基于Elmo数字伺服控制器的机载吊舱陀螺稳定平台设计

在民用市场，国内现有的机载吊舱陀螺稳定系统大多采用模拟伺服控制器，存在多方面的缺陷，比如：体积大，笨重，容易产生漂移，不易调整，伺服控制效果不好，无法实现数字通信等，因此无法采用诸如FPGA这样的芯片去处理运动信号，成了性能无法提升的瓶颈，不能很好地满足市场需求。
    Elmo公司的Whistle系列数字伺服控制器，体积小、重量轻、提供数字输入与输出接口，提供RS232与CAN总线2种通信方式，可编程。采用Elmo Whistle数字伺服控制器，通过编程，仅需设计相对简单的一部分外围电路，就能实现很复杂的功能，体现出极大的优越性。但目前国内应用这一控制器来实现机载吊舱陀螺稳定平台的厂家比较少，因此可以借鉴的经验非常有限。本文通过仔细研读Elmo相关文档，设计出了符合性能指标的机载陀螺稳定平台。

1 吊舱及陀螺稳定平台
    吊舱是指悬挂在运动载体(如飞机、船舶)外的舱体有效载荷容器装置。它的作用主要是隔离载机的姿态变化和机械振动对光电传感器指向的影响。吊舱系统由陀螺稳定平台伺服平台、电视跟踪系统、座舱显示和控制系统、红外测量系统、激光测距仪和GPS定位于测距数据链系统、数据采集和记录系统、吊舱环控系统等7部分组成。
    陀螺稳定平台系统主要用于稳定机载吊舱上TV和红外摄像机的视轴稳定，消除直升飞机飞行过程中由于摇摆带来的干扰力矩。这里设计的平台属于二轴四框架系统，分为方位轴和俯仰轴。在每一个轴上安装一个单自由度的光纤陀螺，用来感应干扰力矩。陀螺输出信号经过放大滤波后，送到Elmo伺服控制器，由控制器智能处理陀螺信号。信号处理完毕之后，由控制器的输出部分，驱动直流伺服电机，实现整个系统的稳定。

2 稳定平台设计
2．1 系统总体设计框图
    此文设计的陀螺稳定平台主要是要保证各个光传感器的视轴稳定。结合整个吊舱系统，主要是实现以下6个功能：
    1)现吊舱的稳定控制；2)实现吊舱的运动控制；3)限位信号输入；4)错误指示电路；5)LOCK电路；6)串口通信。
    图l为系统总体设计框图。

2．2 硬件电路设计
2．2．1 陀螺信号处理电路
    由于俄罗斯的Fizoptika VG94l-3AS光纤陀螺输出信号非常微弱，输出比例因子只有3．3 mV／deg／s。对于这么微弱的信号，必须要先进行小信号的放大电路处理，才能传送到Elmo伺服控制器，进行下一步的处理。这里要说明的一点是，并没有对陀螺输出信号进行滤波处理，原因在于Elmo伺服控制内部已经有了数字滤波电路，可以在调试时进行相关设置，以达到滤波目的。
    Elmo数字伺服控制器原本有2个模拟输入口的，可直接将光纤陀螺的输出信号接入数字伺服控制器，但由于陀螺的随机漂移大，基本无规律可以遵循，每次开机，给陀螺供电时，陀螺的随机输出是不一样的。所以，应设计陀螺信号处理电路，一方面可以将陀螺的输出信号按一定比例的放大，然后输入到Elmo数字伺服控制中，减少程序中的比例因子，进而减少Elmo数字伺服控制器内部的噪声对整个系统的影响，另一方面通过外接一只可调电阻，实现每次开机的漂移量补偿，从而使吊舱保持平稳状态。
    Fizoptika VG941-3A光纤陀螺在载体静止时，输出电压为2．5 V。因此要保证载体静止时，输入到Elmo数字伺服控制模拟输入口的电压为0 V，必须用一个精准电压芯片产生2．5 V的电压，通过放大器4558实现一个减法电路。在该减法电路中，用REF02CZ产生5 V的电压，然后通过电阻分压得到2．5 V基准电压。图2为陀螺信号处理电路(减法电路)原理图。

2．2．2 电源电路设计
    这里的电源电路设计主要的目的是给各芯片提供基准电压。TSMl212D用于产生±12 V基准电源，给放大器4558和REF02CZ提供基准电压，而REF02CZ用于产生+5 V基准电压，给放大器提供参考电压。图3为电源电路原理图。

2．2．3 吊舱运动信号处理电路
    吊舱系统除了要实现基本的陀螺稳定功能外，还必须具备巡航、跟踪等功能。因此，整个吊舱系统还有转动信号、漂移信号的处理电路。这两个信号是通过控制面板(HCU)上相应的开关按钮来控制。图4为吊舱运动信号处理电路原理图。

2．3 系统软件设计
    Elmo Whistle数字化智能驱动器的软件结构总体可分为2大部分：1)驱动器本身的程序，这个包括引导程序，固件和个性化的设置。这些程序可以通过官方网站下载，然后根据特定的驱动器型号进行烧录；2)用户自己的程序，以实现用户自行设计的功能。
    在本系统软件设计中，主要完成陀螺稳定的功能。通过采集Elmo Whistle控制器的模拟输入口由光纤陀螺反馈回来的电压信号AN[1]，在程序设定相应的跟随比例AG[2]，实现相应的陀螺稳定功能。这里的关键是参数AG[2]的确定。这个参数首先有一个估算的过程，估算完成后，可以在稍后的调试环节中进行微调，最终实现精准的陀螺稳定功能。参数AG[2]可以按以下方法估算：
    1)在Smart Terminal界面中，将输入AN[1]设定为1 V，测量此时吊舱的转速，设为N，并在Smart Terminal界面中查看电机的转速为S1，单位为count／s；
     2)光纤陀螺最大感应输出电压为2．5 V，此时对应吊舱的速度应为M，M的值在吊舱设计时已经设定，为60(°)／s；此时电机的转速为S2，则S2的值为：S2=(60／N)xS1；
    3)比例因子AG[2]=S2／2.5；
    Elmo Whistle内部有可调用函数，通过相应的设置语句，控制器就可以根据判断6个数字输入口的状态，执行相应的内部函数。在本系统中，体现为LOCK信号功能、限位信号功能以及指示输出等。图5为陀螺稳定系统的部分软件流程图。

    为了真正实现机载吊舱的数字化，在实现以上功能之外，本系统还就指令控制吊舱运动做了相应的尝试。在原有的软件模块中，通过判断输入口3的状态．增加了一个串口通信模块。如果检测到控制器数字输入口3为低电平，则触发串口通信模块子程序，向控制器发送控制状态字，实现指令控制吊舱功能。当然，这个功能也可以通过PC机向控制器发送相应的指令实现。

3 结束语
    配合Elmo公司的Studio界面和Recorder软件，可以分析机载吊舱陀螺稳定平台是否达到技术指标要求，并且在有必要的时候修改系统硬件电路设计和程序中的参数，以达到预期的目标。
    本系统最终设计出的机载吊舱陀螺稳定平台，应用于目前的吊舱系统中，吊舱的稳定性能达到50μrad，俯仰转动角度为-120°～+15°，方位转动角度为360°连续，最大转动速度为60(°)／s最大转动加速度200(°)／S2，功耗小于240 W。