专利名称：一种用于高速滚转载体的陀螺稳定平台及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种陀螺稳定平台。
技术背景
陀螺稳定平台能够隔离载体扰动，在载体运动状态下建立稳定基准面，使安装在平台上的设备不会因载体运动产生的抖动和滚动而无法正常工作。其主要特征是采用惯性测量单元作为角运动敏感元件，不断测量平台姿态位置的变化，通过伺服作动机构使平台台体与载体的角运动相隔离，精确保持平台台体姿态基准。
陀螺稳定平台集惯性导航、数据采集及信号处理、精密机械动力学建模和仿真、电机运动控制等多项技术于一身，是以机电一体化和目标识别自动控制技术为主体，多个学科有机结合的产物，有广泛的应用需求。例如钻井开采作业中，旋转导向钻井工具的陀螺稳定平台是整个导向工具中的关键部分，稳定平台可以不受钻杆旋转的影响而相对稳定在一个给定的角度，从而使旋转导向系统能够在钻井工具和导向块旋转时，钻井工具稳定的跟踪预置钻井轨迹，实现井的钻采。
公开号为CN1305091的专利“陀螺定向稳定平台”给出了一种陀螺定向稳定平台， 当运动载体颠簸使平台台体偏斜时，通过驱动装置将平台台体校正回水平姿态。公开号为 CN2204069的专利“陀螺稳定平台二轴天线装置”给出了一种陀螺稳定平台二轴天线装置， 当船体摇摆时，利用陀螺稳定平台上旋转飞轮形成的陀螺力矩与干扰力矩方向相反，达到维持天线装置原水平状态。公开号为CN101619971的专利“一种三自由度大负载航空摄影陀螺稳定平台”给出一种三自由度大负载航空摄影陀螺稳定平台，根据飞机机体角运动引起的平台台体角运动信息，驱动系统驱动平台台体转动实现飞机机体角运动的隔离。公开号为CN101382805的专利“速率陀螺稳定平台式天线随动跟踪系统”给出一种高精度二自由度稳定平台，在不同海况下实现绕X轴转动、绕Y轴转动两个自由度运动。对于高速滚转载体而言，载体会绕轴高速旋转，且它们的滚转角加速度非常大，因此需要稳定平台具有很好的动态品质。载体在运行过程中会出现大过载，瞬间需要驱动电机输出较大的力矩克服摩擦力。轴系结构的不均勻，使得稳定平台有可能出现卡死现象，导致平台无法正常工作， 需要稳定平台具有克服机械结构不均勻的能力。稳定平台安装在高速滚转载体中，空间有限，工作环境恶劣，需要承受高低温、强振动、大离心力等苛刻条件。上述几种稳定平台设计方法无法应用于高速滚转载体。文献《基于DSP的单轴稳定平台伺服控制系统设计》给出了一种单轴稳定平台伺服控制系统设计方法。该方法的控制器和驱动器没有采用电气隔离设计，驱动电机的工作对控制器和陀螺的工作产生严重电磁干扰，而且该文献没有根据高速滚转载体运行特性提出相应控制方法。发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种用于高速滚转载体的陀螺稳定平台及其控制方法，使得平台台体在高速滚转载体运行过程中，精确保持姿态基准，适用于各种滚转载体的稳定基准面问题，同时克服了电磁干扰。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种用于高速滚转载体的陀螺稳定平台，包括平台台体、伺服电机、编码器和伺服驱动控制器，平台台体上安装有被稳定对象和陀螺。陀螺作为角运动信息传感器，测量平台台体相对基准平面的角运动信息，给伺服驱动控制器提供控制反馈信息。编码器测量伺服电机转子相对定子的角度信息，为伺服驱动控制器的高精度跟踪控制提供角度信息。伺服驱动控制器根据陀螺传送过来的角运动信息，分析平台台体相对于基准平面的角运动状态，以该角运动信息作为反馈信息，采用PID 控制策略，利用编码器提供的角度信息和实时检测的伺服电机相电流对电流进行空间矢量变换，通过空间矢量脉宽调制控制功率开关管的开通和关断，实现对伺服电机的控制。伺服电机输出力矩，克服支撑轴承摩擦及负载不均勻引起的平台台体的旋转，抵消对应的平台台体旋转，使平台台体隔离载体的运动，高度保持动态姿态基准。
