專利名稱：一種小型高精度凝視型紅外光電穩(wěn)定跟蹤平臺的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于一種光電穩(wěn)定跟蹤平臺技術領域，具體涉及一種可應用于光電探測和紅外導引頭的小型高精度凝視型紅外光電穩(wěn)定跟蹤平臺。
背景技術：
光電平臺廣泛應用于搜索跟蹤系統(tǒng)、光電探測系統(tǒng)、導引頭技術等，光電平臺是上述系統(tǒng)的關鍵組成部分，起到穩(wěn)定光電載荷、搜索和跟蹤視線目標的作用。新一代的紅外探測系統(tǒng)要求光電穩(wěn)定跟蹤平臺體積小、精度高，跟蹤范圍大，傳統(tǒng)光電平臺框架結構采用三框架或兩框架配置，但三框架穩(wěn)定平臺體積和重量大，成本高，而在小型紅外光電平臺領域多采用動力陀螺穩(wěn)定線陣紅外熱像儀，受紅外熱線儀成像特點的影響，動力陀螺穩(wěn)定方式卻不適合穩(wěn)定凝視型焦平面紅外熱像儀，因此，兩框架穩(wěn)定平臺是實現(xiàn)其體積小、精度高、跟蹤范圍大的理想選擇。
發(fā)明內容
本發(fā)明為了克服現(xiàn)有凝視型焦平面紅外穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)體積大、精度差的缺點，提供了一種小型高精度凝視型紅外光電穩(wěn)定跟蹤平臺，實現(xiàn)了凝視型紅外導引頭系統(tǒng)光電穩(wěn)定跟蹤平臺的小型化和聞精度。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案一種小型高精度凝視型紅外光電穩(wěn)定跟蹤平臺，它包括俯仰伺服平臺、安裝在俯仰伺服平臺下部的滾轉伺服平臺、安裝在滾轉伺服平臺的下部的數(shù)字伺服電路。所述的俯仰伺服平臺包括俯仰軸、套在俯仰軸兩端的兩個俯仰軸承、安裝在俯仰軸一端的俯仰測角碼盤、用于支撐俯仰軸一端的碼盤端俯仰支架、用于支撐俯仰軸另一端的光路端俯仰支架以及安裝在俯仰軸中部的俯仰驅動電機和俯仰陀螺，碼盤端俯仰支架和光路端俯仰支架安裝在滾轉伺服平臺上。所述的俯仰軸的一端通過一個俯仰軸承安裝在碼盤端俯仰支架頂部，俯仰軸的另一端通過另一個俯仰軸承安裝在光路端俯仰支架頂部；俯仰測角碼盤位于碼盤端俯仰支架頂部、且套在俯仰軸的一端外；碼盤端俯仰支架底部固定在滾轉伺服平臺上；俯仰驅動電機由俯仰驅動電機定子和位于俯仰驅動電機定子內的俯仰驅動電機轉子組成，俯仰驅動電機定子的一端與碼盤端俯仰支架上部側壁固定連接，俯仰驅動電機定子的另一端與光路端俯仰支架的中部側壁固定連接；俯光路端俯仰支架底部固定在滾轉伺服平臺上；俯仰驅動電機轉子與俯仰軸中部的凸臺固定連接；俯仰陀螺位于碼盤端俯仰支架與俯仰驅動電機轉子之間。所述的滾轉伺服平臺包括安裝在俯仰伺服平臺下部的滾轉軸、安裝在滾轉軸頂部的滾轉陀螺、套在滾轉軸外的外殼、嵌套在滾轉軸與外殼之間的匯流環(huán)、滾轉測角碼盤、滾轉電機、滾轉軸承和滾轉框架；匯流環(huán)底部設有滾轉測角碼盤，滾轉測角碼盤底部設有滾轉電機，滾轉電機底部設有滾轉軸承和滾轉框架，滾轉軸承套裝在滾轉軸與滾轉框架之間；所述的俯仰伺服平臺的碼盤端俯仰支架和光路端俯仰支架固定安裝在滾轉軸頂部。所述的數(shù)字伺服電路通過螺桿連接在滾轉伺服平臺的滾轉框架底部。一種用于上述一種小型高精度凝視型紅外光電穩(wěn)定跟蹤平臺的數(shù)字伺服電路，該數(shù)字伺服電路包括伺服控制電路和與伺服控制電路連接的伺服驅動電路，伺服控制電路還與俯仰測角碼盤、滾轉測角碼盤、俯仰陀螺、滾轉陀螺均連接，伺服驅動電路還與俯仰驅動電機轉子、滾轉電機轉子連接。所述的伺服控制電路包括數(shù)字信號處理器、存儲器、第一電平轉換、碼盤接口、可編程邏輯器件、霍爾接口、滾轉陀螺信號調理電路、俯仰陀螺正交俯仰信號調理電路、俯仰陀螺俯仰信號調理電路、第二電平轉換和第三電平轉換；數(shù)字信號處理器分別與存儲器、陀螺信號調理電路、俯仰陀螺正交俯仰信號調理電路、俯仰陀螺俯仰信號調理電路、第二電平轉換的輸出端連接；第二電平轉換的輸入端與碼盤接口連接，碼盤接口的輸出端連接，碼盤接口的輸入端分別與俯仰測角碼盤、滾轉測角碼盤連接；滾轉陀螺信號調理電路的輸入端與滾轉陀螺連接；俯仰陀螺正交俯仰信號調理電路的輸入端和俯仰陀螺俯仰信號調理電路的輸入端均與俯仰陀螺連接；數(shù)字信號處理器與可編程邏輯器件的一個輸入端連接，可編程邏輯器件的另一個輸入端與第三電平轉換的輸出端連接；第三電平轉換的輸入端與霍爾接口的輸出端連接，霍爾接口的輸出端與滾轉電機轉子連接，可編程邏輯器件的輸出端與第一電平轉換的輸入端連接；第一電平轉換的輸出端與伺服驅動電路連接。