直流力矩电机控制的动力陀螺稳定平台

机载SAR天线稳定平台的DSP数字控制器设计吕继宇 张绚丽雷宏(北京中国科学院电子学研究所)摘要：机载SAR（airborne Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达）中，用三轴稳定平台隔离载机的姿态变化及机械振动来稳定天线波束指向是关键的运动补偿技术之一。

本文提出用TMS320LF2407 DSP芯片设计机载SAR三轴陀螺稳定平台的数字控制器，介绍了机载SAR 对稳定平台的要求和TMS329LF2407 DSP芯片用于运动控制器设计的优点，给出了控制系统的原理方框图、数学模型和DSP数字控制器结构图。

关键词：机载SAR，稳定平台，TMS320LF2407 DSP，数字控制器中图分类号：TN911.72; TN820 文献标识码：ADesign of Based-DSP Digital Controller for Airborne SARAntenna Stabilized Platform(Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing, 100080)Lv jiyu , Zhang xuanli, Lei hongAbstract: Three-axis stabilized platform, as a key motion compensation technology for airborne Synthetic Aperture Radar (SAR), is used to isolate attitude variations and mechanical vibration from aircraft, resulting in stable antenna pointing. In this paper design of based-TMS320LF2407 DSP digital controller for airborne SAR antenna three-axis stabilized platform is presented. The requirement of airborne SAR to stabilized platform and the advantages of this DSP used to implement motion controller are described. The theoretic block and mathematic model of the control system as well as the structure of DSP digital controller are given.Keywords: Airborne SAR, Stabilized platform, TMS320LF2407 DSP, Digital controller1引言机载SAR是最早的成像雷达方式，因其受限制条件少，容易实现，灵活性强，容易实验新技术，并能得到及时维护的特点至今仍是研究的热点。

基于自抗扰控制器的力矩电机伺服系统控制刘洋（桂林电子科技大学电子工程与自动化学院，广西桂林541004）摘要：自抗扰控制器能将被控对象的内、外“总扰动”进行估计并用前馈补偿的方法将其抵消，适于力矩电机因直接驱动所带来干扰的补偿与控制。

针对测量噪声对线性自抗扰控制器观测器带宽的限制，提出了二阶线性自抗扰的相似结构（SLADRC），并结合三阶积分链式微分器对其效果进行了对比仿真验证。

力矩电机的仿真控制实验表明，与二阶线性自抗扰算法相比，基于相似结构的改进的力矩电机控制，能在有测量噪声情况下兼顾系统跟踪精度、突加负载时抗扰动性与抗噪性。

关键词：力矩电机；线性自抗扰控制器；测量噪声；扩张状态观测器Performance Analysis and Improvement on LADRC inDirect Drive TorqueMotor Servo SystemLIU Yang(School of Electronic Engineering and Automation,Guilin University of Electronic Technology,Guilin541004,China)Abstruct: Active disturbance rejection controller(ADRC) have the ability to estimate “total disturbance” of the plant including the internal and external disturbance，and the estimation can offset the total disturbance through the method of feedforward.ADRC is appropriatefor the anti-disturbance requirement of direct drive torque motor servo system.For the observer bandwidth limit caused by measurement noise,a similar linear auto disturbance rejection controller(SLADRC) is proposed.We carried out some simulation contrasts to verify the the algorithm combined with third-order integral chained differentiator subsequently.Results of control simulation experiment of torque motor show that,compared with Second-order LADRC, the improved control of torque motor based on the similar structure,was able to balance the tracking precision of the system, load disturbance and noise tolerance under the circumstance of measurement noise.Keywords:torque motor;LADRC;measurement noise;ESO1 引言力矩电机具有堵转力矩大、空载转速低、过载能力强的特点，适合应用于直接驱动负载的场合。

专利名称：一种陀螺自稳定控制方法
专利类型：发明专利
发明人：赵舒芸,宋方,刘继锋,李方昊,丁海妮申请号：CN202010598437.5
申请日：20200628
公开号：CN111796509A
公开日：
20201020
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开一种陀螺自稳定控制方法，该方法包括：明确并分析稳定平台的结构和工作原理；构建MEMS微机械陀螺模型，并计算其传递函数；构建直流力矩电机模型,并计算其传递函数；构建PWM功放环节模型,并计算其传递函数；综合整理各环节的传递函数，并计算得出整个稳定回路的开环传递函数、闭环传递函数；分析原始系统稳定回路时域性能；搭建双轴稳定平台稳定回路的仿真模型、调节PID参数，最终通过比例、积分、微分设定对被控对象进行校正控制。