所述的伺服电机采用永磁同步电机。
所述的伺服驱动控制器由控制电路和电机驱动两部分组成。控制电路以 TMS320F2812 DSP芯片作为CPU。电机驱动采用三相全控桥将直流母线电压变换成对称的三相交流电，给伺服电机的定子供电，使得伺服电机具有宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应等良好的性能。伺服驱动控制器的控制电路和电机驱动部分采用不同的电路板实现相应的功能，且三相全控桥的设计采用分立元件构建，使得整体结构紧凑，体积占用小，质量小，适应高速滚转载体狭小的空间。
所述的伺服驱动控制器的控制电路和电机驱动采用电气隔离设计，降低由于采用斩波方式控制永磁同步电机进行功率开关管的开通和关断会引起的电磁干扰。系统提供的 27V电源直接提供给伺服电机。伺服驱动控制器的控制电路和陀螺的供电采用系统27V电源经隔离变换得到的电源；采用霍尔电流传感器进行伺服电机的相电流采样。从而实现电机驱动部分和控制电路的完全电气隔离。
本发明还提供上述装置的控制方法，包括以下环节
1)对陀螺测量的角运动信息进行滤波处理，以降低振动冲击和空间电磁干扰对陀螺测量的影响。然后把滤波后的角度信息作为控制环节中平台台体相对基准平面的角度； 滤波后的角速度信息作为控制环节中平台台体相对基准平面的角速度。
2)采用分段PI控制策略。内环控制采用电流环，中间控制环节是速度环，外环控制是位置环。位置环的反馈为平台台体相对基准平面的角度；位置环的给定为零。速度环的反馈是位置环输出与平台台体相对基准平面角速度的和；速度环的给定为零。电流环的给定为速度环的输出；电流环的反馈为伺服电机的相电流。
该环节中位置环和速度环PI控制策略增加抗积分饱和环节，使得稳定平台因轴系结构不均勻以及轴向大过载原因出现的卡死现象消失后能够正常工作。
该环节中电流环输出直轴电流和交轴电流的阈值由伺服电机转子相对定子的速率决定，抑制相电流的急速升高，避免载体运行过程中大加速度和轴向大过载造成的直轴电流和交轴电流迅速升高而烧坏功率开关管现象，保护功率开关管，提高了系统的控制性能和可靠性。交轴电流最大阈值Gtrmax)可根据下式确定
iq-max = an+v ‘ a12
其中，an为永磁同步电机以额定转速的0. 1倍运行，输出额定转矩时对应的交轴电流。ν为永磁同步电机转子相对定子的速率，取值大于等于0且小于等于额定转速。^i12 为速率因子，取值为
a12 = (iqN-an)/vN
其中，iqN为永磁同步电机以额定转速运行输出额定转矩时对应的交轴电流；vN为永磁同步电机额定转速。直轴电流最大阈值与交轴电流最大阈值相同。直轴电流最小阈值和交轴电流最小阈值分别取直轴电流最大阈值和交轴电流最大阈值的相反数。
幻采用基于空间矢量脉宽调制技术的矢量控制驱动永磁同步电机输出力矩。根据电流环的输出，产生不同的调制波，开通和关断三相全控桥中对应的功率开关管，使永磁同步电机输出不同的力矩，克服支撑轴承摩擦及负载不均勻引起的平台台体的旋转。
