慣性平臺(tái)防倒臺(tái)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

慣性平臺(tái)是運(yùn)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(shí)測(cè)量飛行器相對(duì)慣性空間運(yùn)動(dòng)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(tái)是提供空間慣性坐標(biāo)系基準(zhǔn)，是通過平臺(tái)穩(wěn)定回路實(shí)現(xiàn)的。其由3條穩(wěn)定回路組成平臺(tái)穩(wěn)定系統(tǒng)，系統(tǒng)原理如圖1所示。以平臺(tái)X軸為例，X軸受干擾力矩時(shí)，臺(tái)體偏離X軸慣性基準(zhǔn)。此時(shí)X陀螺敏感臺(tái)體偏離角度，輸出電信號(hào)，經(jīng)前置放大器、變換放大器等電子線路，傳遞為直流信號(hào)輸入到X軸平臺(tái)力矩電機(jī)。力矩電機(jī)產(chǎn)生電磁力矩，抵消干擾力矩，使臺(tái)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(jī)單向驅(qū)動(dòng)的現(xiàn)象，當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，對(duì)有限姿態(tài)角慣性平臺(tái)來說，平臺(tái)環(huán)架會(huì)從原來(慣性空間)穩(wěn)定位置向某一邊快速轉(zhuǎn)動(dòng)倒下，直至碰到另一個(gè)環(huán)架的止擋銷為止。對(duì)全姿態(tài)慣性平臺(tái)來說，平臺(tái)環(huán)架會(huì)從原來(慣性空間)穩(wěn)定位置向某一邊快速轉(zhuǎn)動(dòng)倒下，如果不及時(shí)切斷系統(tǒng)電源，平臺(tái)環(huán)架會(huì)連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)下去。由于慣性平臺(tái)上環(huán)架和陀螺具有的交耦性，在大速率情況下，一個(gè)環(huán)架伺服回路的快速倒環(huán)，會(huì)引起其它各環(huán)架伺服回路的同時(shí)倒環(huán)，這就是平臺(tái)的倒臺(tái)。它的結(jié)果，不但造成慣性平臺(tái)上的陀螺、加速度計(jì)等儀表的損壞，而且會(huì)造成平臺(tái)內(nèi)部連接導(dǎo)線的損壞，是一種致命性的故障。
平臺(tái)倒臺(tái)在試驗(yàn)中也是不可避免的事件，除了平臺(tái)力矩馬達(dá)線圈開路或是其供電電源開路外，在平臺(tái)伺服回路中任意點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)的倒臺(tái)。為了避免倒臺(tái)帶來的損失，人們正在設(shè)法防止或減少倒臺(tái)的發(fā)生，設(shè)計(jì)硬件防倒臺(tái)保護(hù)電路無疑是一種可靠、有效的平臺(tái)保護(hù)手段。

1 保護(hù)原理
平臺(tái)姿態(tài)角測(cè)量系統(tǒng)通常是由粗、精雙通道組成的測(cè)角系統(tǒng)。粗通道完成>1°的角度測(cè)量，精通道對(duì)1°以內(nèi)的角度進(jìn)行精測(cè)，測(cè)量精度可以達(dá)到角秒級(jí)，絕對(duì)角度由粗測(cè)值和精測(cè)值經(jīng)適當(dāng)組合得到，也就是粗、精耦合。設(shè)計(jì)平臺(tái)防倒臺(tái)保護(hù)電路，需實(shí)時(shí)測(cè)量平臺(tái)姿態(tài)角。因?yàn)槠脚_(tái)發(fā)生倒臺(tái)時(shí)，平臺(tái)的角速度較高，因此只需實(shí)時(shí)測(cè)量、計(jì)算粗通道的姿態(tài)角測(cè)量值即可。

某型平臺(tái)粗通道測(cè)角系統(tǒng)由一對(duì)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(shí)，在定子繞組A、B分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)EA和EB。在負(fù)載阻抗足夠大時(shí)，可以認(rèn)為繞組A、B的端電壓UA和UB分別等于感應(yīng)電勢(shì)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(duì)機(jī)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(gè)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(hào)。姿態(tài)角的大小是通過平臺(tái)姿態(tài)角測(cè)量系統(tǒng)粗通道發(fā)出的開關(guān)門信號(hào)的時(shí)間間隔來判斷的。保護(hù)電路需根據(jù)3個(gè)姿態(tài)角粗通道開關(guān)門信號(hào)的間隔，計(jì)算出角度和角速度，當(dāng)角速度超過設(shè)定值時(shí)，則切斷平臺(tái)回路電源，使平臺(tái)不飛轉(zhuǎn)，保護(hù)平臺(tái)儀表。