專利名稱：一種陀螺羅盤伺服控制裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種陀螺羅盤伺服控制裝置。
技術背景慣性尋北技術是慣性技術領域的重要組成部分。它通過測量或敏感地球速率來獲得北 向信息，從而測量出任意測點的真子午線位置，實現找北過程。隨著精確測量技術的發展， 尋北定位也出現了諸多方法如慣性法、天文觀測法、大地測量法、衛星定位法、參照物 法等多種高精度尋北方法。但是，在坑道、水下等復雜地形和復雜天候環境等特殊條件下， 天文觀測法，大地測量法、衛星定位法和參照物法都會受到不同程度的條件制約，或者精 度低，或者根本無法實施。只有慣性法才能不受自然條件或環境的干擾，獨立完成尋北任 務，而且具有連續工作時間長、精度高等特點。因此，對慣性尋北方法的研究有它獨特的 應用價值。尋北裝置在許多領域得到了廣泛的應用，除了在航空、航天、航海導航及武器制導等 方面具有非常重要的應用外，在其他如遂道施工、礦山開采、大地測量、資源勘測等民用 工程領域中也越來越顯示出廣闊的應用前景。對于陀螺羅盤找北，目前有擺式陀螺羅盤和 捷聯式速率陀螺羅盤。擺式陀螺羅盤是把具有較大角動量H的陀螺馬達懸掛起來，構成下擺結構的三自由度 陀螺儀。在找北力矩和重力矩的雙重作用下，H軸圍繞當地地球子午面做扁橢圓運動，因 此它能夠提供或敏感"北向"，從而實現尋北。該方案的最大特點是尋北精度高，但尋北 時間長，可達一個小時。早期的擺式陀螺羅盤尋北性能受吊絲特性影響較大，穩定性不好，對工作環境要求很 高。后來工作者們在吊絲的生產和穩定性處理方面采取了新的方法，使其性能得到進一步 改善，但同時也使制造工藝難度增大，成本提高。在尋北時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試已達到快速定向的目的，但這會降低測量精度。捷聯式速率陀螺羅盤是將速率陀螺和加速度計固聯在轉臺臺面上，陀螺測量地球自轉 角速度的北向分量，加速度計測量轉臺臺面的姿態信息，通過轉臺多位置轉動實現尋北。 該方案的最大特點是陀螺不產生任何擺動，陀螺羅盤結構簡單，尋北過程十分短暫。捷聯式尋北系統結構簡單、原理明晰、易于實現，因此得到廣泛重視和深入發展。目 前，捷聯式尋北方案已經成為國內外研究的熱點。基于對捷聯式尋北系統的原理和優點的分析，若要實現整個系統能夠準確的對真北方 向進行定位，就要求轉臺有較高的定位精度，以實現定向時間短、精度高的方位信息的測 量。實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是提供一種通過對轉臺進行分度定位控制，使轉臺快 速、穩定、準確的定位，保證陀螺在轉動中不受沖擊，以實現陀螺多位置測量的陀螺羅盤 伺服控制裝置。本實用新型的陀螺羅盤伺服控制裝置包括控制器，光電編碼器，電機驅動器，電機； 所述的控制器分別與光電編碼器和電機驅動器連接，電機驅動器與電機電源連接；控制器 接收光電編碼器輸出的代表轉臺轉動位置和速度信息的數據，并根據位置信息數據與預先 存儲的轉臺定位位置數據之差調整速度給定值，計算速度給定值與光電編碼器輸出的轉臺 轉動速度數據之差值，根據該差值實時調整輸出的調寬波的占空比，通過電機驅動器驅動 電機運轉，使電機帶動轉臺轉動并停在定位位置。本實用新型光電編碼器、控制器構成位置、速度閉環反饋回路，控制器接收光電編碼 器輸出的數據以獲得旋轉電機的位置和速度信息，同時根據該數據與預先存儲的轉臺定位 位置數據之差調整速度給定值，計算速度給定值與光電編碼器輸出的轉臺轉動速度數據之 差值，根據該差值實時調整輸出的調寬波的占空比。當轉臺位置與其定位位置之間距離較 大時，控制器輸出的調寬波占空比較高，能夠驅動電機快速運轉；隨著的轉臺位置與其定 位位置之間的距離逐漸縮短，控制器輸出的調寬波占空比也逐漸降低，使電機的轉速逐漸 減小，直至轉臺停在定位位置，轉臺定位快速、穩定、準確，保證了陀螺在轉動中不受沖擊，能夠實現陀螺的多位置準確測量。 所述的控制器采用數字信號處理器。所述的數字信號處理器采用位置、速度雙閉環的控制算法，根據電機的轉速和位置調 整輸出的調寬波的占空比。數字信號處理器事件管理器的比較單元輸出調寬波，通過電機 驅動器帶動電機轉動，同時通過定時器設定采樣頻率，在每個采樣周期內，通過控制算法 使比較寄存器會按照計算出來的值不斷更新，產生的調寬波使電機在既定的時間內達到給 定的速度和位置。本實用新型還可以包括存儲器，存儲器與數字信號處理器連接，作為數字信號處理器 的外部數據存儲器，并使數字信號處理器能夠進行在線仿真。本實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字信號處理器連接。 隔離芯片的作用是進行電平轉換。
以下結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。
圖l為本發明結構框圖。圖中l光電編碼器，2控制器，3電機驅動器，4電機，5存儲器， 6隔離芯片。圖2為本發明控制器2內部程序流程圖。
具體實施方式