所述的數(shù)字信號處理器包括脈寬調制模塊、模擬/數(shù)字轉換模塊、脈沖編碼模塊和數(shù)據(jù)地址總線；數(shù)據(jù)地址總線與存儲器連接，脈沖編碼模塊與第二電平轉換的輸出端連接，脈寬調制模塊與可編程邏輯器件的輸入端連接，模擬/數(shù)字轉換模塊與俯仰陀螺、滾轉陀螺均連接。所述的伺服驅動電路包括光耦隔離、滾轉軸智能驅動模塊、俯仰軸智能驅動模塊、俯仰電流信號調理電路和滾轉軸電流信號調理電路，光耦隔離的輸入端與伺服控制電路的第一電平轉換的輸出端連接，光耦隔離的輸出端分別與滾轉軸智能驅動模塊的輸入端、俯仰軸智能驅動模塊的輸入端連接；滾轉軸智能驅動模塊的一個輸出端與滾轉電機轉子連接，滾轉軸智能驅動模塊的另一個輸出端依次與俯仰電流信號調理電路、伺服控制電路的模擬/數(shù)字轉換模塊連接俯仰軸智能驅動模塊的一個輸出端與俯仰驅動電機轉子連接，仰軸智能驅動模塊的另一個輸出端依次與滾轉軸電流信號調理電路、伺服控制電路的模擬/數(shù)字轉換模塊連接。所述的滾轉電流信號調理電路和俯仰軸電流信號調理電路均由儀表放大器、可調偏置電壓電路、信號電平調理電路和二階低通濾波器組成，儀表放大器的一端與滾轉電流信號調理電路和俯仰軸電流信號調理電路中的智能驅動模塊連接，儀表放大器的另一端與信號電平調理電路的一端連接，信號電平調理電路的該端還可調偏置電壓電路連接，信號電平調理電路的另一端與二階低通濾波器的一端連接，二階低通濾波器的另一端與模擬/數(shù)字轉換模塊的連接；所述的滾轉信號調理電路、俯仰陀螺正交俯仰信號調理電路、俯仰陀螺俯仰信號調理電路包括由運算放大器組成的差分輸入電路和由運算放大器組成的二階低通濾波電路。本發(fā)明的有益技術效果在于本發(fā)明采取了滾-仰式框架結構，在俯仰軸采用旋轉音圈電機提高了平臺的緊湊性，有效減小了光電平臺的空間，由于音圈電機可實現(xiàn)高分辨率和快響應控制，因此大大提高了伺服控制精度。本發(fā)明針對紅外探測器外置的要求，為滿足光路沿滾轉軸通過，采用無刷直流電機作為滾轉軸執(zhí)行機構，由于無刷直流電機內部中空設計，特別利于光路的通過，實現(xiàn)了光路的直通，因此可實現(xiàn)光學系統(tǒng)和紅外探測器分別置于穩(wěn)定平臺內部和外部，進一步保證了光電穩(wěn)定平臺的小型化設計。本發(fā)明采取了光電碼盤作為高精度測角元件，與音圈電機的快速響應特性相結合，實現(xiàn)光電穩(wěn)定平臺的快速跟蹤與高精度控制。采用MEMS速率陀螺作為速率環(huán)反饋，實現(xiàn)平臺的慣性空間穩(wěn)定。采取集成一體化的數(shù)字控制電路，減小控制電路體積，達到了穩(wěn)定跟蹤平臺小型高精度的目的；該數(shù)字控制電路，實現(xiàn)穩(wěn)定平臺的高精度伺服控制，其中數(shù)字信號處理器實現(xiàn)俯仰和滾轉的信號處理，可編程邏輯器件實現(xiàn)邏輯控制，智能功率模塊實現(xiàn)電機的驅動，該電路具有集成度高，控制精度高等優(yōu)點。
圖I為本發(fā)明所提供的一種小型高精度凝視型紅外光電穩(wěn)定跟蹤平臺的總體結構示意圖；圖2為本發(fā)明所提供的數(shù)字伺服的電路框圖；圖3為本發(fā)明所提供的滾轉電流信號調理的電路圖；圖4為本發(fā)明所提供的滾轉陀螺信號調理的電路圖；圖5為本發(fā)明所提供的俯仰軸電流信號調理電路的電路圖；圖6為本發(fā)明所提供的俯仰陀螺俯仰信號調理電路的電路圖；圖7為本發(fā)明所提供的的俯仰陀螺正交俯仰信號調理電路的電路圖。圖中1.俯仰軸，2.俯仰軸承，3.俯仰測角碼盤，4.俯仰驅動電機定子，5.俯仰驅動電機轉子，6.俯仰陀螺，7.碼盤端俯仰支架，8.光路端俯仰支架，9.滾轉陀螺，10.滾轉軸，11.匯流環(huán)，12.螺紋壓圈，13.滾轉測角碼盤，14.滾轉電機定子線圈，15.滾轉電機定子磁鋼，16.滾轉電機轉子，17.壓圈，18.外殼,19.滾轉軸承,20.滾轉框架,21.柱形螺桿，22.數(shù)字伺服電路，23.伺服控制電路，24.伺服驅動電路，25.數(shù)字信號處理器，26.數(shù)字信號處理器由脈寬調制模塊，27.模擬/數(shù)字轉換模塊，28.脈沖編碼模塊，29.串口通訊模塊，30.數(shù)據(jù)地址總線，31.存儲器，32.第一電平轉換，33.碼盤接口，34.可編程邏輯器件，35.霍爾接口，36.光耦隔離，37.滾轉軸智能驅動模塊，38.俯仰軸智能驅動模塊，39.俯仰電流信號調理電路，40.滾轉軸電流信號調理電路，41.滾轉陀螺信號調理電路，42.俯仰陀螺正交俯仰信號調理電路，43.俯仰陀螺俯仰信號調理電路，44.第二電平轉換，45.第三電平轉換，46.儀表放大器，47.