基于Elmo數(shù)字伺服控制器的機載吊艙陀螺穩(wěn)定平臺設計

在民用市場，國內(nèi)現(xiàn)有的機載吊艙陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)大多采用模擬伺服控制器，存在多方面的缺陷，比如：體積大，笨重，容易產(chǎn)生漂移，不易調(diào)整，伺服控制效果不好，無法實現(xiàn)數(shù)字通信等，因此無法采用諸如FPGA這樣的芯片去處理運動信號，成了性能無法提升的瓶頸，不能很好地滿足市場需求。
Elmo公司的Whistle系列數(shù)字伺服控制器，體積小、重量輕、提供數(shù)字輸入與輸出接口，提供RS232與CAN總線2種通信方式，可編程。采用Elmo Whistle數(shù)字伺服控制器，通過編程，僅需設計相對簡單的一部分外圍電路，就能實現(xiàn)很復雜的功能，體現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。但目前國內(nèi)應用這一控制器來實現(xiàn)機載吊艙陀螺穩(wěn)定平臺的廠家比較少，因此可以借鑒的經(jīng)驗非常有限。本文通過仔細研讀Elmo相關文檔，設計出了符合性能指標的機載陀螺穩(wěn)定平臺。

1 吊艙及陀螺穩(wěn)定平臺
吊艙是指懸掛在運動載體(如飛機、船舶)外的艙體有效載荷容器裝置。它的作用主要是隔離載機的姿態(tài)變化和機械振動對光電傳感器指向的影響。吊艙系統(tǒng)由陀螺穩(wěn)定平臺伺服平臺、電視跟蹤系統(tǒng)、座艙顯示和控制系統(tǒng)、紅外測量系統(tǒng)、激光測距儀和GPS定位于測距數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和記錄系統(tǒng)、吊艙環(huán)控系統(tǒng)等7部分組成。
陀螺穩(wěn)定平臺系統(tǒng)主要用于穩(wěn)定機載吊艙上TV和紅外攝像機的視軸穩(wěn)定，消除直升飛機飛行過程中由于搖擺帶來的干擾力矩。這里設計的平臺屬于二軸四框架系統(tǒng)，分為方位軸和俯仰軸。在每一個軸上安裝一個單自由度的光纖陀螺，用來感應干擾力矩。陀螺輸出信號經(jīng)過放大濾波后，送到Elmo伺服控制器，由控制器智能處理陀螺信號。信號處理完畢之后，由控制器的輸出部分，驅(qū)動直流伺服電機，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2 穩(wěn)定平臺設計
2．1 系統(tǒng)總體設計框圖
此文設計的陀螺穩(wěn)定平臺主要是要保證各個光傳感器的視軸穩(wěn)定。結合整個吊艙系統(tǒng)，主要是實現(xiàn)以下6個功能：
1)現(xiàn)吊艙的穩(wěn)定控制；2)實現(xiàn)吊艙的運動控制；3)限位信號輸入；4)錯誤指示電路；5)LOCK電路；6)串口通信。
圖l為系統(tǒng)總體設計框圖。

2．2 硬件電路設計
2．2．1 陀螺信號處理電路
由于俄羅斯的Fizoptika VG94l-3AS光纖陀螺輸出信號非常微弱，輸出比例因子只有3．3 mV／deg／s。對于這么微弱的信號，必須要先進行小信號的放大電路處理，才能傳送到Elmo伺服控制器，進行下一步的處理。這里要說明的一點是，并沒有對陀螺輸出信號進行濾波處理，原因在于Elmo伺服控制內(nèi)部已經(jīng)有了數(shù)字濾波電路，可以在調(diào)試時進行相關設置，以達到濾波目的。
Elmo數(shù)字伺服控制器原本有2個模擬輸入口的，可直接將光纖陀螺的輸出信號接入數(shù)字伺服控制器，但由于陀螺的隨機漂移大，基本無規(guī)律可以遵循，每次開機，給陀螺供電時，陀螺的隨機輸出是不一樣的。所以，應設計陀螺信號處理電路，一方面可以將陀螺的輸出信號按一定比例的放大，然后輸入到Elmo數(shù)字伺服控制中，減少程序中的比例因子，進而減少Elmo數(shù)字伺服控制器內(nèi)部的噪聲對整個系統(tǒng)的影響，另一方面通過外接一只可調(diào)電阻，實現(xiàn)每次開機的漂移量補償，從而使吊艙保持平穩(wěn)狀態(tài)。
Fizoptika VG941-3A光纖陀螺在載體靜止時，輸出電壓為2．5 V。因此要保證載體靜止時，輸入到Elmo數(shù)字伺服控制模擬輸入口的電壓為0 V，必須用一個精準電壓芯片產(chǎn)生2．5 V的電壓，通過放大器4558實現(xiàn)一個減法電路。在該減法電路中，用REF02CZ產(chǎn)生5 V的電壓，然后通過電阻分壓得到2．5 V基準電壓。圖2為陀螺信號處理電路(減法電路)原理圖。

2．2．2 電源電路設計
這里的電源電路設計主要的目的是給各芯片提供基準電壓。TSMl212D用于產(chǎn)生±12 V基準電源，給放大器4558和REF02CZ提供基準電壓，而REF02CZ用于產(chǎn)生+5 V基準電壓，給放大器提供參考電壓。圖3為電源電路原理圖。