如圖1所示，本實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 驅動器3，電機4，存儲器5，隔離芯片6。所述的控制器2采用數字信號處理器；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的輸出連接到數字信號處理器的正交編碼 脈沖電路，由隔離芯片6將電平由5v轉換為3.3v;數字信號處理器的PWM輸出與電機驅動器 3的輸入連接，電機驅動器3的輸出接到電機4的電源正負極；存儲器5與數字信號處理器通 過數據線、地址線和控制線連接。數字信號處理器采用位置、速度雙閉環的控制算法，數 字信號處理器事件管理器的比較單元輸出調寬波，通過電機驅動器3帶動電機4轉動，同時 通過定時器設定采樣頻率，在每個采樣周期內，通過控制算法使比較寄存器會按照計算出來的值不斷更新，產生的調寬波使電機4在既定的時間內達到給定的速度和位置。本發明的陀螺羅盤伺服控制裝置在整個系統的工作中完成兩部分工作自檢和分度定 位控制。系統上電，本裝置首先進行自檢轉臺先逆時針旋轉，當旋轉到限位開關I動作時， 電機4暫停工作0.5S，數字信號處理器根據接收的光電編碼器1輸出的數據確定電機4的 位置；然后轉臺順時針旋轉，當旋轉到限位開關II動作時，電機4暫停工作，同時數字信 號處理器根據接收的光電編碼器1輸出的數據確定電機4的位置；轉臺再逆時針旋轉，當 旋轉到限位開關II動作時，數字信號處理器根據接收的光電編碼器1輸出的數據確定電機 4的位置；此時光電編碼器1輸出的數據為工作起始位置。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4轉速穩定，轉速為8.3r/min，整個自檢 時間在20s內完成。本裝置可以選擇快速(每圈72點)或高精度(每圈180點)兩種工作模式，接著使 轉臺順時針旋轉，同時進行分度定位控制，具體過程如下-數字信號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 轉電機4的位置信息。采用位置、速度雙閉環的控制算法，數字信號處理器事件管理器 的比較單元輸出脈寬調制信號，信號通過電機驅動器3帶動電機4轉動，同時通過定時器 設定采樣頻率，在每個采樣周期內，通過控制算法使比較寄存器會按照計算出來的值不斷 更新，產生的調寬波使電機4在既定的時間內達到給定的速度和位置。通過對每點的位置和速度進行實時校正，電機4的速度為8.3r/min，兩種模式分別對 應每點轉動角度為4°和2° ，轉動時間為0.17s和0.13s，定位精度不超過6'。當轉臺順 時針轉動到限位開關l再次動作時，電機4停止轉動，完成工作。所述的數字信號處理器采用TMS320LF2407A;存儲器5采用CY7C1041靜態存儲器5; 電機驅動器3采用L6203;電機4采用直流力矩電機4;隔離芯片6采用IL711;本實用新型電源管理單元由兩部分組成a) 選用MORNSUN公司生產的DC/DC模塊B2405,對單一的24V輸入電壓進行調整， 輸出一路5V電源，24V電源作為電機驅動器3的工作電源。b) 選用Micrel公司生產的MIC5209—3.3BS，由24V轉換而來的5V作為輸入電壓， 進行調整后，輸出一路3.3V電源作為數字信號處理器、存儲器5的工作電源。
權利要求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)，電機驅動器(3)，電機(4)；所述的控制器(2)分別與光電編碼器(1)和電機驅動器(3)連接，電機驅動器(3)與電機(4)電源連接；控制器(2)接收光電編碼器(1)輸出的代表轉臺轉動位置和速度信息的數據，并根據位置信息數據與預先存儲的轉臺定位位置數據之差調整速度給定值，計算速度給定值與光電編碼器(1)輸出的轉臺轉動速度數據之差值，根據該差值實時調整輸出的調寬波的占空比，通過電機驅動器(3)驅動電機(4)運轉，使電機(4)帶動轉臺轉動并停在定位位置。
2、 根據權利要求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 用數字信號處理器。
3、 根據權利要求2所述的陀螺羅盤伺服控制裝置，其特征在于還包括存儲器(5)，存 儲器(5)與數字信號處理器連接，作為數字信號處理器的外部數據存儲器。
4、 根據權利要求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)與數字信號處理器連接。
專利摘要本實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，電機驅動器，電機；所述的控制器接收光電編碼器輸出的代表轉臺轉動位置和速度信息的數據，并根據位置信息數據與預先存儲的轉臺定位位置數據之差調整速度給定值，計算速度給定值與光電編碼器輸出的轉臺轉動速度數據之差值，根據該差值實時調整輸出的調寬波的占空比，通過電機驅動器驅動電機運轉，使電機帶動轉臺快速、穩定轉動并準確停在定位位置，保證了陀螺在轉動中不受沖擊，能夠實現陀螺的多位置準確測量。
文檔編號G01C19/00GK201163190SQ20072009474
公開日2008年12月10日 申請日期2007年12月10日 優先權日2007年12月10日
發明者暢 劉, 李建榮, 杜璧秀, 沈鋮武, 王志乾, 雁 趙, 高峰端 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所