專利名稱：一種陀螺羅盤伺服控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種陀螺羅盤伺服控制裝置。
技術(shù)背景慣性尋北技術(shù)是慣性技術(shù)領(lǐng)域的重要組成部分。它通過測(cè)量或敏感地球速率來獲得北 向信息，從而測(cè)量出任意測(cè)點(diǎn)的真子午線位置，實(shí)現(xiàn)找北過程。隨著精確測(cè)量技術(shù)的發(fā)展， 尋北定位也出現(xiàn)了諸多方法如慣性法、天文觀測(cè)法、大地測(cè)量法、衛(wèi)星定位法、參照物 法等多種高精度尋北方法。但是，在坑道、水下等復(fù)雜地形和復(fù)雜天候環(huán)境等特殊條件下， 天文觀測(cè)法，大地測(cè)量法、衛(wèi)星定位法和參照物法都會(huì)受到不同程度的條件制約，或者精 度低，或者根本無法實(shí)施。只有慣性法才能不受自然條件或環(huán)境的干擾，獨(dú)立完成尋北任 務(wù)，而且具有連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、精度高等特點(diǎn)。因此，對(duì)慣性尋北方法的研究有它獨(dú)特的 應(yīng)用價(jià)值。尋北裝置在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，除了在航空、航天、航海導(dǎo)航及武器制導(dǎo)等 方面具有非常重要的應(yīng)用外，在其他如遂道施工、礦山開采、大地測(cè)量、資源勘測(cè)等民用 工程領(lǐng)域中也越來越顯示出廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于陀螺羅盤找北，目前有擺式陀螺羅盤和 捷聯(lián)式速率陀螺羅盤。擺式陀螺羅盤是把具有較大角動(dòng)量H的陀螺馬達(dá)懸掛起來，構(gòu)成下擺結(jié)構(gòu)的三自由度 陀螺儀。在找北力矩和重力矩的雙重作用下，H軸圍繞當(dāng)?shù)氐厍蜃游缑孀霰鈾E圓運(yùn)動(dòng)，因 此它能夠提供或敏感"北向"，從而實(shí)現(xiàn)尋北。該方案的最大特點(diǎn)是尋北精度高，但尋北 時(shí)間長(zhǎng)，可達(dá)一個(gè)小時(shí)。早期的擺式陀螺羅盤尋北性能受吊絲特性影響較大，穩(wěn)定性不好，對(duì)工作環(huán)境要求很 高。后來工作者們?cè)诘踅z的生產(chǎn)和穩(wěn)定性處理方面采取了新的方法，使其性能得到進(jìn)一步 改善，但同時(shí)也使制造工藝難度增大，成本提高。在尋北時(shí)間方面也采取了許多新措施， 如采取半周期或四分之一周期測(cè)試已達(dá)到快速定向的目的，但這會(huì)降低測(cè)量精度。捷聯(lián)式速率陀螺羅盤是將速率陀螺和加速度計(jì)固聯(lián)在轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面上，陀螺測(cè)量地球自轉(zhuǎn) 角速度的北向分量，加速度計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面的姿態(tài)信息，通過轉(zhuǎn)臺(tái)多位置轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)尋北。 該方案的最大特點(diǎn)是陀螺不產(chǎn)生任何擺動(dòng)，陀螺羅盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尋北過程十分短暫。捷聯(lián)式尋北系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原理明晰、易于實(shí)現(xiàn)，因此得到廣泛重視和深入發(fā)展。目 前，捷聯(lián)式尋北方案已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)?；趯?duì)捷聯(lián)式尋北系統(tǒng)的原理和優(yōu)點(diǎn)的分析，若要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的對(duì)真北方 向進(jìn)行定位，就要求轉(zhuǎn)臺(tái)有較高的定位精度，以實(shí)現(xiàn)定向時(shí)間短、精度高的方位信息的測(cè) 量。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種通過對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行分度定位控制，使轉(zhuǎn)臺(tái)快 速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的定位，保證陀螺在轉(zhuǎn)動(dòng)中不受沖擊，以實(shí)現(xiàn)陀螺多位置測(cè)量的陀螺羅盤 伺服控制裝置。本實(shí)用新型的陀螺羅盤伺服控制裝置包括控制器，光電編碼器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)； 所述的控制器分別與光電編碼器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)電源連接；控制器 接收光電編碼器輸出的代表轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)位置和速度信息的數(shù)據(jù)，并根據(jù)位置信息數(shù)據(jù)與預(yù)先 存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)臺(tái)定位位置數(shù)據(jù)之差調(diào)整速度給定值，計(jì)算速度給定值與光電編碼器輸出的轉(zhuǎn)臺(tái) 轉(zhuǎn)動(dòng)速度數(shù)據(jù)之差值，根據(jù)該差值實(shí)時(shí)調(diào)整輸出的調(diào)寬波的占空比，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng) 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)并停在定位位置。本實(shí)用新型光電編碼器、控制器構(gòu)成位置、速度閉環(huán)反饋回路，控制器接收光電編碼 器輸出的數(shù)據(jù)以獲得旋轉(zhuǎn)電機(jī)的位置和速度信息，同時(shí)根據(jù)該數(shù)據(jù)與預(yù)先存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)臺(tái)定位 位置數(shù)據(jù)之差調(diào)整速度給定值，計(jì)算速度給定值與光電編碼器輸出的轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速度數(shù)據(jù)之 差值，根據(jù)該差值實(shí)時(shí)調(diào)整輸出的調(diào)寬波的占空比。