基于LPC2148的电机测速系统

唐瑞　姚冉中

摘 要： 火箭橇速度测试系统是火箭橇试验的核心组成部分，该系统提供火箭橇运动全过程的速度-位置关系、时间-位置关系和加速度-时间关系等火箭橇核心运动数据。为了满足目前惯导系统和北斗导航系统的火箭橇动态标定试验，重点讨论了火箭橇测速系统的组成结构，并对其系统精度做出详细误差分析。分析找出影响系统误差的主要因素，为后期进一步提高火箭橇测速系统的精度提供理论依据。

关键字： 速度测试系统； 惯性导航； 误差分析； 火箭橇

中图分类号： TN820.5?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）01?0103?03

Abstract： Velocity test system is an important part of the rocket sled test. The system provides the rocket sled motion data of speed?location， time?position and acceleration?time relationship in the whole process of rocket sled. In order to meet the needs of dynamic calibration test for inertial navigation system and Beidou navigation system， the composition structure and precision analysis of velocity test system are discussed emphatically. The main factors of error formation were found out by the aid of analysis， which provided a theoretical basis for further precision improvement of the rocket sled velocity test system.

Keywords： velocity test system； inertial navigation system； error analysis； rocket sled

0 引 言

随着我国武器装备现代化的发展，对惯性测量装置动态精度、大过载下适应性和可靠性等方面也提出了更高的要求。为满足武器系统精确制导、精确打击的要求，适应现代化的新军事变革，验证惯导系统地面试验与天上飞行的一致性，完善惯导系统地面试验方法越来越迫切[1]。对惯性仪表及惯性系统的使用精度进行地面标定试验及综合性能评估有许多方法，如重力场翻滚试验、离心机试验、震动试验、冲击试验、火箭橇试验等。在这些试验中，能提供最为接近真实飞行环境特别是火箭或导弹主动段力学环境的方法就是火箭橇试验[2]。

火箭橇试验是指将试验件安装在专用滑车上，用固体或液体发动机作为动力，沿高精度轨道高速滑行的试验，具有产生大过载、高速度和冲击等综合条件的能力，可以最逼真地模拟导弹真实飞行环境。火箭橇试验早已列入美国惯导系统的试验大纲作为地面试验的最后阶段，并规定通过火箭橇试验后惯导系统才能进行飞行试验[3]。

在惯性导航系统的地面试验中，火箭橇试验的优势在于其测速系统能够相对精确地提供滑车运动过程中时间?位置关系。火箭橇测速系统提供的滑车位置信息由传感器安装位置实测得出，对比惯性导航系统的速度和位置信息由陀螺和加速度计解算得出，其位置精度更高也更具可测性。

通过对火箭橇测速系统的误差分析， 找到了影响测速系统误差的因素。通过技术改进，最大程度地减小测速系统的误差，从而满足高精度惯性导航系统火箭橇校准试验对速度测试的要求。本文着重讨论了火箭橇测速系统组成结构，并对该系统的系统误差进行详细分析。

1 火箭橇测速系统原理

火箭橇测速系统采用非接触式磁电感应法进行速度测试，其原理如下：

沿火箭橇副轨侧间隔一定距离安装双度霍尔开关传感器，在火箭橇橇体侧面安装一块永磁钢。当火箭橇运行时，永磁钢的磁场经过一个霍尔开关传感器，产生一个脉冲信号，利用数采器记录下火箭橇运行过程中经过各个霍尔开关传感器的时刻，并送至存储器进行存储。事后经过判读各个脉冲的间隔时间即可得到火箭橇运行在各个霍尔传感器之间的时间[ΔT；]测量相邻传感器之间的距离[ΔS，]即可计算出火箭橇经过相邻两传感器之间的平均速度[V=ΔSΔT，]再加上时统系统便可获得火箭橇运行的时空位置。

2 影响速度误差的因素

由于物体运动的速度是一个不可直接测量的值，根据速度的计算公式，速度的误差取决于传感器间隔两点的距离误差和计时器产生的记录相邻两传感器产生脉冲时刻的误差。故对襄北测速系统产生的速度误差作出如下分析：

