陀螺仪全数字再平衡回路的设计与实现

论文摘要

陀螺仪是惯性导航系统中的重要测量元件,它敏感运动物体相对于惯性空间的角运动,被广泛应用于航天、航空和航海等领域,其性能的好坏在整个系统中起着关键性的作用。液浮陀螺仪是目前应用最广泛的陀螺之一,再平衡回路与陀螺仪一起构成了角速度测量装置,因此设计高精度的再平衡回路具有十分重要的意义。本课题首先以陀螺动力学原理和运动学分析原理为理论工具,以实现控制系统数字化为目的,明确了陀螺仪输入角、输出角的物理含义,推导了陀螺仪开环传递函数模型并进行了频谱分析;阅读了大量的文献后,分析了模拟再平衡回路和数字再平衡回路的特点,比较了两者的优劣,结合本课题陀螺仪结构性能特点,确定了二元调脉冲宽为再平衡回路的施矩方案。本文主要内容包括:分析了自抗扰控制器的相关内容,结合自抗扰控制系统结构框图,给出了跟踪微分器、扩张状态观测器和非线性校正的功能描述,并分析了跟踪微分器、非线性校正和扩张状态观测器数学描述中各参数的特点;设计了基于自抗扰控制方法的陀螺再平衡回路,主要包括:设计了再平衡回路自抗扰控制器的结构,整定了自抗扰控制器的各个参数。仿真结果表明:自抗扰控制方法具有很好的控制效果;针对液浮陀螺仪再平衡回路信号的频谱特点,应用欠采样技术对再平衡回路的信号进行采样处理,设计出无限冲击响应二阶巴特沃斯低通滤波器,经过matlab仿真实验,证明欠采样方法对再平衡回路信号处理的切实可行;以TI公司TMS320F2812DSP作为硬件电路核心,设计了数字脉冲再平衡回路,通过DSP控制A/D采样陀螺仪信号器,并实现数字ADRC控制,最后以二元脉冲调宽给陀螺仪施加恢复力矩,迫使陀螺仪绕输入轴进动。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景来源及目的意义
• 1.2 平台式惯性导航及相关技术
• 1.2.1 惯性技术的概念
• 1.2.2 平台式惯性导航系统
• 1.3 再平衡回路的发展及现状
• 1.4 课题的研究内容及章节安排
• 第2章 单自由度液浮陀螺仪再平衡回路的研究与设计
• 2.1 液浮陀螺仪的工作原理和运动方程
• 2.1.1 单自由度陀螺仪的运动描述
• 2.1.2 单自由度陀螺的运动方程
• 2.1.3 力反馈速率陀螺的工作原理和传递函数
• 2.2 再平衡回路方案的研究与选择
• 2.2.1 再平衡理论
• 2.2.2 数字再平衡回路施矩方式的研究与选取
• 2.2.3 再平衡回路系统框图
• 2.3 系统采样频率的研究分析与选择
• 2.3.1 奈奎斯特采样理论分析
• 2.3.2 欠采样理论分析及其在再平衡回路中的应用
• 2.4 滤波器的选择与使用
• 2.5 本章小结
• 第3章 控制方案的分析与选择
• 3.1 传统PID控制的结构及优缺点
• 3.2 再平衡回路自抗扰控制器的研究与设计
• 3.2.1 自抗扰控制基本理论
• 3.2.2 自抗扰控制系统设计方法
• 3.2.3 再平衡回路的ADRC设计
• 3.2.4 自抗扰控制器参数整定方法
• 3.2.5 仿真结果及分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 再平衡回路的硬件电路设计
• 4.1 再平衡回路的整体设计方案
• 4.2 DSP最小系统的设计
• 4.2.1 系统电源的设计
• 4.2.2 时钟电路的设计
• 4.2.3 复位电路的设计
• 4.2.4 存储器扩展电路的设计
• 4.2.5 DSP与JTAG接口设计
• 4.3 滤波电路的设计
• 4.4 A/D采样电路的设计
• 4.5 A/D芯片与数字信号处理器接口电路的设计
• 4.6 力矩电流发生器设计
• 4.6.1 恒流源结构分析
• 4.6.2 恒流源的设计
• 4.6.3 极性开关电路的设计
• 4.7 与导航计算机接口电路的设计
• 4.8 本章小结
• 第5章 系统的软件设计
• 5.1 DSP开发系统简介
• 5.2 系统软件的实现
• 5.2.1 系统的初始化
• 5.2.2 A/D采样
• 5.2.3 低通滤波器
• 5.2.4 ADRC控制算法
• 5.2.5 PWM波形生成
• 5.3 系统的调试与实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