可調偏置電壓電路，48.信號電平調理電路，49.滾轉二階低通濾波器，50.俯仰儀表放大器，51.俯仰可調偏置電壓電路，52.俯仰信號電平調理電路，53.俯仰二階低通濾波器。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。如圖I所示，為本發(fā)明所提供的一種小型高精度凝視型紅外光電穩(wěn)定跟蹤平臺的總體結構示意圖。該平臺由俯仰伺服平臺、滾轉伺服平臺和數(shù)字伺服電路22組成。俯仰伺服平臺安裝在滾轉伺服平臺的上面，數(shù)字伺服電路安裝在滾轉伺服平臺的下面，俯仰伺服平臺、滾轉伺服平臺、數(shù)字伺服電路三部分共同構成一個完整的“俯仰軸+滾轉軸”式的伺服穩(wěn)定平臺。如圖I所示，俯仰伺服平臺包括俯仰軸I、俯仰軸承2、俯仰測角碼盤3、俯仰驅動電機、俯仰陀螺6、碼盤端俯仰支架7和光路端俯仰支架8。俯仰軸I為空心軸，俯仰軸I的一端通過一個俯仰軸承2安裝在碼盤端俯仰支架7頂部的通孔內，俯仰軸I的另一端通過另一個俯仰軸承2安裝在光路端俯仰支架8頂部的孔內；該兩個俯仰軸承2均通過過盈方式安裝在俯仰軸I兩端。俯仰測角碼盤3位于碼盤端俯仰支架7頂部的通孔內、且套在俯仰軸I的一端外，俯仰測角碼盤3與碼盤端俯仰支架7、俯仰軸I之間均通過螺釘固定連接。碼盤端俯仰支架7底部通過螺釘與滾轉伺服平臺的滾轉軸10頂部固定連接。俯仰驅動電機由俯仰驅動電機定子4和位于俯仰驅動電機定子4內部的俯仰驅動電機轉子5組成。俯仰驅動電機定子4的一端通過螺釘與碼盤端俯仰支架7上部側壁固定連接，俯仰驅動電機定子4的另一端通過螺釘與光路端俯仰支架8的中部側壁固定連接。光路端俯仰支架8底部通過螺釘與滾轉軸滾轉伺服平臺的10頂部固定連接。俯仰驅動電機轉子5通過螺釘與俯仰軸I中部的凸臺固定連接。俯仰陀螺6通過螺釘與俯仰軸I連接、且其位于碼盤端俯仰支架7與俯仰驅動電機轉子5之間，俯仰陀螺6為兩軸速率陀螺，用于測量俯仰軸I和正交俯仰軸的慣性速率。如圖I所示，滾轉伺服平臺包括滾轉陀螺9、滾轉軸10、匯流環(huán)11、螺紋壓圈12、滾轉測角碼盤13、滾轉電機、壓圈17、外殼18、滾轉軸承19和滾轉框架20。滾轉軸10為空心軸，匯流環(huán)11嵌套在外殼18與滾轉軸10之間，匯流環(huán)11的定子通過螺釘與套在其外部的外殼18固定連接，匯流環(huán)11的轉子通過螺紋壓圈12固定套在滾轉軸9外。滾轉測角碼盤13位于匯流環(huán)11下部，滾轉測角碼盤13通過螺釘與外殼18固定連接。滾轉電機由滾轉電機定子線圈14、滾轉電機定子磁鋼15、滾轉電機轉子16組成。滾轉電機定子線圈14繞在滾轉電機定子磁鋼15上；滾轉電機定子磁鋼15通過螺釘與位于其底部的滾轉框架20固定連接；滾轉電機轉子16套在滾轉軸10外、且兩者之間通過螺紋固定連接，滾轉電機轉子16底部設有壓圈17，壓圈17將滾轉電機轉子16固定在滾轉軸10上。滾轉軸10底部外套有滾轉框架20，滾轉軸承19通過過盈方式安裝在滾轉軸9與滾轉框架20之間、起支承滾轉軸10的作用。滾轉框架20與套在其外部的外殼18通過螺釘固定連接。滾轉陀螺9通過螺釘固定安裝在滾轉軸10的頂面上，滾轉陀螺9為單軸速率陀，用于測量滾轉軸10的慣性速率。如圖I所示，數(shù)字伺服電路22通過柱形螺桿21連接在滾轉框架20底部。如圖I所示，該平臺在伺服電路和驅動電機的作用下，根據(jù)速率陀螺和測角碼盤提供的信號通過穩(wěn)定控制算法使平臺運動，解耦消除平臺擺動的干擾影響，從而保證運動平臺相對慣性空間保持穩(wěn)定。同時，伺服電路根據(jù)信號處理組合測量的目標角位置信息，驅動穩(wěn)定平臺跟隨目標運動，形成對目標的跟蹤。如圖I所示，滾轉電機采用無刷直流電機直接驅動，滾轉軸承19采用深溝球軸承。滾轉軸為空心軸，用以安裝光學穩(wěn)像機構，用來消除大視場快速搜索所引起的圖像模糊。滾轉測角碼盤13為光電角度傳感器，在滾轉電機轉子16上部安裝有滾轉測角碼盤13，可以直接得到輸出端的旋轉角度。為盡量減少滑環(huán)數(shù)量，匯流環(huán)11安裝在滾轉測角碼盤13上部，匯流環(huán)11采用雙層盤式設計。
如圖I所不，俯仰驅動電機米用音圈電機。音圈電機包括定子磁鋼和轉子線圈，根據(jù)安培力原理，產(chǎn)生扭轉力矩，驅動俯仰軸負載作旋轉運動。音圈電機采取分體式安裝，其俯仰驅動電機定子4磁鋼安裝于碼盤端俯仰支架7上，俯仰驅動電機轉子5線圈安裝于俯仰軸I上，俯仰驅動電機定子4與俯仰驅動電機轉子5組成完整的俯仰驅動電機。如圖I和圖2所示，數(shù)字伺服電路22包括伺服控制電路23和伺服驅動電路24，伺服控制電路23和伺服驅動電路24的電路板尺寸為Φ IlOmmX 10mm, IOmm為板間距，板間采用柱形螺桿21連接，如有特殊防震加固要求，組裝后可以采用聚胺樹脂灌膠。如圖2所示，為本發(fā)明的數(shù)字伺服電路框圖。數(shù)字伺服電路22包括伺服控制電路23和伺服驅動電路24。
