动力调谐陀螺仪再平衡回路的数字控制器的设计与分析

论文摘要

动力调谐陀螺仪是惯性系统中敏感载体角速度的重要的测量元件。其研究重点主要放在提高精度、动态性能和工作寿命,减少噪音与功耗,实现小型化和陀螺线路一体化。与此相适应,动力调谐陀螺仪再平衡技术也得到了相应发展。由于模拟再平衡回路温度、非线性、后级数字采样误差大和调试不方便的缺点逐渐暴露。为了使再平衡回路具有更高的动静态品质指标、更好的抗干扰性、灵活的参数整定和数据采集方法,因此本文研究数字再平衡回路。本文主要内容包括:1.从动力调谐陀螺仪的数学模型入手,研究陀螺仪的耦合情况,利用对角阵解耦法推导出控制、输出解耦阵。为了提高系统的动态响应特性,设计了数字最小拍控制器。2.设计了基于NiosⅡ软核的高性能SOPC数字控制器,包括外围组件参数设定和Avalon总线转换IP,并在Cyclone系列FPGA上调试验证通过。3.结合数字再平衡回路的设计理论,根据动力调谐陀螺仪的力矩器进动特点和信号器信号的频带、动态范围、数据分辨率以及跳动干扰特性等约束条件,确定回路增益,设计了信号的放大、相敏解调、滤波、A/D和D/A电路。4.在硬件平台构架的基础上,设计了中断方式A/D采集数据程序和系统主程序流程,并调试通过。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 国内外再平衡回路发展及现状
• 1.2.1 脉冲数字再平衡技术的发展
• 1.2.2 模拟再平衡技术的发展
• 1.2.3 直接数字式控制
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 动力调谐陀螺仪的工作原理
• 2.1 动力调谐陀螺仪的特点
• 2.2 动力调谐陀螺仪的结构
• 2.3 动力调谐陀螺仪工作原理
• 2.3.1 平衡环的扭摆运动
• 2.3.2 动力调谐陀螺仪的运动方程
• 2.3.3 动力调谐陀螺仪的误差分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 数字再平衡回路解耦研究
• 3.1 再平衡回路概述
• 3.2 动力调谐陀螺仪的数学模型
• 3.3 动力调谐陀螺仪的解耦研究
• 3.3.1 耦合解耦理论
• 3.3.2 应用对角阵法对动力调谐陀螺仪的控制解耦设计
• 3.3.3 动力调谐陀螺仪的输出解耦
• 3.4 校正环节的设计
• 3.5 本章小结
• 第4章 再平衡回路系统的分析与设计
• 4.1 再平衡回路数字电路的设计与实现
• 4.1.1 SOPC及NiosⅡ简介
• 4.1.2 控制芯片的选择
• 4.1.3 再平衡回路处理器NiosⅡ系统
• 4.1.4 数字再平衡回路最小数字系统的构成
• 4.1.5 再平衡回路的通讯接口
• 4.2 再平衡回路模拟电路的设计实现
• 4.2.1 整体设计介绍
• 4.2.2 信号预处理电路
• 4.2.3 A/D转换电路
• 4.2.4 D/A与V/I转换电路
• 4.3 本章小结
• 第5章 数字再平衡回路的软件设计与仿真
• 5.1 NiosⅡ IDE简介
• 5.2 控制软件设计
• 5.2.1 主程序设计
• 5.2.2 中断服务程序设计
• 5.3 系统仿真
• 5.4 实验与结果分析
• 5.5 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