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)位置與其定位位置之間距離較 大時(shí)，控制器輸出的調(diào)寬波占空比較高，能夠驅(qū)動(dòng)電機(jī)快速運(yùn)轉(zhuǎn)；隨著的轉(zhuǎn)臺(tái)位置與其定 位位置之間的距離逐漸縮短，控制器輸出的調(diào)寬波占空比也逐漸降低，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸 減小，直至轉(zhuǎn)臺(tái)停在定位位置，轉(zhuǎn)臺(tái)定位快速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確，保證了陀螺在轉(zhuǎn)動(dòng)中不受沖擊，能夠?qū)崿F(xiàn)陀螺的多位置準(zhǔn)確測(cè)量。 所述的控制器采用數(shù)字信號(hào)處理器。所述的數(shù)字信號(hào)處理器采用位置、速度雙閉環(huán)的控制算法，根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和位置調(diào) 整輸出的調(diào)寬波的占空比。數(shù)字信號(hào)處理器事件管理器的比較單元輸出調(diào)寬波，通過電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過定時(shí)器設(shè)定采樣頻率，在每個(gè)采樣周期內(nèi)，通過控制算法 使比較寄存器會(huì)按照計(jì)算出來的值不斷更新，產(chǎn)生的調(diào)寬波使電機(jī)在既定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到給 定的速度和位置。本實(shí)用新型還可以包括存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器與數(shù)字信號(hào)處理器連接，作為數(shù)字信號(hào)處理器 的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，并使數(shù)字信號(hào)處理器能夠進(jìn)行在線仿真。本實(shí)用新型還可以包括隔離芯片，光電編碼器通過隔離芯片與數(shù)字信號(hào)處理器連接。 隔離芯片的作用是進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。


圖l為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖。圖中l(wèi)光電編碼器，2控制器，3電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，4電機(jī)，5存儲(chǔ)器， 6隔離芯片。圖2為本發(fā)明控制器2內(nèi)部程序流程圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本實(shí)用新型的陀螺羅盤伺服控制裝置包括控制器2，光電編碼器l，電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器3，電機(jī)4，存儲(chǔ)器5，隔離芯片6。所述的控制器2采用數(shù)字信號(hào)處理器；光電編碼 器1的輸出與隔離芯片6的輸入連接，隔離芯片6的輸出連接到數(shù)字信號(hào)處理器的正交編碼 脈沖電路，由隔離芯片6將電平由5v轉(zhuǎn)換為3.3v;數(shù)字信號(hào)處理器的PWM輸出與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 3的輸入連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3的輸出接到電機(jī)4的電源正負(fù)極；存儲(chǔ)器5與數(shù)字信號(hào)處理器通 過數(shù)據(jù)線、地址線和控制線連接。數(shù)字信號(hào)處理器采用位置、速度雙閉環(huán)的控制算法，數(shù) 字信號(hào)處理器事件管理器的比較單元輸出調(diào)寬波，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3帶動(dòng)電機(jī)4轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí) 通過定時(shí)器設(shè)定采樣頻率，在每個(gè)采樣周期內(nèi)，通過控制算法使比較寄存器會(huì)按照計(jì)算出來的值不斷更新，產(chǎn)生的調(diào)寬波使電機(jī)4在既定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到給定的速度和位置。本發(fā)明的陀螺羅盤伺服控制裝置在整個(gè)系統(tǒng)的工作中完成兩部分工作自檢和分度定 位控制。系統(tǒng)上電，本裝置首先進(jìn)行自檢轉(zhuǎn)臺(tái)先逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到限位開關(guān)I動(dòng)作時(shí)， 電機(jī)4暫停工作0.5S，數(shù)字信號(hào)處理器根據(jù)接收的光電編碼器1輸出的數(shù)據(jù)確定電機(jī)4的 位置；然后轉(zhuǎn)臺(tái)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)到限位開關(guān)II動(dòng)作時(shí)，電機(jī)4暫停工作，同時(shí)數(shù)字信 號(hào)處理器根據(jù)接收的光電編碼器1輸出的數(shù)據(jù)確定電機(jī)4的位置；轉(zhuǎn)臺(tái)再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，當(dāng) 旋轉(zhuǎn)到限位開關(guān)II動(dòng)作時(shí)，數(shù)字信號(hào)處理器根據(jù)接收的光電編碼器1輸出的數(shù)據(jù)確定電機(jī) 4的位置；此時(shí)光電編碼器1輸出的數(shù)據(jù)為工作起始位置。在自檢過程中，確定了光電編碼器1零位位置。自檢過程采用增量式PI控制算法，使電機(jī)4轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速為8.3r/min，整個(gè)自檢 時(shí)間在20s內(nèi)完成。本裝置可以選擇快速(每圈72點(diǎn))或高精度(每圈180點(diǎn))兩種工作模式，接著使 轉(zhuǎn)臺(tái)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，同時(shí)進(jìn)行分度定位控制，具體過程如下-數(shù)字信號(hào)處理器通過正交編碼脈沖電路與光電編碼器1相連接，接收編碼器以獲得旋 轉(zhuǎn)電機(jī)4的位置信息。