如圖2所示，伺服控制電路23包括數(shù)字信號處理器25、存儲器31、第一電平轉換32、碼盤接口 33、可編程邏輯器件34、霍爾接口 35、滾轉陀螺信號調理電路41、俯仰陀螺正交俯仰信號調理電路42、俯仰陀螺俯仰信號調理電路43、第二電平轉換44和第三電平轉換45。如圖2所示，數(shù)字信號處理器25分別與存儲器31、陀螺信號調理電路41、俯仰陀螺正交俯仰信號調理電路42、俯仰陀螺俯仰信號調理電路43、第二電平轉換44的輸出端連接。第二電平轉換44的輸入端與碼盤接口 33連接，碼盤接口 33的輸出端連接，碼盤接口33的輸入端分別與俯仰測角碼盤3、滾轉測角碼盤13連接。滾轉陀螺信號調理電路41的輸入端與滾轉陀螺9連接。俯仰陀螺正交俯仰信號調理電路42的輸入端和俯仰陀螺俯仰信號調理電路43的輸入端均與俯仰陀螺6連接。數(shù)字信號處理器25與可編程邏輯器件34的一個輸入端連接，可編程邏輯器件34的另一個輸入端與第三電平轉換45的輸出端連接，第三電平轉換45的輸入端與霍爾接口 35的輸出端連接，霍爾接口 35的輸入端與滾轉電機定子線圈14連接，可編程邏輯器件34的輸出端與第一電平轉換32的輸入端連接。第一電平轉換32的輸出端與伺服驅動電路24連接。如圖2所示，數(shù)字信號處理器25采用TI公司的TMS320F2812，數(shù)字信號處理器25由脈寬調制模塊26、模擬/數(shù)字轉換模塊27、脈沖編碼模塊28、串口通訊模塊29和數(shù)據(jù)地址總線30組成。俯仰測角碼盤3和滾轉測角碼盤13輸出的脈沖信號經(jīng)碼盤接口 33連接伺服控制電路23，碼盤接口 33采取導線焊接方式以減小使用空間，碼盤脈沖信號再經(jīng)過第二電平轉換44由5V電平轉換為3. 3V電平后進入脈沖編碼模塊26進行脈沖編碼后獲得俯仰軸I和滾轉軸10的角位置信息。俯仰陀螺6的速率信號經(jīng)過俯仰陀螺俯仰信號調理電路43和俯仰陀螺正交俯仰信號調理電路42進入模擬/數(shù)字轉換模塊27，從而獲得俯仰軸I的角速度信息；滾轉陀螺9的速率信號經(jīng)過滾轉陀螺信號調理電路41進入模擬/數(shù)字轉換模塊27，從而獲得滾轉軸10的角速度信息。滾轉電機的電流信息經(jīng)滾轉軸智能驅動模塊37、滾轉軸電流信號調理電路40進入數(shù)字信號處理器25的模擬/數(shù)字轉換模塊27 ;俯仰電機的電流信息經(jīng)俯仰軸智能驅動模塊38、俯仰電流信號調理電路39進入數(shù)字信號處理器25的模擬/數(shù)字轉換模塊27。上述角位置信息、角速度信息以及電流信息經(jīng)數(shù)據(jù)地址總線30進入存儲器31。數(shù)字信號處理器25經(jīng)數(shù)據(jù)地址總線30從存儲器31調用角位置信息、角速度信息以及電流信息計算出控制電機運動的變量進入脈寬調制模塊26，脈寬調制模塊26產(chǎn)生PWM信號進入可編程邏輯器件34，可編程邏輯器件34可以是CPLD或者FPGA，如采用LTERA公司的MAX7000系列的EPM7128AE?；魻柦涌?35采取焊接方式連接至伺服控制電路23，滾轉電機定子線圈14產(chǎn)生的霍爾信號經(jīng)第三電平轉換45由5V電平轉換為3. 3V電平后進入可編程邏輯器件34，可編程邏輯器件34根據(jù)滾轉電機霍爾信號和PWM信號產(chǎn)生驅動邏輯，經(jīng)第一電平轉換32由3. 3V電平轉換為5V電平后進入伺服驅動電路24。串口通訊模塊29可以與光電探測和紅外導引的上位機算機和圖像信息處理電路通訊，將數(shù)字信號處理器25處理后的信號傳輸給上位機算機和圖像信息處理電路。如圖2所示，伺服驅動電路24包括光耦隔離36、滾轉軸智能驅動模塊37、俯仰軸智能驅動模塊38、俯仰電流信號調理電路39和滾轉軸電流信號調理電路40。如圖2所示，第一電平轉換32的輸出端與伺服驅動電路24的光耦隔離36的輸入端連接。光耦隔離36的輸出端分別與滾轉軸智能驅動模塊37的輸入端、俯仰軸智能驅動模塊38的輸入端連接。滾轉軸智能驅動模塊37的一個輸出端與滾轉電機定子線圈14連接，滾轉軸智能驅動模塊37的另一個輸出端依次與俯仰電流信號調理電路39、數(shù)字信號處 理器25的模擬/數(shù)字轉換模塊27連接。俯仰軸智能驅動模塊38的一個輸出端與俯仰驅動電機轉子5連接，仰軸智能驅動模塊38的另一個輸出端依次與滾轉軸電流信號調理電路40、數(shù)字信號處理器25的模擬/數(shù)字轉換模塊27連接。