基于dsp的陀螺加速度计数字伺服回路研究

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1、基于DSP的陀螺加速度计数字伺服回路研究摘要陀螺加速度计是战略导弹平台系统屮的核心器件，其止常工作时必须要有相应的伺服回路来保证仪表具有足够的静态和动态性能，本文对比了模拟伺服回路和数字伺服回路的特点，阐述了陀螺加速度计的工作原理，重点探讨了基于DSP（数字信号处理）的数字伺服回路的具体实现方案并给出了测试曲线，得出了数字伺服回路可用來替代常规的模拟伺服回路的结论，并指出数字伺服回路是陀螺加速度计伺服回路技术发展的一个重要方向。关键词陀螺加速度计，战略导弹，数字控制。1引言陀螺加速计是加速度计的一种，是战略导弹和运载火箭

2、导航系统中的核心器件，其作用是敏感载体的加速度，从而得到载体导航所必须的加速度、速度和位置等信息，控制系统根据这些参数就可以调节载体的飞行速度和控制发动机关机⑴。日前，世界上各个掌握和拥有战略核武器、载人航天器的航天大国，如美国、俄罗斯、法国等，无一例外地在弹道导弹和运载火箭的导航系统中采用了陀螺加速度计，如美国的MX导弹、俄罗斯的白杨-M导弹等。这是由于陀螺加速度计具有其它种类的加速度计所不具有的特点一一精度高（一般惯导级的陀螺加速度计能达到10°〜10冷°）、量程宽（2O"4Ogo）；虽然它同时具有结构复杂、成本高的

3、缺点。陀螺加速度计正常工作时必须要有相应的伺服回路來保证仪表具有足够的静态和动态性能，目前常用的伺服回路是用模拟电路实现的，这种常规的控制方式具有精度较高、技术成熟、易于实现等优点，但其缺点也很明显：a）组成校正环节的电阻电容等元器件的特性易受环境条件影响、难以实现复杂的控制规律等。对于陀螺加速度计这样高精度的仪表来说，英性能在很大程度上依赖于伺服回路。因此，一旦由于电阻、电容值的漂移引起校正环节参数的变化，将会直接影响到整个仪表的性能。b）另外，陀螺加速度计在导弹（火箭）的整个飞行过程中，其工作环境是复杂多变的,常规的

4、控制方案有时难以满足其性能的要求，随着近年来各种现代控制理论的日渐成熟以及微电子技术的飞速发展，在陀螺加速度计上采用数字控制以实现复杂控制规律成为了可能。自20世纪80年代初的DSP芯片诞生以來，在十多年的时间里得到了飞速的发展，目前在通信与信息系统、信号与信息处理、口动控制、雷达、航空航天等许多领域得到广泛的应用⑵。DSP芯片即数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器，其内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可用来快速实现各种复杂的数字信号处理算法。2陀螺

5、加速度计的基本原理2.1陀螺加速度计的基本组成从功能组成的角度來说，陀螺加速度计主要由3部分组成：表头结构部分、伺服控制回路以及输出装置。其屮，表头结构包括了仪表内环、外环支承方式；伺服控制回路广义上包括内环的角度传感器、控制电路以及外环的力矩电机等；输岀装置包括变磁阻传感器、输出变换电路等。2.2陀螺加速度计的运动方程图1所示为陀螺加速度计的儿个坐标系，其中，XoYoZo为与基座固联的坐标系，XJiZi为与外环固联的坐标系，XMZ2为与内环固联的坐标系，XYZ为与转子固联的坐标系。由此,可以得到以下运动方程：内环方程：

6、IyP七CyB—Ha=—mlaxX+(1)图1陀螺加速度计中的坐标系外环方程:ha+C“a+=Md+M"(2)Md=Kg一E)/R(3)E=Kta(4)“=一K,KaG(S)“(5)式中Md一力矩电机的力矩；K,一信号传感器的比例系数；K,—力矩电机的力矩系数；K“一放大器的等效增益；R—力矩电机绕组的电阻；K..一反电动势系数；G(S)—校正网络传递函数。由式(1)〜(5)可得出陀螺加速度计的简化系统框图，见图2。图2陀螺加速度计系统框图Ko=KsK；1Kt/R为电子线路部分的总增益2.3陀螺加速度计的工作原理当外环

7、轴方向有视加速度s时，在内环轴上将产生惯性力矩mid,在理想状态下，即内坏、外坏没有干扰力矩时，按陀螺进动原理，转子将带动内、外框架一起进动，从而产生陀螺反作用力矩稳态时，惯性力矩将精确地被陀螺力矩所平衡，B

8、J：Ha=mlaxX（6）上述中，Ha是外环的转动角速度，可以直接测得，从而也就得到了加速度。通过积分还可以得出速度和位移。然而，仪表在实际的工作过程屮，当外环存在干扰力矩鵬时，角动量H将向Mxi方向进动，使得B角逐渐增大，当H和眼重合时，仪表因失去一个自由度而不能正常工作。因此,陀螺加速度计必须要有由角度传感器、

9、控制电路和力矩电机组成的伺服回路来保证H和外环轴之间的垂直，同时给整个加速度计系统提供足够的静态和动态特性。3基于DSP的数字伺服回路设计数字伺服冋路的设计可分为两个方面：一是电路硬件方面的设计；二是控制算法（软件）方面的设计。3.1数字控制的硬件设计3.1.1数字控制CPU的选择从原理上讲,任何具备数字信号处理能力