本发明的陀螺自稳定控制方法，提高了稳定平台的动静态性能和抗干扰能力。

申请人：西安方元明科技股份有限公司
地址：710075 陕西省西安市高新区科技一路59号嬴园雅筑四号楼10401室
国籍：CN
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摘要:本文通过研究航空光电吊舱陀螺稳定系统，对其遗传算法进行控制。

航空光电吊舱作为一个系统具有大时延、非线性的特点，同时要求高跟踪以及精度稳定，因此对控制器提出更高的要求。

基于遗传算法（GA）的PID控制技术抗干扰能力较强，能够提高控制系统对高速动态目标的跟踪能力。

关键词:陀螺稳定系统双闭环控制遗传算法Matlab航空光电吊舱陀螺稳定系统，即吊舱结构形式的机载光电跟踪系统。

它将光电载荷安装在稳定平台上，借助陀螺稳定平台隔离载机的振动，进而获得平台空间，通过控制指令的驱动，完成光电载荷对目标的搜索、捕获、跟踪、定位等一系列的任务。

针对机载光电测量仪器放的稳定性，我们设计了一个两维的支撑平台稳像系统，借助该系统吊舱可以完成搜索与跟踪两项基本任务[1]。

1系统的组成稳像系统由主体仪器、控制放大器和脱靶量计算单元三大部分组成，如图1所示[2]：主体仪器：对于稳像系统而言，两轴支撑的常平架结构构成主体仪器。

外环（方位环）垂直装设于基座上，光电测量仪则装设在内环（水平环）上。

正交处理内、外环的转动轴，外环呈360°全周转动。

将二自由度挠性陀螺仪分别装设在内、外环上，借助锁定回路形成速率陀螺，用以量测两轴转动的角速度。

控制放大器：控制放大器对两环上驱动电机转动的控制是根据操作指令和跟踪目标的脱靶量实现的，确保隔离基座摇摆或测量仪的光轴始终锁定施测目标。

脱靶量计算单元：参照由光电跟踪仪测得的图像信息，脱靶量计算单元用以计算目标的脱靶量，处理结果输入控制器作为系统位置环的输入量。

2系统的技术指标框架运动范围：360°全周转动，上仰60°，下俯90°。

指令状态运动角速度和角加速度的最小值分别为30°/s、50°/s2；当载体正弦摇摆频率为0～3Hz，幅值为2°时，稳像精度均在200（RMS）以上。

3建立系统控制模型基于系统工作原理绘出图1所示的原理方块图：θl位置校正速度校正PWM功放电机框架M f1/SθO陀螺AD速度环位置环图1光电吊舱陀螺稳定系统框图PWM功放：PWM功放在系统工作于线性区时可视为比例环节，其系数设为kM。

船舶稳定平台解决方案陀螺稳定平台（gyroscope-stabilized platform）利用陀螺仪特性保持平台台体方位稳定的装置。

简称陀螺平台、惯性平台。

用来测量运动载体姿态，并为测量载体线加速度建立参考坐标系，或用于稳定载体上的某些设备。

它是导弹、航天器、飞机和舰船等的惯性制导系统和惯性导航系统的主要装置。

稳定平台作为一种安放在运动物体上的设备，具有隔离运动物体扰动的功能。

稳定平台在航空航天、工业控制、军用及商用船舶中都有比较广泛的用途，例如航拍、舰载导弹发射台、船载卫星接收天线等。

船舶上工作面或者平台姿态检测，船载天线稳定平台系统，会应用倾角传感器定时（较长时间）读取数值，通过计算后，对稳定平台进行校正。

平台的实际运动由单片机控制外部机械装置以达到对稳定水平平台进行修正，以保证其始终处于水平状态。

某些倾角传感器作为船体液压调平系统中的反馈元件，提供高精度的倾角信号。

既可用于水下钻进也可用于水下开采等。

在国外，陀螺稳定跟踪装置被广泛应用于地基、车载、舰载、机载、弹载以及各种航天设备中。

20世纪40年代末，为了减少车体振动对行进间射击的影响，在坦克上开始安装火炮稳定器，从50年代起，双稳定器在坦克中得到了广泛的应用。

在英、美等国的先进武器系统中，基于微惯性传感器的稳定跟踪平台得到了广泛的应用，如美国的M1坦克、英国“挑战者”坦克、俄罗斯T-82坦克、英国“标枪”导弹海上发射平台和“海枭”船用红外跟踪稳定平台等，都采用了不同类型的稳定跟踪平台。

