动力调谐陀螺仪数字再平衡回路的设计

论文摘要

作为惯性导航系统中重要的测量装置,陀螺仪用于敏感运动物体相对惯性空间的角运动。动力调谐陀螺仪具有结构简单、可靠性高、成本低、功耗低等优点,广泛应用于航天、航空、航海等各个领域中。动力调谐陀螺仪与再平衡回路一起构成角速度测量装置。再平衡回路性能的优劣直接决定了系统的测量、控制精度以及整体性能。随着惯性导航系统应用范围的扩大以及各项指标要求的不断提高,现阶段广泛使用的模拟再平衡回路在应用中遇到诸多问题。因此,研制性能更为优越的数字再平衡回路成为必然选择。本文对动力调谐陀螺仪理论模型进行了分析,给出其动力学方程,并对全解耦的实现方法进行了推导。在此基础上,设计了一种以TMS320F2812为主控制器的数字再平衡回路。系统主要由信号预处理模块、数字信号处理模块、数模转换模块、功率放大模块组成。针对系统要求开发了基于DSP的系统软件,实现了信号采集、数字解耦、数字校正、控制量输出、上位机通信等功能。回路设计制作完成之后,通过系统测试,得到了较为理想的测试结果,达到了设计指标,由此表明所设计的再平衡回路实现了期望的测量和控制功能,验证了方案的可行性。最后对实验结果进行分析,并提出了进一步提高回路测量控制精度以及系统整体性能的改进方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 再平衡回路技术的发展与研究现状
• 1.2.1 模拟再平衡回路
• 1.2.2 脉冲再平衡回路
• 1.2.3 数字再平衡技术
• 1.3 本论文研究重点
• 1.4 本论文章节安排及主要内容
• 第二章 动力调谐陀螺仪的结构特点与动力学模型
• 2.1 动力调谐陀螺仪结构特点
• 2.2 动力调谐陀螺仪的动力学模型
• 2.2.1 坐标系的选取
• 2.2.2 动力调谐陀螺仪的运动方程
• 2.2.3 动力调谐陀螺仪的开环传递函数
• 2.3 再平衡回路的耦合与解耦
• 2.3.1 耦合与解耦理论
• 2.3.2 全解耦的实现方法
• 2.3.3 控制解耦的实现
• 2.3.4 输出解耦的实现
• 2.4 本章小结
• 第三章 数字再平衡回路系统整体设计方案及硬件实现
• 3.1 再平衡回路的设计原则
• 3.2 传统模拟再平衡回路介绍
• 3.3 数字再平衡回路设计方案
• 3.3.1 再平衡回路设计方案
• 3.3.2 系统主要参数的确定与A/D、D/A 的选择
• 3.4 系统硬件电路的设计
• 3.4.1 信号预处理电路的设计
• 3.4.2 数字信号处理模块
• 3.4.3 数模转换电路设计
• 3.4.4 功率放大电路设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 系统软件设计
• 4.1 软件整体流程概述
• 4.2 IQmath 的应用
• 4.2.1 IQmath 简介
• 4.2.2 需添加的文件
• 4.2.3 IQmath 在程序中的应用
• 4.3 模数转换模块
• 4.3.1 ADC 模块简介
• 4.3.2 时钟配置与初始化
• 4.3.3 数据的接收
• 4.3.4 ADC 校准程序设计及校准原理分析
• 4.3.5 幅值变换程序设计
• 4.4 解耦设计
• 4.4.1 模拟校正装置的离散化
• 4.4.2 控制解耦的实现
• 4.5 数字校正程序设计
• 4.5.1 PID 控制原理
• 4.5.2 数字PID 控制算法
• 4.5.3 PID 算法程序实现
• 4.6 数模转换程序设计
• 4.6.1 SPI 模块介绍
• 4.6.2 DAC7634 接口分析
• 4.6.3 DSP 接口配置
• 4.6.4 数摸转换程序
• 4.7 上位机通信程序
• 4.7.1 SCI 串行通信接口简介
• 4.7.2 SCI 引脚配置与初始化程序设计
• 4.7.3 SCI 发送子函数
• 4.8 本章小结
• 第五章 数字再平衡回路系统测试
• 5.1 动力调谐陀螺仪实验测试平台
• 5.2 动力调谐陀螺仪再平衡回路标度因数测试
• 5.3 动力调谐陀螺仪漂移测试
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 课题展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