introduced maglev system intertial stabilization platform composed of inertial stabilization platform on manegnetic levitation bearing shaft friction torque characteristics of small random designed bearing shaft of three closed-loop control circuit. Brushless DC torque motor as a transmission system to avoid interference brush motor brush and commutator brought. Using the non-contact grating ruler as bearing shaft Angle measuring device，simulation of the brushless motor commutator. By steady accuracy test， verification scheme has higher stable precision.

【Key words】Magnetic levitation stabilized platform； Draven design； Control circuit； Grating ruler

0 引言

穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)是航空遙感系統(tǒng)重要組成部分[1]，其主要的作用：隔離載體運(yùn)動(dòng)對(duì)遙感相機(jī)的干擾；實(shí)時(shí)提供遙感相機(jī)的時(shí)間、位置和姿態(tài)等信息；為遙感相機(jī)保持對(duì)地垂直及方位保持。而磁懸浮穩(wěn)定平臺(tái)則是利用磁懸浮軸承使得方位內(nèi)框懸浮在穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)，消除機(jī)械接觸，以避免摩擦力矩所產(chǎn)生的隨機(jī)干擾，提高了定軸精度[2]，在高精度的航空遙感平臺(tái)中由廣闊的應(yīng)用前景。本文先介紹了磁懸浮穩(wěn)定平臺(tái)的工作原理及組成結(jié)構(gòu)，在結(jié)合磁懸浮穩(wěn)定平臺(tái)中方位軸懸浮的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了磁懸浮穩(wěn)定平臺(tái)方位軸三閉環(huán)控制回路和硬件控制系統(tǒng)，在三框架三軸穩(wěn)定平臺(tái)上能夠?qū)崿F(xiàn)了較高的穩(wěn)定精度。

1 磁懸浮穩(wěn)定平臺(tái)工作原理

磁懸浮穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)主要由慣性穩(wěn)定平臺(tái)、磁懸浮軸承、有效載荷、POS（高精度定位定向系統(tǒng)）、外部解算系統(tǒng)組成。POS平臺(tái)系統(tǒng)和有效載荷安裝在方位軸上，方位軸和慣性穩(wěn)定平臺(tái)的連接是通過(guò)磁懸浮軸承無(wú)機(jī)械接觸式連接，慣性穩(wěn)定平臺(tái)通過(guò)減震器安裝在飛行器上。

磁懸浮穩(wěn)定平臺(tái)三軸框架結(jié)構(gòu)：方位框架、俯仰框架、橫滾框架。其示意圖如圖1所示。有效遙感載荷和POS系統(tǒng)安裝在平臺(tái)的方位框內(nèi)，通過(guò)磁懸浮軸承與穩(wěn)定平臺(tái)的俯仰環(huán)連接。俯仰環(huán)和橫滾環(huán)的連接方式則是通過(guò)機(jī)械軸承連接。穩(wěn)定平臺(tái)俯仰環(huán)和橫滾環(huán)作用是抑制飛行載體俯仰和橫滾運(yùn)動(dòng)對(duì)遙感相機(jī)產(chǎn)生的干擾，保持遙感相機(jī)光軸與當(dāng)?shù)氐卮咕€重合。方位內(nèi)框的作用是抑制飛行載體偏航角運(yùn)動(dòng)對(duì)遙感相機(jī)的干擾，保持遙感相機(jī)對(duì)準(zhǔn)某一航向。

圖1 磁懸浮慣性穩(wěn)定平臺(tái)組成結(jié)構(gòu)示意圖

俯仰環(huán)和橫滾環(huán)是傳統(tǒng)的機(jī)械軸承連接，因此在電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度，F(xiàn)PGA利用角度信息模擬霍爾信號(hào)，產(chǎn)生換向表。在DSP計(jì)算控制環(huán)路產(chǎn)生PWM實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。然而由于方位框架作為磁懸浮軸承的轉(zhuǎn)子，和軸端無(wú)機(jī)械接觸，因此在其控制回路的設(shè)計(jì)和方位軸旋轉(zhuǎn)角度的測(cè)量等都需要更加深入的研究。

2 方位軸控制原理

根據(jù)磁懸浮無(wú)機(jī)械接觸，摩擦力矩小，定軸精度高等特點(diǎn)，因此電機(jī)的控制系統(tǒng)采用三閉環(huán)控制回路，即電流環(huán)、速率環(huán)和位置環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。其控制原理圖如圖2所示。

圖2 方位軸控制系統(tǒng)原理圖

電流回路通過(guò)電流傳感器獲取電樞電流信號(hào)，與電流給定值進(jìn)行動(dòng)態(tài)比較，以抵消負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用以及慣量變化所帶來(lái)的影響[3]。

速率回路通過(guò)速率陀螺獲取框架運(yùn)行的角速率，得到的轉(zhuǎn)速信號(hào)作為速率環(huán)控制器的負(fù)反饋，與轉(zhuǎn)速參考值進(jìn)行比較，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾娏鲄⒖贾祦?lái)控制后續(xù)閉合的電流環(huán)。其主要目的是隔離基座干擾角運(yùn)動(dòng)。

位置環(huán)是整個(gè)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，主要是利用POS獲取遙感相機(jī)的姿態(tài)信號(hào)，得到的姿態(tài)信號(hào)作為位置控制器的負(fù)反饋，位置控制器輸出的值與陀螺測(cè)量值進(jìn)行復(fù)合，通過(guò)電流控制器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流，使力矩電機(jī)帶動(dòng)相機(jī)框架進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)，調(diào)整相機(jī)姿態(tài)。其主要目的是驅(qū)動(dòng)平臺(tái)跟蹤參考航向。