采用位置、速度雙閉環(huán)的控制算法，數(shù)字信號(hào)處理器事件管理器 的比較單元輸出脈寬調(diào)制信號(hào)，信號(hào)通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3帶動(dòng)電機(jī)4轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過定時(shí)器 設(shè)定采樣頻率，在每個(gè)采樣周期內(nèi)，通過控制算法使比較寄存器會(huì)按照計(jì)算出來的值不斷 更新，產(chǎn)生的調(diào)寬波使電機(jī)4在既定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到給定的速度和位置。通過對(duì)每點(diǎn)的位置和速度進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，電機(jī)4的速度為8.3r/min，兩種模式分別對(duì) 應(yīng)每點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為4°和2° ，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間為0.17s和0.13s，定位精度不超過6'。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)順 時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到限位開關(guān)l再次動(dòng)作時(shí)，電機(jī)4停止轉(zhuǎn)動(dòng)，完成工作。所述的數(shù)字信號(hào)處理器采用TMS320LF2407A;存儲(chǔ)器5采用CY7C1041靜態(tài)存儲(chǔ)器5; 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3采用L6203;電機(jī)4采用直流力矩電機(jī)4;隔離芯片6采用IL711;本實(shí)用新型電源管理單元由兩部分組成a) 選用MORNSUN公司生產(chǎn)的DC/DC模塊B2405,對(duì)單一的24V輸入電壓進(jìn)行調(diào)整， 輸出一路5V電源，24V電源作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3的工作電源。b) 選用Micrel公司生產(chǎn)的MIC5209—3.3BS，由24V轉(zhuǎn)換而來的5V作為輸入電壓， 進(jìn)行調(diào)整后，輸出一路3.3V電源作為數(shù)字信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器5的工作電源。
權(quán)利要求1、一種陀螺羅盤伺服控制裝置，其特征在于包括控制器(2)，光電編碼器(1)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(3)，電機(jī)(4)；所述的控制器(2)分別與光電編碼器(1)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(3)連接，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(3)與電機(jī)(4)電源連接；控制器(2)接收光電編碼器(1)輸出的代表轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)位置和速度信息的數(shù)據(jù)，并根據(jù)位置信息數(shù)據(jù)與預(yù)先存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)臺(tái)定位位置數(shù)據(jù)之差調(diào)整速度給定值，計(jì)算速度給定值與光電編碼器(1)輸出的轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速度數(shù)據(jù)之差值，根據(jù)該差值實(shí)時(shí)調(diào)整輸出的調(diào)寬波的占空比，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(3)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(4)運(yùn)轉(zhuǎn)，使電機(jī)(4)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)并停在定位位置。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的陀螺羅盤伺服控制裝置，其特征在于所述的控制器(2)采 用數(shù)字信號(hào)處理器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的陀螺羅盤伺服控制裝置，其特征在于還包括存儲(chǔ)器(5)，存 儲(chǔ)器(5)與數(shù)字信號(hào)處理器連接，作為數(shù)字信號(hào)處理器的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的陀螺羅盤伺服控制裝置，其特征在于還包括隔離芯片(6)， 光電編碼器(1)通過隔離芯片(6)與數(shù)字信號(hào)處理器連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種陀螺羅盤伺服控制裝置，包括控制器，光電編碼器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)；所述的控制器接收光電編碼器輸出的代表轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)位置和速度信息的數(shù)據(jù)，并根據(jù)位置信息數(shù)據(jù)與預(yù)先存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)臺(tái)定位位置數(shù)據(jù)之差調(diào)整速度給定值，計(jì)算速度給定值與光電編碼器輸出的轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速度數(shù)據(jù)之差值，根據(jù)該差值實(shí)時(shí)調(diào)整輸出的調(diào)寬波的占空比，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)快速、穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)并準(zhǔn)確停在定位位置，保證了陀螺在轉(zhuǎn)動(dòng)中不受沖擊，能夠?qū)崿F(xiàn)陀螺的多位置準(zhǔn)確測(cè)量。
文檔編號(hào)G01C19/00GK201163190SQ20072009474
公開日2008年12月10日 申請(qǐng)日期2007年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月10日
發(fā)明者暢 劉, 李建榮, 杜璧秀, 沈鋮武, 王志乾, 雁 趙, 高峰端 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所