如圖2所示，上述可編程邏輯器件34根據(jù)滾轉電機霍爾信號和PWM信號產(chǎn)生的驅動邏輯經(jīng)第一電平轉換32后進入伺服驅動電路24的光耦隔離36，分別進入滾轉軸智能驅動模塊37和俯仰軸智能驅動模塊38，滾轉軸智能驅動模塊37和俯仰軸智能驅動模塊38均可以采用ST公司的三相電機驅動器L6234。滾轉軸智能驅動模塊37產(chǎn)生驅動電流經(jīng)滾轉電機定子線圈14從而驅動滾轉電機轉子16轉動，滾轉驅動電機電流經(jīng)滾轉軸電流信號調理電路40進入伺服控制電路23的模擬/數(shù)字轉換模塊27，獲得滾轉軸驅動電機的電流信息，從而驅動滾轉軸10運動。同理，俯仰軸智能驅動模塊38產(chǎn)生驅動電流驅動俯仰電機轉子5轉動，俯仰驅動電機電流經(jīng)俯仰電流信號調理電路39進入伺服控制電路23的模擬/數(shù)字轉換模塊27，獲得俯仰軸驅動電機的電流信息，從而驅動俯仰軸I運動。第一電平轉換32、第二電平轉換44和第三電平轉換45的型號均為SN74ALVC164245。如圖3所示，為本發(fā)明的滾轉電流信號調理電路39的電路圖。滾轉電流信號調理電路39由滾轉儀表放大器46、滾轉可調偏置電壓電路47、滾轉信號電平調理電路48和滾轉二階低通濾波器49組成。滾轉儀表放大器46由型號為AMP02的第一儀表運放NI和電阻RlOl并聯(lián)組成。滾轉可調偏置電壓電路47由電位器RP1、電阻R103、電容C22、二極管VEl組成。滾轉信號電平調理電路48由運算放大器的組成跟隨器和加法電路組成，跟隨器由型號為LM124的第一運算放大器N3A、電阻R104、電阻R105組成，加法電路由型號為LM124的第二運算放大器N3D、電阻R106、電阻R107組成。滾轉二階低通濾波器49由型號為TL084的第三運算放大器N4A、電阻R1001、電阻R1002、電容C1001、電容C1002組成。如圖3所示，滾轉軸智能驅動模塊37的電流輸出端子與滾轉儀表放大器46中的I-A端連接，滾轉儀表放大器46中的SI-A端與滾轉信號電平調理電路48的SL-A端連接。滾轉可調偏置電壓電路47的BIAS-IA端與信號電平調理電路48的Π-Α端與滾轉二階低通濾波器49的UI-A端連接。滾轉二階低通濾波器49的ADCINA0端與模擬/數(shù)字轉換模塊27的輸入端連接。如圖3所示，滾轉儀表放大器46的第一儀表運放NI通過提高共模抑制比能夠提高采樣電流精度。滾轉軸智能驅動模塊37輸出的電流信號經(jīng)儀表放大器46進入滾轉信號電平調理電路48。滾轉可調偏置電壓電路47的偏置電壓進入至滾轉信號電平調理電路48的跟隨器，然后與滾轉信號電平調理電路48的電流信號通過加法電路進行加法運算實現(xiàn)電流信號電平調理，將加法運算后得到的電流信號調至伺服控制電路23的模擬/數(shù)字轉換模塊27要求的O 3V范圍之內，再將電平調理后的電流信號輸入到滾轉二階低通濾波器49進行信號濾波，經(jīng)濾波后的電流信號輸入至伺服控制電路23的模擬/數(shù)字轉換模塊27，獲得滾轉軸驅動電機的電流信息，從而驅動滾轉軸10運動。如圖4所示，滾轉信號調理電路41包括由運算放大器組成的差分輸入電路和由運算放大器組成的二階低通濾波電路，差分輸入電路由型號為TL084的第四的運算放大器N5B、電阻R2001、電阻R2002、電阻R2003、電阻R2004、電阻R2005組成，二階低通濾波電路由型號為TL084的第五運算放大器N5A、電阻R2006、電容C2001、電容C2002組成。如圖4所示，滾轉陀螺9與差分輸入電路的V-A端連接，二階低通濾波電路的電阻R2006和電容C2001并聯(lián)、并與差分輸入電路的電阻R2005連接，二階低通濾波電路的ADCIN2端與模擬/數(shù)字轉換模塊27的輸入端連接。如圖4所示，為本發(fā)明的滾轉陀螺信號調理電路41的電路圖。滾轉陀螺9速率信號接入滾轉陀螺信號調理電路41的差分輸入電路的輸入端V-A端，以提高共模抑制比，同時差分輸入放大倍數(shù)為O. 5，實現(xiàn)滾轉陀螺速率信號O 5V調理至O 2. 5V，滿足模擬/數(shù)字轉換模塊27的電壓輸入要求，然后經(jīng)二階低通濾波器進入模擬/數(shù)字轉換模塊27。如圖5所示，為本發(fā)明所提的俯仰軸電流信號調理電路40的電路圖，俯仰軸電流信號調理電路40與圖3所示的滾轉電流信號調理電路39的電路圖相同，其電路原理也相同。如圖5所示，俯仰軸電流信號調理電路40由俯仰儀表放大器50、俯仰可調偏置電壓電路51、俯仰信號電平調理電路52和俯仰二階低通濾波器53組成。