本发明的有益效果是1)采用永磁同步电机驱动稳定平台以及分段PID控制策略，具有较高的角度动态、稳态稳定精度，以及较高的角速度动态、稳态稳定精度；幻能够适应高滚转速率运动的载体；幻能够适应大加速度滚转载体运动；4)能够克服由于机械加工不均勻所造成的瞬间卡死力)能够在大轴向过载状态下，正常工作。因此，本发明装置应用于高速滚转载体中，可保证在恶劣运行条件下精确保证姿态基准。
图1为陀螺稳定平台组成框图。
图中，1-平台台体，2-伺服电机，3-编码器，4-伺服驱动控制器。
图2为伺服控制器结构框图。
图中，5-输入电源，6-电源变换，7-电流采样，8-隔离变换，9-陀螺，10-CPU， 11-隔离输出，12-功率驱动。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明装置实施实例的结构参照图1，由平台台体1、伺服电机2、编码器3和伺服驱动控制器4组成。伺服电机转子，编码器转子及平台台体同轴联结；而伺服电机定子，编码器定子则与载体外壳相连。伺服电机安装在载体端部位置。伺服驱动控制器的控制电路与驱动电路分立设计，安装在伺服电机尾部。编码器采用轴套与伺服电机转子轴联结，方便可靠。装置整体结构紧凑，体积占用小，便于在不同载体间移植，便于一体化电磁屏蔽，提高电磁兼容能力。
本装置伺服电机2选用永磁同步电机，具有体积小、结构简单、控制调节方便、调速范围广、动态响应快等优点，满足稳定精度高、动态响应快的要求。其主要性能如下无刷，额定电压27V，额定转速1800rpm，工作温度_40°C +80°C，电机设计磁钢选用钕铁綳， 铁芯材料选用DW360。
本装置编码器3采用霍尔磁电编码器作为位置检测元件，体积小，重量轻，精度高，为永磁同步电机的高精度伺服控制提供角度信息。霍尔磁电编码器安装到伺服电机转子之后，用铝箔将编码器本体屏蔽起来，降低外界电磁干扰对编码器的影响。
输入电源5经过电源变换提供给整个系统工作。DSP需要的电源由输入电源5经过隔离变换8提供；电机驱动部分需要的+5V电源和+15V电源由输入电源5经过电源变换6提供。
电流采样7采用霍尔电流传感器ACS712，实现永磁同步电机相电流的隔离采样， 为永磁同步电机控制提供电流信号。
安装在本装置平台台体上的陀螺9采用速率陀螺，量程为-250° /s 250° /s, 提供平台台体的角速度信息。
隔离输出11将控制部分和电机驱动部分相互隔离，防止永磁同步电机对DSP的工作产生干扰，保证装置运行的可靠性。考虑装置的体积和可靠性，隔离芯片采用ADUM1401。
本装置电路板体积较小，而且是小功率电路，功率驱动12采用分立元件搭建。选用功率MOSFET IRFR3412，具有输入阻抗高、开关频率高、通态电压低、热稳定性好、导通阻值低、体积小、发热量小、价格便宜、保护电路简单等优点，便于紧凑化设计。该功率开关管的最大输入电流可以高达40A，避免稳定平台运行过程中由于电流毛刺产生损坏功率开关管的现象。综合考虑所选电机容量及开关频率需求，驱动芯片选用高速功率场效应管驱动芯片 IR2103S。
本装置伺服驱动控制器CPU 10采用TMS320F2812 DSP芯片，时钟频率为150MHz， 充分利用DSP芯片的高速信号处理能力和电机控制优化的外围电路，以及控制精度高、抗干扰能力强和成本较低等优点，为高性能伺服跟踪控制提供可靠、高效的信号处理与硬件控制。DSP所需要的外围电路由电源接口、电源电压转换芯片、时钟电路、JTAG接口电路、 SCI接口电路、AD接口电路、CAP接口电路、EV接口电路及保护电路构成。为减少尺寸，采用四层PCB板，并对电源地进行了分割以减少干扰。