3 方位軸控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于方位軸的無(wú)接觸的特性，因此為避免有刷電機(jī)電刷帶來(lái)的干擾，本文選用的是永磁同步無(wú)刷直流電機(jī)。無(wú)刷電機(jī)換向表的產(chǎn)生，采用角度傳感器獲得位置信息，通過(guò)位置信息模擬電機(jī)的霍爾換向表。角位置傳感器采用無(wú)接觸式的光柵尺。而速率、姿態(tài)角的測(cè)量則是通過(guò)安裝在方位框內(nèi)的MEMS陀螺和高精度的POS系統(tǒng)測(cè)量，電流反饋量的測(cè)量是通過(guò)安裝在電機(jī)上的電流傳感器獲取。然后在DSP中進(jìn)行控制環(huán)路的計(jì)算，產(chǎn)生電機(jī)控制的PWM波，經(jīng)功率放大后與換向表共同控制無(wú)刷直流電機(jī)。

3.1 FPGA測(cè)角系統(tǒng)

磁懸浮穩(wěn)定平臺(tái)方位軸的測(cè)角裝置采用光柵尺位移傳感器，其輸出為數(shù)字脈沖信號(hào)，具有檢測(cè)范圍大、檢測(cè)精度高、響應(yīng)速度快、無(wú)物理接觸等特點(diǎn)。光柵尺主要是由讀數(shù)頭、主尺和接口組成。主尺安裝在方位軸上，通過(guò)摩爾條紋原理測(cè)量方位軸端角位移[4]。光柵尺選用英國(guó)Renishaw公司的增量式RGH22系列，其光柵尺柵距為20μm，通過(guò)數(shù)字細(xì)分后可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字分辨率達(dá)到1μm。

光柵尺一般采用BiSS-C串行通信協(xié)議進(jìn)行編碼。BiSS協(xié)議是為了從編碼中器獲得位置數(shù)據(jù)一種快速同步串行通信協(xié)議。該通信波特率可以達(dá)到10Mbps，它是由兩對(duì)差分信號(hào)線組成：MA和SLO[5]。MA是主機(jī)給從機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)；SLO是從機(jī)到主機(jī)傳輸位置數(shù)據(jù)，同步于MA。因此在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)可以采用差分轉(zhuǎn)化芯片Max3290，轉(zhuǎn)成FPGA可使用的TTL電平信號(hào)。圖3為FPGA讀取光柵尺的狀態(tài)轉(zhuǎn)化圖。取MA的時(shí)鐘信號(hào)為2MHz，Cnt1為CLK賦值給MA時(shí)開(kāi)始計(jì)數(shù)MA上升沿次數(shù)；Cnt2和i的取值相同。此狀態(tài)轉(zhuǎn)換讀取位置量為18位、1位錯(cuò)誤位、1位警告位和6位CRC校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)讀取結(jié)束后需保持40us的低電平，才能進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)的采集。

圖3 光柵尺數(shù)據(jù)讀取狀態(tài)圖

3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

圖4 方位軸驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖

方位電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖4所示?？刂葡到y(tǒng)以CPLD為核心器件，接收控制板發(fā)來(lái)?yè)Q向信號(hào)、PWM和使能信號(hào)EN，發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298實(shí)現(xiàn)無(wú)刷電機(jī)的換向和轉(zhuǎn)速的控制。

控制板FPGA通過(guò)電流傳感器采集電機(jī)電樞電流信號(hào)、通過(guò)MEMS陀螺采集方位軸的旋轉(zhuǎn)角速率信號(hào)、通過(guò)POS平臺(tái)系統(tǒng)采集到有效載荷的姿態(tài)角信息、通過(guò)光柵尺采集方位軸旋轉(zhuǎn)的角度信號(hào)根據(jù)角度信號(hào)。FPGA將采集到的電流、速率、姿態(tài)等信息，通過(guò)并口發(fā)送給DSP，通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)。DSP運(yùn)算穩(wěn)定回路的控制運(yùn)算，得到控制電機(jī)的PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)回路的穩(wěn)定控制。上位機(jī)將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀的顯示。

3.3 軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

方位軸控制系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)分為FPGA和DSP兩部分的進(jìn)行.FPGA采用的是Xilinx公司的ISE9.1設(shè)計(jì)，DSP采用的是TI公司的CCS3.3進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。具體的開(kāi)發(fā)流程圖如圖5所示。

（a）FPGA軟件開(kāi)發(fā)流程圖 （b）DSP軟件開(kāi)發(fā)流程圖

圖5 系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)流程圖

4 結(jié)論

本文首先介紹了三軸磁懸浮穩(wěn)定平臺(tái)的系統(tǒng)組成，然后就磁懸浮無(wú)機(jī)械接觸、摩擦力矩小、定軸精度高等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了磁懸浮穩(wěn)定平臺(tái)方位軸端的三閉環(huán)控制回路，軸端驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇永磁同步無(wú)刷直流電機(jī)，減少機(jī)械電刷帶來(lái)的干擾，無(wú)刷電機(jī)的換向需要位置信號(hào)模擬霍爾換向表，其中位置的測(cè)量裝置采用無(wú)機(jī)械接觸的光柵尺。最后描述方位軸的控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案。該方案的設(shè)計(jì)能夠滿足系統(tǒng)的任務(wù)指標(biāo)。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：王楠]