美国海军采用BEI电子公司生产的QRS-10型石英音叉陀螺，研制出WSC-6型卫星通讯系统的舰载天线稳定系统，工作12万小时尚未出现故障；Honeywell公司以红外传感器平台稳定为应用背景，研制的以GG1320环形激光陀螺为基础的惯性姿态控制装置，很好的满足了稳瞄跟踪系统的要求。

美军配装的Honeywell公司采用激光陀螺技术研制的自行榴弹炮组件式方位位置惯性系统(MAPS6000) ，在工作时可连续提供高精度的方位基准、高程、纵摇、横摇、角速率、经度和纬度输出，性能大大高于美军MAPS系统规范的要求。

陀螺稳定平台（gyroscope-stabilized platform）是利用陀螺仪特性保持平台台体方位稳定的装置。

简称陀螺平台、惯性平台。

用来测量运动载体姿态，并为测量载体线加速度建立参考坐标系，或用于稳定载体上的某些设备。

它是导弹、航天器、飞机和舰船等的惯性制导系统和惯性导航系统的主要装置。

分类和组成：按结构形式可分为框架陀螺平台和浮球平台两种。

①框架陀螺平台。

按其稳定的轴数，又分为单轴、双轴和三轴陀螺稳定平台（图1）。

它主要由平台台体、框架系统（即内框架、外框架和基座）、稳定系统（由平台台体上的陀螺仪、伺服放大器和框架轴上的力矩电机等构成，又称稳定回路、伺服回路）和初始对准系统（包括平台台体上的对准敏感元件、变换放大器和稳定系统）等组成。

陀螺稳定平台使用何种陀螺仪作为稳定敏感元件，就称为何种陀螺平台，如气浮陀螺平台、液浮陀螺平台、挠性陀螺平台和静电陀螺平台等。

②浮球平台。

又称高级惯性参考球平台。

主要由浮球（即内球）、球壳（即外球）、信号传输系统、姿态读出系统、加矩系统、温控系统、自动校准与对准系统和计算机接口装置等组成（图2）。

工作原理：三轴陀螺稳定平台有3条稳定系统通道，2条初始对准系统水平对准通道和1条方位对准通道。

其工作状态：一是陀螺平台不受载体运动和干扰力矩的影响，能使平台台体相对惯性空间保持方位稳定；二是在指令电流控制作用下，使平台台体按给定规律转动而跟踪某一参考坐标系进行稳定。

利用外部参考基准或平台台体上的对准敏感元件，可以实现初始对准。

三轴陀螺稳定平台应用较广泛。

浮球平台的浮球内装3个陀螺仪、3个加速度计和电子组件，浮球与球壳之间充以低粘性的碳氢液体，通常用电动涡轮液压泵提供连续流动悬浮液，将浮球悬浮在球壳中。

在球壳上安装有倍增器、倍减器、姿态读出器（激励带式感应传感器）、加速度计读出器、温控器与计算机接口装置等。

浮球中的陀螺仪、加速度计和姿态传感器信号传输系统，采用混频和多路传输，经电刷送到直流线路并在外电子组件中处理，然后由载波编码，通过接口送到计算机中。

哈尔滨理工大学学报JOURNALOFHARBINUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY第25卷第4期2020年8月Vo.25 No.4Aug.2020稳定平台二阶自抗扰控制器设计朱海荣1,李奇2（1.南通大学电气工程学院，江苏南通226019 ；2,江苏工程职业技术学院机电学院，江苏南通2260143.东南大学自动化学院，南京210096）摘要：为了降低摩擦、电磁反电势、载体运动耦合、模型失配等因素对稳定平台的影响，使探测器轴线在惯性空间保持稳定，采用直流力矩电机直接驱动的安装方式，设计了稳定平台自抗扰控 制器。

自抗扰控制器(ADRC )由跟踪微分器(TD )、扩张状态观测器(ESO )和非线性状态误差反馈 控制律(NLSEF )三部分组成，利用TD 对参考输出进行轨迹规划，利用ESO 对系统输出进行状态和 扰动估计，利用NLSEF 对系统广义误差进行控制。