伺服驱动控制器CPU分析处理陀螺的输出信号，将陀螺输出的角速度信号进行积分得到平台相对基准平面的角度信号，作为位置环的反馈；位置环的给定为零。速度环的反馈由位置环的输出和陀螺输出的角速度组成，二者通过加权因子进行匹配，决定速度环反馈值。电流环部分根据速度环的输出，以及永磁同步电机转子的位置信息和转子的相电流，进行空间矢量变换，发出控制指令。控制指令经ADUM1401隔离后送入^2103S，控制6 个MOSFET IRFR3412的开通和关断，驱动永磁同步电机运行，保持平台台体的高精度姿态稳定。
本发明装置实施实例中的控制方法如下所述。
1)本实施实例中采用平均值滤波方法，对陀螺测量的角速度信息进行滤波。滤波后的角速度信息作为控制环节中平台台体相对基准平面的角速度。滤波后的角速度积分得到的角度信息，作为控制环节中平台台体相对基准平面的角度。本实施实例还可采用中位值滤波法、中位值平均滤波法。
2)本实施实例中采用分段PI控制策略。内环控制采用电流环，中间控制环节是速度环，外环控制是位置环。电流环执行周期为100微秒；速度环的执行周期为1毫秒；位置环的执行周期为5毫秒。本实施实例中的位置环执行周期还可以是10毫秒。
位置环的反馈为平台台体相对基准平面的角度；位置环的给定为零。速度环的反馈是位置环输出与平台台体相对基准平面角速度的和；速度环的给定为零。电流环的给定为速度环的输出；电流环的反馈为伺服电机的相电流。
位置环和速度环根据误差的不同，设置不同的比例因子和积分因子，提高系统的响应速度和控制精度。分段PI控制策略中的各环参数设置为位置环中，当位置误差小于2度时，比例因子为0. 8，积分因子0. 01 ；当位置误差大于2度时，比例因子为0. 6，积分因子 0. 005。速度环中，当误差小于20度/秒时，比例因子为8，积分因子0. 05 ；当位置误差大于 20度/秒时，比例因子为3，积分因子0. 01。直轴电流的电流环比例因子为0. 7，积分因子 0. 01 ；交轴电流的电流环比例因子为0. 5，积分因子0. 045。
位置环抗积分饱和环节最大阈值为180，最小阈值为-180。当位置环输出量大于 180，只累加负的误差；当位置环输出量小于-180，只累加正的误差。本实施实例中的位置环抗积分饱和环节最大阈值还可以是270、360，最小阈值还可以是-270、-360。
速度环抗积分饱和环节最大阈值为900，最小阈值为-900。当速度环输出量大于 900，只累加负的误差；当速度环输出量小于-900，只累加正的误差。本实施实例中的速度环抗积分饱和环节最大阈值还可以是1800、3600，最小阈值还可以是-1800、-3600。
电流环中直轴电流最大输出阈值和交轴电流最大输出阈值imax = 3+ν ·0035，其中 ν为永磁同步电机转子相对定子的速率。直轴电流最小阈值和交轴电流最小阈值分别取直轴电流最大阈值和交轴电流最大阈值的相反数。
3)根据电流环输出的直轴电流和交轴电流，产生不同的调制波，开通和关断三相全控桥中对应的功率开关管，使永磁同步电机输出不同的力矩，抵消对应的平台台体旋转， 使平台台体隔离载体的运动，高度保持动态姿态基准。
权利要求
1.一种用于高速滚转载体的陀螺稳定平台，包括平台台体、伺服电机、编码器和伺服驱动控制器，其特征在于平台台体上安装有被稳定对象和陀螺；陀螺作为角运动信息传感器，测量平台台体相对基准平面的角运动信息，给伺服驱动控制器提供控制反馈信息；编码器测量伺服电机转子相对定子的角度信息，为伺服驱动控制器提供角度信息；伺服驱动控制器根据陀螺传送过来的角运动信息，分析平台台体相对于基准平面的角运动状态，以该角运动信息作为反馈信息，采用PID控制策略，利用编码器提供的角度信息和实时检测的伺服电机相电流对电流进行空间矢量变换，通过空间矢量脉宽调制控制功率开关管的开通和关断，实现对伺服电机的控制；伺服电机输出力矩，克服支撑轴承摩擦及负载不均勻引起的平台台体的旋转，抵消对应的平台台体旋转，使平台台体隔离载体的运动，高度保持动态姿态基准。