如圖5所示，俯仰儀表放大器50由型號為AMP02的第二儀表運放N2和電阻R102并聯(lián)組成，俯仰可調偏置電壓電路51由電位器RP2、電阻R103、電容C22、二極管VEl組成。俯仰信號電平調理電路52由運算放大器組成的跟隨器和加法電路組成，跟隨器由型號為LMl2的第六運算放大器N3B、電阻R108、電阻R109組成，加法電路由型號為LM12的第七運算放大器N3C、電阻R110、電阻Rlll組成。俯仰二階低通濾波器53由型號為TL084的第八運算放大器MD、電阻R1003、電阻R1004、電容C1003、電容C1004組成。如圖5所示，俯仰軸智能驅動模塊38的電流輸出端子與俯仰儀表放大器50中的I-B端連接，俯仰儀表放大器50中的SI-B端與俯仰信號電平調理電路52的SL-B端連接。俯仰可調偏置電壓電路51的BIAS-IB端與俯仰信號電平調理電路52的U-IB端與俯仰二階低通濾波器53的U-IB端連接。俯仰二階低通濾波器53的ADCINA1端與模擬/數(shù)字轉換模塊27的輸入端連接。如圖5所示，俯仰儀表放大器50的第二儀表運放N2通過提高共模抑制比能夠提高采樣電流精度。俯仰軸智能驅動模塊38輸出的電流信號經(jīng)俯仰儀表放大器50進入俯仰信號電平調理電路52 ;俯仰可調偏置電壓電路51的偏置電壓進入至俯仰信號電平調理電路52的跟隨器1，然后與俯仰信號電平調理電路52的電流信號通過加法電路進行加法運算實現(xiàn)電流信號電平調理，將加法運算后得到的電流信號調至伺服控制電路23的模擬/數(shù)字轉換模塊27要求的O 3V范圍之內，再將電平調理后的電流信號輸入到俯仰二階低通濾波器53進行信號濾波，經(jīng)濾波后的電流信號輸入至伺服控制電路23的模擬/數(shù)字轉換模塊27，獲得俯仰軸驅動電機的電流信息，從而驅動俯仰軸I運動。如圖6所示，為本發(fā)明的俯仰陀螺俯仰信號調理電路43的電路圖，俯仰陀螺俯仰信號調理電路43的電路與圖4所示的滾轉陀螺信號調理電路41的電路相同，其電路原理也相同。仰陀螺俯仰信號調理電路43包括由運算放大器組成的差分輸入電路和由運算放大器組成的二階低通濾波電路，差分輸入電路由型號為TL084的第九運算放大器、電阻R2007、電阻R2008、電阻R2009、電阻R2010、電阻R2011組成，二階低通濾波電路由型號為TL084的第十運算放大器、電阻R2012、電容C2003、電容C2004組成。如圖6所示，俯仰陀螺與差分輸入電路的V-B端連接，二階低通濾波電路的電阻R2012和電容C2003并聯(lián)、并與差分輸入電路的電阻R2011連接，二階低通濾波電路的ADCIN3端與模擬/數(shù)字轉換模塊27的輸入端連接。如圖6所示，俯仰陀螺6的速率信號接入俯仰陀螺信號調理電路43的差分輸入電路的輸入端，以提高共模抑制比，同時差分輸入放大倍數(shù)為O. 5，實現(xiàn)俯仰陀螺6的速率信號O 5V調理至O 2. 5V，滿足模擬/數(shù)字轉換模塊27的電壓輸入要求，然后經(jīng)二階低通濾波器進入模擬/數(shù)字轉換模塊27。如圖7所示，為本發(fā)明的俯仰陀螺正交俯仰信號調理電路42的電路圖，的俯仰陀螺正交俯仰信號調理電路42與圖4所示的滾轉陀螺信號調理電路41的電路相同，其電路原理也相同。俯仰陀螺俯仰信號調理電路42包括由運算放大器組成的差分輸入電路和由運算放大器組成的二階低通濾波電路，差分輸入電路由型號為TL084的第十一運算放大器、電阻R1005、電阻R1006、電阻R1007、電阻R1008、電阻R1009組成，二階低通濾波電路由型號為TL084的第十二運算放大器、電阻R1010、電容C1005、電容C1006組成。如圖7所示，俯仰陀螺6與差分輸入電路的V-C端連接，二階低通濾波電路的電阻R1010和電容C1005并聯(lián)、并與差分輸入電路的電阻R1009連接，二階低通濾波電路的ADCIN4端與模擬/數(shù)字轉換模塊27的輸入端連接。如圖7所示，俯仰陀螺6的速率信號接入俯仰陀螺正交俯仰信號調理電路42的差分輸入電路的輸入端，以提高共模抑制比，同時差分輸入放大倍數(shù)為O. 5，實現(xiàn)俯仰陀螺6的速率信號O 5V調理至O 2. 5V，滿足模擬/數(shù)字轉換模塊27的電壓輸入要求，然后經(jīng)二階低通濾波器進入模擬/數(shù)字轉換模塊27。上面結合附圖和實施例對本發(fā)明作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施例，在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。本發(fā)明中未作詳細描述的內容均可以采用現(xiàn)有技術，例如俯仰軸I、俯仰軸承
