高精度寻北仪控制器数字化设计

论文摘要

寻北仪是一种惯性仪表,它主要利用惯性器件(陀螺仪和加速度计)来测量地球自转角速度和重力加速度,经过解算得到固定于其上的参考轴向与真北方位的夹角,从而得到载体的某一固定轴向与北向的夹角。在实现寻北功能后,再通过施加力矩的方法使陀螺仪主轴转到真北方向,使系统工作于方位仪模式,则陀螺主轴就能始终保持在真北方位上,不断地指示车体相对北向方位的方位角。文中对寻北仪的寻北原理作了详细的介绍,提出了寻北系统的整体方案,同时也介绍了方位仪的实现方案。本文介绍了系统各部分的组成和工作原理。并详细叙述了再平衡回路中信号采集和预处理中的关键环节。在建立系统模型的基础上,根据性能指标要求,分别研究陀螺力反馈闭环、旋转台体系统闭环的PID控制方法,并利用突思汀变换法进行离散化得到数字控制器,通过仿真环节我们可以看出设计控制器对系统的必要性。采用DSP和FPGA作为硬件电路核心,DSP采用TI公司C2000系列芯片F2812,它是目前控制领域功能最强大的DSP芯片之一。器件上集成了丰富的外设,为电机控制提供了良好的平台。本文设计了与DSP和FPGA相关的硬件电路以及软件程序。最后给出了寻北仪系统试验数据,包括重复性、全周和高低温等,通过这些试验证明,系统的硬件和软件算法等的正确性以及数字化控制的优越性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 寻北仪系统国内外现状
• 1.3 再平衡技术及其研究现状
• 1.4 项目背景
• 1.5 本文主要研究内容
• 第2章 寻北仪组成及原理
• 2.1 引言
• 2.2 寻北仪组成
• 2.3 惯性组合
• 2.3.1 挠性陀螺仪
• 2.3.2 石英挠性加速度计
• 2.3.3 旋转变压器
• 2.3.4 力矩电机
• 2.4 硬件控制组合
• 2.5 寻北原理
• 2.5.1 水平状态下寻北
• 2.5.2 倾斜状态下寻北
• 2.6 本章小结
• 第3章 控制器设计
• 3.1 引言
• 3.2 力反馈回路控制器设计
• 3.2.1 控制器的数字实现
• 3.2.2 台体电机控制器设计
• 3.3 本章小结
• 第4章 系统硬件设计
• 4.1 引言
• 4.2 再平衡回路
• 4.2.1 再平衡回路作用
• 4.2.2 数字再衡回路和模拟再平衡回路的比较
• 4.2.3 数字再衡回路的构成
• 4.2.4 信号预处理环节
• 4.2.5 A/D采样环节
• 4.2.6 采样频率约束
• 4.2.7 恒流施矩
• 4.3 DSP电路设计
• 4.3.1 DSP电源设计
• 4.3.2 复位电路设计
• 4.3.3 时钟电路设计
• 4.3.4 PWM电路
• 4.4 本章小结
• 第5章 系统软件设计
• 5.1 引言
• 5.2 系统 DSP程序设计
• 5.3 系统 FPGA程序设计
• 5.4 本章小结
• 第6章 试验及结果分析
• 6.1 重复性试验
• 6.2 圆周试验
• 6.3 高低温试验
• 6.4 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