2.1 决定相邻两传感器距离[ΔS]误差因素

（1） 相邻传感器之间的距离测量误差。精确测量相邻两个霍尔传感器探头之间的距离时会产生误差。使用硬性钢尺可以把测距精度控制在0.001 m。

（2） 传感器壳体安装的误差。只有当相邻两传感器壳体的上表面在同一水平面的时候，才能保证相邻两个霍尔器件在同一水平高度，测出的两霍尔器件间直线距离才更准确。目前传感器壳体的安装误差通过器具校准可以控制在0.002 m。

（3） 霍尔开关传感器感应磁场的位置误差。根据永磁体磁力线的分布，永磁铁的前端是一个发散的闭合磁场，那就意味着，当永磁铁还未运动到霍尔器件的正上方时，霍尔器件就会提前感受到磁场，使之触发产生脉冲信号。

经过反复的现场试验发现，永磁铁运动和霍尔传感器的响应位置存在如图1所示的对应关系：

对比图1中的数据可以发现，在磁铁与霍尔传感器垂直距离为25～35 mm时，传感器对磁铁的水平响应距离基本一致。即当传感器的安装高度精确控制在与永磁铁下表面的垂直距离为25～35 mm的范围内时，传感器的位置响应误差可以控制在0.5 mm以内。

2.2 决定火箭橇通过相邻两传感器计时误差[ΔT]的因素

（1） 软件判读时间数据的误差

数据采集器记录下滑车经过传感器时产生的脉冲信号，试验后软件判读脉冲信号跳变时的时刻即为滑车经过该传感器时的时刻。软件判读时间数据的误差与通道的采样率设置有关，当通道采样率为10 K时，时间判读误差可以控制在10?5 s；

（2） 数据采集器本身固有的时间精度

使用的NICOLET visionXP数据采集器时基精度为10-7 s。

3 速度误差的理论计算

火箭橇在滑轨上运行，其物理状态为火箭橇在滑轨上做变速直线运动，变速运动中的平均速度只有指明哪一段距离或时间内才有意义。平均速度只能粗略反映火箭橇在某段运动状态，不能描述它在任意时刻的运动状态。

4 火箭橇速度测试精度与测时精度的关系

根据速度误差的理论计算公式，分别计算出某一速度误差范围时，对应使用数据采集器所需要的时间精度。

由表1和表2分析可知，要高精度的测量火箭橇速度，有两个关键条件：

（1） 霍尔传感器感应位置精度高（安装位置坐标精确，感应信号位置精确）；

（2） 霍尔传感器感应信号测时精度高（霍尔传感器产生的脉冲信号传输延迟一致性高、数据采集器的测时精度高和时统授时精度高）。

5 结 语

目前位于中国航空救生试验基地的火箭橇试验测速系统，测时精度能够达到10-5 s，即10 μs级别。那么火箭橇在340 m/s的运动速度下，测速误差可以达到±0.3 m/s；在680 m/s的运动速度下，测速误差可以达到±0.5 m/s。

通过对该系统的误差分析，满足高精度惯导系统火箭橇动态标定试验，进一步提高目前火箭橇测速系统精度是我们今后工作的重点。

参考文献

[1] 陈东生，魏宗康，房建成.验证石英加速度计误差模型的火箭橇试验[J].中国惯性技术学报，2009，17（2）：236?239.

[2] 李丹东，陈效真，冯强，等.惯导系统火箭橇试验简介[J].导航与控制，2005（2）：57?58.

[3] 夏刚，李丹东，陈效真.高级惯性测量组合的火箭橇测试[J].导航与控制：译文集，2005（1）：31?32.

[4] 武汉测绘科技大学《测量学》编写组.测量学[M].武汉：测绘出版社，2002.

[5] 武汉大学测绘学院测量平差学科组.误差理论与测量平差基础[M].武汉：武汉大学出版社，2008.

[6] 蓝仁恩，刘志成，王志乐.等.机载惯导系统可视化仿真方法研究[J].现代电子技术，2011，34（9）：203?205.