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(fù)載阻抗足夠大時，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。

2 硬件設(shè)計
    平臺防倒臺保護電路主要由角度測量電路和控制電路兩部分組成。
2．1 角度測量電路
    平臺輸出的開關(guān)門信號測量采用專用定時／計數(shù)芯片82C54進行測量。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時認(rèn)為是1，當(dāng)邏輯電平<0．8 V時認(rèn)為是0。
    這里以X通道的姿態(tài)角測量電路為例進行說明(如圖3所示)。平臺送出的X軸姿態(tài)角信號包括粗通道的兩路開關(guān)門信號以及精通道的兩路開關(guān)門信號。開門脈沖到來后，邏輯電路使82C54計數(shù)器的GATE端變?yōu)楦唠娖?，?2C54計數(shù)器開始計數(shù)，關(guān)門脈沖到來后，邏輯電路使82C54計數(shù)GATE端變?yōu)榈碗娖?，?2C54計數(shù)器停止計數(shù)，完成計數(shù)后CPU便可讀取粗精通道的計數(shù)值，經(jīng)過計算以及粗精通道的耦合即可精確也計算出姿態(tài)角的大小，進一步計算出角速度。根據(jù)平臺倒臺的判斷依據(jù)(角速度通常達到較大角速度)，平臺保護電路只需測量粗通道的姿態(tài)角即可。

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

    根據(jù)平臺姿態(tài)角激磁頻率和填充脈沖的頻率，一個16位的計數(shù)器即可滿足一路姿態(tài)角的計數(shù)。82C54具有3個獨立的16位計數(shù)通道，因此本保護電路只需1片82C54即可。計數(shù)方式采用方式4，軟件觸發(fā)選通Soft Triggered Strobe；這種計數(shù)方式由軟件裝入計數(shù)初值，在計數(shù)過程中如果GATE門變?yōu)榈碗娖?，則停止計數(shù)，直到GATE恢復(fù)時，重新從初值開始減計數(shù)。
2．2 控制電路
    以MCU為核心控制電路需在檢測到GATE門變?yōu)榈碗娖胶罅⒓醋x取計數(shù)值，并計算出角度值和角速度值。這里采用宏晶科技的STC11F08XE單片機。STC11F08XE單片機是單時鐘／機器周期單片機，平均執(zhí)行速度比傳統(tǒng)8051單片機快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，減小對系統(tǒng)的干擾。此外STC11F08XE單片機還具有3個可編程時鐘輸出腳(CLKOUT0／P3．4，CLKOUT1／P3．5，CLKOUT2／P1．1)，并且最大輸出頻率為單片機時鐘頻率的1／2。在這里，使用P1．1腳作為82C54 3個通道的填充脈沖源。當(dāng)單片機判斷平臺出現(xiàn)倒臺時，立即控制繼電器切斷平臺回路的電源使平臺不飛轉(zhuǎn)。

3 軟件設(shè)計
    電路的保護功能是由單片機STC11F08XE根據(jù)內(nèi)部程序設(shè)計來實現(xiàn)。
    防倒臺保護板的軟件要實現(xiàn)的功能有：(1)對計數(shù)芯片82C54的控制。(2)讀取計數(shù)值，在82C54完成計數(shù)后實時讀取計數(shù)值。(3)判斷是否超差，根據(jù)計數(shù)值判斷是否超差。(4)斷開繼電器，在計數(shù)值超差的情況下，及時發(fā)出斷開繼電器的指令。包括：1)單片機初始化模塊。2)82C54初始化模塊。3)計算、判斷、執(zhí)行模塊。

    (1)單片機初始化模塊。
    單片機初始化模塊在單片機上電復(fù)位后，首先要保證在完成對單片機內(nèi)部寄存器的配置及完成82C54的初始化之前，控制平臺伺服回路供電的繼電器處于斷開狀態(tài)，然后對單片機的各內(nèi)部寄存器進行配置，并在P1.1口產(chǎn)生82C54所需特定頻率的脈沖信號。
    (2)82C54初始化模塊。
    在單片機完成初始化后，程序?qū)?2C54 3個計數(shù)通道進行初始化，完成3個通道的寄存器的配置。寫入控制字使計數(shù)方式為方式4，裝入計數(shù)初值。
    (3)計算、判斷、執(zhí)行模塊。
    計算、判斷、執(zhí)行模塊檢測到某個通道停止計數(shù)后，將立即讀取該通道的計數(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，在檢測到角速度值超差后，單片機將連續(xù)6次讀取此通道的計數(shù)值，如果仍判斷為超差則認(rèn)為平臺出現(xiàn)倒臺，將立即斷開繼電器、發(fā)出報警聲并將此時的狀態(tài)存入單片機內(nèi)部的EEROM。

4 結(jié)束語
    文中為某型號平臺的測試系統(tǒng)設(shè)計了硬件防倒臺保護電路板。目前保護電路板已調(diào)試完畢，并已在例試臺上進行了實驗。實驗結(jié)果表明，保護板在平臺出現(xiàn)倒臺時能夠及時地切斷平臺伺服回路的電源、有效地防止倒臺對平臺的損害。