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。

2 硬件設(shè)計(jì)
    平臺(tái)防倒臺(tái)保護(hù)電路主要由角度測(cè)量電路和控制電路兩部分組成。
2．1 角度測(cè)量電路
    平臺(tái)輸出的開關(guān)門信號(hào)測(cè)量采用專用定時(shí)／計(jì)數(shù)芯片82C54進(jìn)行測(cè)量。選用的Intersil公司的82C54是標(biāo)準(zhǔn)TTL電平的邏輯器件，當(dāng)邏輯電平>2．2 V時(shí)認(rèn)為是1，當(dāng)邏輯電平<0．8 V時(shí)認(rèn)為是0。
    這里以X通道的姿態(tài)角測(cè)量電路為例進(jìn)行說明(如圖3所示)。平臺(tái)送出的X軸姿態(tài)角信號(hào)包括粗通道的兩路開關(guān)門信號(hào)以及精通道的兩路開關(guān)門信號(hào)。開門脈沖到來后，邏輯電路使82C54計(jì)數(shù)器的GATE端變?yōu)楦唠娖?，?2C54計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，關(guān)門脈沖到來后，邏輯電路使82C54計(jì)數(shù)GATE端變?yōu)榈碗娖?，?2C54計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，完成計(jì)數(shù)后CPU便可讀取粗精通道的計(jì)數(shù)值，經(jīng)過計(jì)算以及粗精通道的耦合即可精確也計(jì)算出姿態(tài)角的大小，進(jìn)一步計(jì)算出角速度。根據(jù)平臺(tái)倒臺(tái)的判斷依據(jù)(角速度通常達(dá)到較大角速度)，平臺(tái)保護(hù)電路只需測(cè)量粗通道的姿態(tài)角即可。

    開關(guān)門計(jì)數(shù)需要解決的主要問題是如何使兩路開關(guān)門脈沖信號(hào)控制82C54的GATE端，實(shí)現(xiàn)開門脈沖到來時(shí)82C54開始計(jì)數(shù)，關(guān)門脈沖到來時(shí)82C54停止計(jì)數(shù)。這里通過門電路實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。開關(guān)門信號(hào)經(jīng)異或門后，再與開門信號(hào)相與，最后就得到即能反映角度大小又滿足控制82C54的GATE端信號(hào)，如圖5所示。

    根據(jù)平臺(tái)姿態(tài)角激磁頻率和填充脈沖的頻率，一個(gè)16位的計(jì)數(shù)器即可滿足一路姿態(tài)角的計(jì)數(shù)。82C54具有3個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)通道，因此本保護(hù)電路只需1片82C54即可。計(jì)數(shù)方式采用方式4，軟件觸發(fā)選通Soft Triggered Strobe；這種計(jì)數(shù)方式由軟件裝入計(jì)數(shù)初值，在計(jì)數(shù)過程中如果GATE門變?yōu)榈碗娖?，則停止計(jì)數(shù)，直到GATE恢復(fù)時(shí)，重新從初值開始減計(jì)數(shù)。
2．2 控制電路
    以MCU為核心控制電路需在檢測(cè)到GATE門變?yōu)榈碗娖胶罅⒓醋x取計(jì)數(shù)值，并計(jì)算出角度值和角速度值。這里采用宏晶科技的STC11F08XE單片機(jī)。STC11F08XE單片機(jī)是單時(shí)鐘／機(jī)器周期單片機(jī)，平均執(zhí)行速度比傳統(tǒng)8051單片機(jī)快8～12倍，這樣在保證執(zhí)行速度的前提下，可以選擇較低的晶振頻率，減小對(duì)系統(tǒng)的干擾。此外STC11F08XE單片機(jī)還具有3個(gè)可編程時(shí)鐘輸出腳(CLKOUT0／P3．4，CLKOUT1／P3．5，CLKOUT2／P1．1)，并且最大輸出頻率為單片機(jī)時(shí)鐘頻率的1／2。在這里，使用P1．1腳作為82C54 3個(gè)通道的填充脈沖源。當(dāng)單片機(jī)判斷平臺(tái)出現(xiàn)倒臺(tái)時(shí)，立即控制繼電器切斷平臺(tái)回路的電源使平臺(tái)不飛轉(zhuǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)
    電路的保護(hù)功能是由單片機(jī)STC11F08XE根據(jù)內(nèi)部程序設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。
    防倒臺(tái)保護(hù)板的軟件要實(shí)現(xiàn)的功能有：(1)對(duì)計(jì)數(shù)芯片82C54的控制。(2)讀取計(jì)數(shù)值，在82C54完成計(jì)數(shù)后實(shí)時(shí)讀取計(jì)數(shù)值。(3)判斷是否超差，根據(jù)計(jì)數(shù)值判斷是否超差。(4)斷開繼電器，在計(jì)數(shù)值超差的情況下，及時(shí)發(fā)出斷開繼電器的指令。包括：1)單片機(jī)初始化模塊。2)82C54初始化模塊。3)計(jì)算、判斷、執(zhí)行模塊。

    (1)單片機(jī)初始化模塊。
    單片機(jī)初始化模塊在單片機(jī)上電復(fù)位后，首先要保證在完成對(duì)單片機(jī)內(nèi)部寄存器的配置及完成82C54的初始化之前，控制平臺(tái)伺服回路供電的繼電器處于斷開狀態(tài)，然后對(duì)單片機(jī)的各內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置，并在P1.1口產(chǎn)生82C54所需特定頻率的脈沖信號(hào)。
    (2)82C54初始化模塊。
    在單片機(jī)完成初始化后，程序?qū)?duì)82C54 3個(gè)計(jì)數(shù)通道進(jìn)行初始化，完成3個(gè)通道的寄存器的配置。寫入控制字使計(jì)數(shù)方式為方式4，裝入計(jì)數(shù)初值。
    (3)計(jì)算、判斷、執(zhí)行模塊。
    計(jì)算、判斷、執(zhí)行模塊檢測(cè)到某個(gè)通道停止計(jì)數(shù)后，將立即讀取該通道的計(jì)數(shù)值，并與預(yù)設(shè)的超差數(shù)據(jù)比較，做出角速度值是否超差的判斷。為防止誤判，在檢測(cè)到角速度值超差后，單片機(jī)將連續(xù)6次讀取此通道的計(jì)數(shù)值，如果仍判斷為超差則認(rèn)為平臺(tái)出現(xiàn)倒臺(tái)，將立即斷開繼電器、發(fā)出報(bào)警聲并將此時(shí)的狀態(tài)存入單片機(jī)內(nèi)部的EEROM。

4 結(jié)束語
    文中為某型號(hào)平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)了硬件防倒臺(tái)保護(hù)電路板。目前保護(hù)電路板已調(diào)試完畢，并已在例試臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，保護(hù)板在平臺(tái)出現(xiàn)倒臺(tái)時(shí)能夠及時(shí)地切斷平臺(tái)伺服回路的電源、有效地防止倒臺(tái)對(duì)平臺(tái)的損害。