2、俯仰測角碼盤3、俯仰驅動電機、俯仰陀螺6、碼盤端俯仰支架7、光路端俯仰支架8、滾轉陀螺9、滾轉軸10、匯流環(huán)11、螺紋壓圈12、滾轉測角碼盤13、滾轉電機、壓圈17、外殼18、滾轉軸承19、滾轉框架20、柱形螺桿21、數(shù)字伺服電路22、伺服控制電路23、伺服驅動電路24、括數(shù)字信號處理器25、脈寬調制模塊26、模擬/數(shù)字轉換模塊27、脈沖編碼模塊28、串口通訊模塊29和數(shù)據(jù)地址總線30、存儲器31、第一電平轉換32、碼盤接口 33、可編程邏輯器件34、霍爾接口 35、光耦隔離36、滾轉軸智能驅動模塊37、俯仰軸智能驅動模塊38、俯仰電流信號調理電路39、滾轉軸電流信號調理電路40、陀螺信號調理電路41、俯仰陀螺正交俯仰信號調理電路42、俯仰陀螺俯仰信號調理電路43、第二電平轉換44和第三電平轉換45、儀表放大器46、可調偏置電壓電路47、信號電平調理電路48、滾轉二階低通濾波器49、俯仰儀表放大器50、俯仰可調偏置電壓電路51、俯仰信號電平調理電路52、俯仰二階低通濾波器53以及運算放大器、跟隨器、加法電路、差分電路、電阻、電容、二極管等均可以采用現(xiàn)有技術中任何型號的產(chǎn)品。
權利要求
1.一種小型高精度凝視型紅外光電穩(wěn)定跟蹤平臺，其特征在于它包括俯仰伺服平臺、安裝在俯仰伺服平臺下部的滾轉伺服平臺、安裝在滾轉伺服平臺的下部的數(shù)字伺服電路(22)。
2.根據(jù)權利要求I所述的一種小型高精度凝視型紅外光電穩(wěn)定跟蹤平臺，其特征在于所述的俯仰伺服平臺包括俯仰軸⑴、套在俯仰軸⑴兩端的兩個俯仰軸承⑵、安裝在俯仰軸(I) 一端的俯仰測角碼盤(3)、用于支撐俯仰軸(I) 一端的碼盤端俯仰支架(7)、用于支撐俯仰軸(I)另一端的光路端俯仰支架(8)以及安裝在俯仰軸(I)中部的俯仰驅動電機和俯仰陀螺￠)，碼盤端俯仰支架(7)和光路端俯仰支架(8)安裝在滾轉伺服平臺上。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種小型高精度凝視型紅外光電穩(wěn)定跟蹤平臺，其特征在于所述的俯仰軸⑴的一端通過一個俯仰軸承⑵安裝在碼盤端俯仰支架(7)頂部，俯仰軸(I)的另一端通過另一個俯仰軸承(2)安裝在光路端俯仰支架(8)頂部；俯仰測角碼盤(3)位于碼盤端俯仰支架(7)頂部、且套在俯仰軸⑴的一端外；碼盤端俯仰支架(7)底部固定在滾轉伺服平臺上；俯仰驅動電機由俯仰驅動電機定子(4)和位于俯仰驅動電機定子(4)內的俯仰驅動電機轉子(5)組成，俯仰驅動電機定子(4)的一端與碼盤端俯仰支架(7)上部側壁固定連接，俯仰驅動電機定子(4)的另一端與光路端俯仰支架(8)的中部側壁固定連接；俯光路端俯仰支架(8)底部固定在滾轉伺服平臺上；俯仰驅動電機轉子(5)與俯仰軸(I)中部的凸臺固定連接；俯仰陀螺(6)位于碼盤端俯仰支架(7)與俯仰驅動電機轉子(5)之間。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種小型高精度凝視型紅外光電穩(wěn)定跟蹤平臺，其特征在于所述的滾轉伺服平臺包括安裝在俯仰伺服平臺下部的滾轉軸(10)、安裝在滾轉軸(10)頂部的滾轉陀螺(9)、套在滾轉軸(10)外的外殼(18)、嵌套在滾轉軸(10)與外殼(18)之間的匯流環(huán)(11)、滾轉測角碼盤(13)、滾轉電機、滾轉軸承(19)和滾轉框架(20);匯流環(huán)(11)底部設有滾轉測角碼盤(13)，滾轉測角碼盤(13)底部設有滾轉電機，滾轉電機底部設有滾轉軸承(19)和滾轉框架(20)，滾轉軸承(19)套裝在滾轉軸(10)與滾轉框架(20)之間；所述的俯仰伺服平臺的碼盤端俯仰支架(7)和光路端俯仰支架⑶固定安裝在滾轉軸(10)頂部。
5.根據(jù)權利要求5所述的一種小型高精度凝視型紅外光電穩(wěn)定跟蹤平臺，其特征在于所述的數(shù)字伺服電路(22)通過螺桿(21)連接在滾轉伺服平臺的滾轉框架(20)底部。
6.一種用于權利要求I至5中任一項所述的一種小型高精度凝視型紅外光電穩(wěn)定跟蹤平臺的數(shù)字伺服電路，其特征在于該數(shù)字伺服電路(22)包括伺服控制電路(23)和與伺服控制電路(23)連接的伺服驅動電路(24)，伺服控制電路(23)還與俯仰測角碼盤(3)、滾轉測角碼盤(13)、俯仰陀螺￠)、滾轉陀螺(9)均連接，伺服驅動電路(24)還與俯仰驅動電機轉子(5)、滾轉電機轉子(16)連接。