2.根据权利要求1所述的用于高速滚转载体的陀螺稳定平台，其特征在于所述的伺服电机采用永磁同步电机。
3.根据权利要求1所述的用于高速滚转载体的陀螺稳定平台，其特征在于所述的伺服驱动控制器由控制电路和电机驱动两部分组成，控制电路以TMS320F2812DSP芯片作为 CPU,电机驱动采用三相全控桥将直流母线电压变换成对称的三相交流电，给伺服电机的定子供电。
4.根据权利要求1所述的用于高速滚转载体的陀螺稳定平台，其特征在于所述的伺服驱动控制器的控制电路和电机驱动采用电气隔离设计；系统提供的27V电源直接提供给伺服电机，伺服驱动控制器的控制电路和陀螺的供电采用系统27V电源经隔离变换得到的电源，采用霍尔电流传感器进行伺服电机的相电流采样。
5.一种权利要求1所述用于高速滚转载体的陀螺稳定平台的控制方法，其特征在于包括下述步骤1)对陀螺测量的角运动信息进行滤波处理，把滤波后的角度信息作为控制环节中平台台体相对基准平面的角度，把滤波后的角速度信息作为控制环节中平台台体相对基准平面的角速度；2)采用分段PI控制策略，内环控制采用电流环，中间控制环节是速度环，外环控制是位置环；位置环的反馈为平台台体相对基准平面的角度；位置环的给定为零；速度环的反馈是位置环输出与平台台体相对基准平面角速度的和，速度环的给定为零；电流环的给定为速度环的输出，电流环的反馈为伺服电机的相电流；3)采用基于空间矢量脉宽调制技术的矢量控制驱动永磁同步电机输出力矩；根据电流环的输出，产生不同的调制波，开通和关断三相全控桥中对应的功率开关管，使永磁同步电机输出不同的力矩，克服支撑轴承摩擦及负载不均勻引起的平台台体的旋转。
6.根据权利要求5所述的用于高速滚转载体的陀螺稳定平台的控制方法，其特征在于所述的步骤2、中位置环和速度环PI控制策略增加抗积分饱和环节。
7.根据权利要求5所述的用于高速滚转载体的陀螺稳定平台的控制方法，其特征在于所述的步骤幻中电流环输出直轴电流和交轴电流的阈值由伺服电机转子相对定子的速率决定，交轴电流最大阈值=；其中，an为永磁同步电机以额定转速的0. 1 倍运行，输出额定转矩时对应的交轴电流，ν为永磁同步电机转子相对定子的速率，取值大于等于0且小于等于额定转速，a12为速率因子，a12= (iqN-ail)/vN，其中，iqN为永磁同步电机以额定转速运行输出额定转矩时对应的交轴电流；vN为永磁同步电机额定转速；直轴电流最大阈值与交轴电流最大阈值相同，直轴电流最小阈值和交轴电流最小阈值分别取直轴电流最大阈值和交轴电流最大阈值的相反数。
全文摘要
本发明公开了一种用于高速滚转载体的陀螺稳定平台及其控制方法，平台台体上安装有被稳定对象和陀螺；陀螺测量平台台体的角运动信息，编码器测量伺服电机转子相对定子的信息，伺服驱动控制器根据角运动信息分析平台台体相对于基准平面的角运动状态，采用PID控制策略，利用编码器提供的角度信息和实时检测的伺服电机相电流对电流进行空间矢量变换，控制伺服电机输出力矩，抵消对应的平台台体旋转。本发明应用于高速滚转载体中，可保证在恶劣运行条件下精确保证姿态基准。
文档编号G01C21/18GK102495645SQ20111038568
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月28日 优先权日2011年11月28日
发明者林辉, 王德成, 齐蓉 申请人:西北工业大学