为了便于工程实现，在ESO 设计时采用了线性函数，既简化了 ESO 的结构，又保留了自抗扰控制的优良性能。

实验结果表明，采用自抗扰控制技 术以后，稳定平台的动态性能、稳态性能和抗干扰能力均得到了改善，取得了更好的控制效果$关键词：稳定平台；非线性干扰；自抗扰控制；跟踪微分器；扩张状态观测器DOF 10.15938/j. jhust. 2020.04.017中图分类号：TP273文献标志码：A 文章编号：1007-2683(2020)04-0122-07Design of a Two-orOeo Active DisturOanee Rejection Controll g o of a Stablg PlatformZ"U Hai-roog 1 , LI Ji 2(1. Electrical Engineering School , Nantong Universiq , Nantong 226019 , China ；2. School of Mechanical and Elec/ical Engineering , Jiangsu College of Engineering and Technologc , Nantong 226014 , China ；3. School of AutomaLon , Southeast University , Nanjing 210096 , China )Abstract :In ordat tv reduce tha inteWerenco of faction , electromayn/ic back EMF , cewdax motion coupling , model mismatch of tha stably platform to keep stably of tha Lnv of sight in tha inertial space , an activo disturbancerejection controllax ( ADRC ) is designed by direct d/vo installation of DC torqua motax. Tha ADRC is composed of threa pa/s : tracking dVferentiatvf (TD ) , extended stata observ/x ( ESO ) and nonlinexx stata w w c feedback law(NLSEFL ) . TD is used to track tha reference output , ESO is used to estimata tha stata and disturbance of tha system output , and NLSEF is used to control tha generalized wrav of tha system. In ordav to facilitate enginee/ny implementation , ESO is designed by Lnexv function which cen simplify its structure and retain tha excellent peWownanco of ADRC. Results of tha expe/ment show that tha stable platfown with ADRC /chnology has b/tevdynamic peWownanco , stexdy stata peWownanco and anti-inteWerenco capability.Keywoit : stabl platfown % nonlinexv disturbance ; activo disturbance rejection control ; trackingddferentiatav % extended state observav收稿日期：2018 -05 -01基金项目：国家自然科学基金(51307089)；国际科技合作专项(2015DFA10490)；南通市重点实验室项目(CP12015007)；江苏省高校青蓝工程项目%南通市基础科学研究项目(JC2018028)；江苏工程职业技术学院自然科学研究项目(GYKY/2018/2) •作者简介：李 奇(1963-),男，博士，教授，博士研究生导师.通信作者：朱海荣(1979—)，男，博士，副教授,E-mail ： haiw>ngzhu@163. com.第4期朱海荣等:稳定平台二阶自抗扰控制器设计123 0引言稳定以陀螺仪器件,通过伺服控元,可以隔扰动，线保持稳定(7。

第15卷第2期中国惯性技术学报V ol.15 No.2 2007年4月 Journal of Chinese Inertial Technology Apr. 2007文章编号：1005-6734(2007)02-0171-06三轴陀螺稳定平台控制系统设计与实现杨蒲，李奇（东南大学自动化研究所，南京 210096）摘要：针对高精度光电导引系统快速隔离扰动、稳定视轴的要求，设计了以速率陀螺为核心构成的三轴陀螺稳定平台。

结合某型号电视导引头设计过程，详细介绍了该三轴陀螺稳定平台的结构组成、主要元器件选型，以及软硬件实现。

分析了陀螺稳定平台的隔离扰动原理，设计了多闭环复合控制结构，给出了系统各组成部分的模型，合理简化后建立了系统数学模型，并按照频域分析法设计了控制算法。

对于陀螺信号噪声问题，设计了小波阈值滤波方法，有效地消除了反馈信号的噪声，提高了系统控制精度。

整机测试表明，该陀螺稳定平台满足了导引头系统设计指标要求，具有较高的跟踪精度；能够在实验室条件下，进行多种电视跟踪模拟实验，为实际设备的研制提供了真实有效的数据。

关键词：稳定平台；速率陀螺；DSP；伺服控制中图分类号：U666.1 文献标识码：ADesign and realization of control system for three-axisgyro stabilized platformYANG Pu, LI Qi(Research Institute of Automation, Southeast University, Nanjing 210096, China)Abstract: In view of the requirements of isolating disturbances and stabilizing optical axis of high-precision photoelectric guidance system, a three-axis stabilized platform system centering on the rate gyro was designed. Based on the design process of a TV guidance header, the mechanical structure constitution, main components selection and software and hardware realization were introduced. The disturbance-isolation theory of the stabilized platform was analyzed and the control structure including multiple closed-loops was designed. Each part of the control system was modeled, and then by simplifying their equations, the whole system model was founded and the control method was designed according to the frequency domain analysis method. To eliminate the gyro’s noise signal, a wavelet threshold filter was proposed, which can depress the feedback noise signal effectively and improve the control precision. The testing results on the equipment show that the gyro stabilized platform system meets the presetting performance demands and has higher tracking precision. Many kinds of TV tracking simulation experiments can be implemented in the laboratory, and this provides real and effective data for the development of practical equipments.Key words: stabilized platform; rate gyro; DSP; servo control电视成像导引设备作为惯导武器的核心部分，对武器命中目标的精度起着十分重要的作用。