7.根據(jù)權利要求6所述的數(shù)字伺服電路，其特征在于所述的伺服控制電路(23)包括數(shù)字信號處理器(25)、存儲器(31)、第一電平轉換(32)、碼盤接口(33)、可編程邏輯器件(34)、霍爾接口(35)、滾轉陀螺信號調理電路(41)、俯仰陀螺正交俯仰信號調理電路(42)、俯仰陀螺俯仰信號調理電路(43)、第二電平轉換(44)和第三電平轉換(45);數(shù)字信號處理器(25)分別與存儲器(31)、陀螺信號調理電路(41)、俯仰陀螺正交俯仰信號調理電路(42)、俯仰陀螺俯仰信號調理電路(43)、第二電平轉換(44)的輸出端連接；第二電平轉換(44)的輸入端與碼盤接口(33)連接，碼盤接口(33)的輸出端連接，碼盤接口(33)的輸入端分別與俯仰測角碼盤(3)、滾轉測角碼盤(13)連接；滾轉陀螺信號調理電路(41)的輸入端與滾轉陀螺(9)連接；俯仰陀螺正交俯仰信號調理電路(42)的輸入端和俯仰陀螺俯仰信號調理電路(43)的輸入端均與俯仰陀螺(6)連接；數(shù)字信號處理器(25)與可編程邏輯器件(34)的一個輸入端連接，可編程邏輯器件(34)的另一個輸入端與第三電平轉換(45)的輸出端連接；第三電平轉換(45)的輸入端與霍爾接口(35)的輸出端連接，霍爾接口(35)的輸出端與滾轉電機轉子(16)連接，可編程邏輯器件(34)的輸出端與第一電平轉換(32)的輸入端連接；第一電平轉換(32)的輸出端與伺服驅動電路(24)連接。
8.根據(jù)權利要求7所述的數(shù)字伺服電路，其特征在于所述的數(shù)字信號處理器(25)包括脈寬調制模塊(26)、模擬/數(shù)字轉換模塊(27)、脈沖編碼模塊(28)、和數(shù)據(jù)地址總線(30);數(shù)據(jù)地址總線(30)與存儲器(31)連接，脈沖編碼模塊(28)與第二電平轉換(44)的輸出端連接，脈寬調制模塊(26)與可編程邏輯器件(34)的輸入端連接，模擬/數(shù)字轉換模塊(27)與俯仰陀螺(6)、滾轉陀螺(9)均連接。
9.根據(jù)權利要求8所述的數(shù)字伺服電路，其特征在于所述的伺服驅動電路(24)包括光耦隔離(36)、滾轉軸智能驅動模塊(37)、俯仰軸智能驅動模塊(38)、俯仰電流信號調理電路(39)和滾轉軸電流信號調理電路(40)，光耦隔離(36)的輸入端與伺服控制電路(23)的第一電平轉換(32)的輸出端連接，光耦隔離(36)的輸出端分別與滾轉軸智能驅動模塊(37)的輸入端、俯仰軸智能驅動模塊(38)的輸入端連接；滾轉軸智能驅動模塊(37)的一個輸出端與滾轉電機轉子(16)連接，滾轉軸智能驅動模塊(37)的另一個輸出端依次與俯仰電流信號調理電路(39)、伺服控制電路(23)的模擬/數(shù)字轉換模塊(27)連接俯仰軸智能驅動模塊(38)的一個輸出端與俯仰驅動電機轉子(5)連接，仰軸智能驅動模塊(38)的另一個輸出端依次與滾轉軸電流信號調理電路(40)、伺服控制電路(23)的模擬/數(shù)字轉換模塊(27)連接。
10.根據(jù)權利要求9所述的數(shù)字伺服電路，其特征在于所述的滾轉電流信號調理電路(39)和俯仰軸電流信號調理電路(40)均由儀表放大器、可調偏置電壓電路、信號電平調理電路和二階低通濾波器組成，儀表放大器的一端與滾轉電流信號調理電路(39)和俯仰軸電流信號調理電路(40)中的智能驅動模塊連接，儀表放大器的另一端與信號電平調理電路的一端連接，信號電平調理電路的該端還可調偏置電壓電路連接，信號電平調理電路的另一端與二階低通濾波器的一端連接，二階低通濾波器的另一端與模擬/數(shù)字轉換模塊(27)連接；所述的滾轉信號調理電路(41)、俯仰陀螺正交俯仰信號調理電路(42)、俯仰陀螺俯仰信號調理電路(43)包括由運算放大器組成的差分輸入電路和由運算放大器組成的二階低通濾波電路。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種光電穩(wěn)定跟蹤平臺技術領域，具體公開一種小型高精度凝視型紅外光電穩(wěn)定跟蹤平臺，它包括俯仰伺服平臺、安裝在俯仰伺服平臺下部的滾轉伺服平臺、安裝在滾轉伺服平臺的下部的數(shù)字伺服電路；該數(shù)字伺服電路包括伺服控制電路和與伺服控制電路連接的伺服驅動電路，伺服控制電路還與俯仰測角碼盤、滾轉測角碼盤、俯仰陀螺、滾轉陀螺均連接，伺服驅動電路還與俯仰驅動電機轉子、滾轉電機轉子連接。該平臺實現(xiàn)了凝視型紅外導引頭系統(tǒng)光電穩(wěn)定跟蹤平臺的小型化和高精度；該數(shù)字控制電路，實現(xiàn)穩(wěn)定平臺的高精度伺服控制，具有集成度高，控制精度高等優(yōu)點。
文檔編號G05D3/12GK102981510SQ20111025837
公開日2013年3月20日 申請日期2011年9月2日 優(yōu)先權日2011年9月2日
發(fā)明者陳冬, 曾克思, 劉峰, 劉家國 申請人:中國航天科工集團第二研究院二０七所