慣性平臺防倒臺保護電路設(shè)計

慣性平臺是運載火箭等航天飛行器制導(dǎo)與控制系統(tǒng)中的核心部件。其作用是為飛行器建立方位和姿態(tài)基準(zhǔn)，同時測量飛行器相對慣性空間運動的角度、角速度、速度和加速度。慣性儀器的可靠性直接關(guān)系飛行器的可靠性。
慣性平臺是提供空間慣性坐標(biāo)系基準(zhǔn)，是通過平臺穩(wěn)定回路實現(xiàn)的。其由3條穩(wěn)定回路組成平臺穩(wěn)定系統(tǒng)，系統(tǒng)原理如圖1所示。以平臺X軸為例，X軸受干擾力矩時，臺體偏離X軸慣性基準(zhǔn)。此時X陀螺敏感臺體偏離角度，輸出電信號，經(jīng)前置放大器、變換放大器等電子線路，傳遞為直流信號輸入到X軸平臺力矩電機。力矩電機產(chǎn)生電磁力矩，抵消干擾力矩，使臺體穩(wěn)定在慣性空間。

外部環(huán)境過載或穩(wěn)定回路的某一環(huán)節(jié)發(fā)生故障，都可使系統(tǒng)不穩(wěn)定發(fā)散或開環(huán)，引起環(huán)架(常平架)伺服電機單向驅(qū)動的現(xiàn)象，當(dāng)事故發(fā)生時，對有限姿態(tài)角慣性平臺來說，平臺環(huán)架會從原來(慣性空間)穩(wěn)定位置向某一邊快速轉(zhuǎn)動倒下，直至碰到另一個環(huán)架的止擋銷為止。對全姿態(tài)慣性平臺來說，平臺環(huán)架會從原來(慣性空間)穩(wěn)定位置向某一邊快速轉(zhuǎn)動倒下，如果不及時切斷系統(tǒng)電源，平臺環(huán)架會連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)下去。由于慣性平臺上環(huán)架和陀螺具有的交耦性，在大速率情況下，一個環(huán)架伺服回路的快速倒環(huán)，會引起其它各環(huán)架伺服回路的同時倒環(huán)，這就是平臺的倒臺。它的結(jié)果，不但造成慣性平臺上的陀螺、加速度計等儀表的損壞，而且會造成平臺內(nèi)部連接導(dǎo)線的損壞，是一種致命性的故障。
平臺倒臺在試驗中也是不可避免的事件，除了平臺力矩馬達線圈開路或是其供電電源開路外，在平臺伺服回路中任意點發(fā)生故障時，均會導(dǎo)致平臺的倒臺。為了避免倒臺帶來的損失，人們正在設(shè)法防止或減少倒臺的發(fā)生，設(shè)計硬件防倒臺保護電路無疑是一種可靠、有效的平臺保護手段。

1 保護原理
平臺姿態(tài)角測量系統(tǒng)通常是由粗、精雙通道組成的測角系統(tǒng)。粗通道完成>1°的角度測量，精通道對1°以內(nèi)的角度進行精測，測量精度可以達到角秒級，絕對角度由粗測值和精測值經(jīng)適當(dāng)組合得到，也就是粗、精耦合。設(shè)計平臺防倒臺保護電路，需實時測量平臺姿態(tài)角。因為平臺發(fā)生倒臺時，平臺的角速度較高，因此只需實時測量、計算粗通道的姿態(tài)角測量值即可。

某型平臺粗通道測角系統(tǒng)由一對極旋轉(zhuǎn)變壓器組成。采用轉(zhuǎn)子單相激磁，定子兩相輸出，如圖2所示。當(dāng)特定頻率的正弦電壓UC加在轉(zhuǎn)子繞組C上時，在定子繞組A、B分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢EA和EB。在負載阻抗足夠大時，可以認為繞組A、B的端電壓UA和UB分別等于感應(yīng)電勢EA、EB，即UA=EA，UB=EB。于是有

式中，UM為UC的幅值；UAM為UA的幅值；UAM=KA·UM，UBM為UB的幅值；UBM=KB·UM；KA，KB為A、B兩繞組的電壓傳輸系數(shù)；θ為定子、轉(zhuǎn)子繞組間相對機械角；φA、φB為A、B兩相電壓的初相角；ω1為2πf1，f1為激磁電源頻率。
設(shè)旋轉(zhuǎn)變壓器為理想的，則有KA=KB=Ke1，于是

則UA和UB是兩個幅值隨轉(zhuǎn)角θ做正弦和余弦變化的正弦波電壓。UA和UB經(jīng)幅相變換電路、鑒零電路后以及輸出電路，最后輸出為開關(guān)門脈沖信號。姿態(tài)角的大小是通過平臺姿態(tài)角測量系統(tǒng)粗通道發(fā)出的開關(guān)門信號的時間間隔來判斷的。保護電路需根據(jù)3個姿態(tài)角粗通道開關(guān)門信號的間隔，計算出角度和角速度，當(dāng)角速度超過設(shè)定值時，則切斷平臺回路電源，使平臺不飛轉(zhuǎn)，保護平臺儀表。