CN100461061C - 一种适用于光纤陀螺惯性测量组合的全数字温控装置 - Google Patents

一种适用于光纤陀螺惯性测量组合的全数字温控装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于光纤陀螺惯性测量组合的全数字温控装置，由七个温度传感器、一个DSP处理器、两片光电耦合器、七路开关功率放大器和电源电路组成，通过DSP处理器对温度传感器实时采集的工作温度tn进行与设定温度值TN的温度差值eN＝TN-tn比较进行控制PWM波的生成，以此来驱动加热件进行加热电流的自动调节控制，形成了一个闭环反馈装置。本发明的光纤陀螺惯性测量组合是对加热件和控制对象进行工作时的温度进行控制，使之工作在一个恒定的温度条件下，从而克服环境温度变化造成对惯性器件输出精度的影响。

Description

一种适用于光纤陀螺惯性测量组合的全数字温控装置
技术领域
本发明涉及一种温度控制装置，更特别地说，是指一种适用于光纤陀螺惯性测量组合的全数字温控装置。
背景技术
光纤陀螺因其具有全固态结构，启动快，动态范围宽，抗冲击，体积小，成本低等优点，将广泛应用于军事(卫星、导弹、飞机、舰艇)、生物传感和工业自动化等领域。特别是随着其工程化应用的不断进展，光纤陀螺将逐渐取代机械陀螺应用于捷联惯性导航系统。但由光纤陀螺和石英挠性加速度计所组成的惯性测量组合的输出参数会严重受到外界环境温度变化的干扰，为了使惯性器件工作的外部和内部保持在某一稳定温度条件下。当光纤陀螺工作在一个恒定的温度环境，从而避免其输出精度受环境的影响，有效地提高了惯性测量组合的测量精度。
传统的模拟式温控装置的通/断、直流线路存在结构复杂、精度低等缺点，不能够达到很好的温控效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于光纤陀螺惯性测量组合的全数字温控装置，该全数字温控装置通过在DSP处理器内标定出控制对象的设定温度值TN，然后用设定温度值TN与数字温度传感器采集的工作温度tn作比较得出相对的温度误差eN，然后根据所述温度误差eN是否满足≤3℃来判断DSP处理器输出PWM波的控制量f，控制DSP输出对应占空比的PWM波，实现加热件上的加热电流的自动调节。本发明全数字温控装置是一个闭环反馈装置，能够使惯性器件处于恒温工作环境，其温度稳定精度达到0.1℃，从而克服环境温度变化造成对惯性器件输出精度的影响。
本发明是一种适用于光纤陀螺惯性测量组合的全数字温控装置，由七个数字温度传感器、一个DSP处理器、两片光电耦合器、七路开关功率放大器和电源电路组成。
所述数字温度传感器，用于实时采集所述控制对象上的工作温度tn，且n表示数字温度传感器的个数，n＝1，2，3，4，5，6，7；
所述DSP处理器，(A)用于标定出所述控制对象的设定温度值TN，且N表示控制对象的个数，N＝1，2，3，4，5，6，7；和(B)采用所述设定温度值TN减去接收的所述工作温度tn获得温度误差eN，且N表示控制对象的个数，N＝1，2，3，4，5，6，7；(C)然后根据所述温度误差eN是否满足≤3℃来判断DSP处理器输出PWM波的控制量f；
所述光电耦合器，用于对接收的所述PWM波控制量f进行隔离处理后输出隔离后控制量f0给所述开关功率放大器；
所述开关功率放大器，用于对接收的所述隔离后控制量f0进行功率放大处理后，驱动所述加热件进行加热电流的自动调节；
所述电源电路，用于提供电源。
所述的全数字温控装置，其DSP处理器采用设定温度值TN与实时采集的工作温度tn进行差值比较进行控制PWM波的生成，以此来驱动加热件进行加热电流的自动调节控制，形成了一个闭环反馈装置。
本发明全数字温控装置的优点在于：(1)分别在控制对象上安装数字温度传感器，有效地提高了采集工作温度的精度，从而为准确计算温度误差提供了必备条件；(2)通过在DSP处理器内部嵌入标定的温度值、温度误差解析方式、PWM波控制量，通过数字手段解决了光纤陀螺惯性测量组合的输出参数受外界环境温度变化的干扰；(3)在信号通讯上采用了结构简单、功耗低、可靠性好、成本低、易实现的电子电路结构；(4)对DSP处理器输出的PWM波控制量利用模糊PID算法、超调量小、稳定精度高和抗干扰能力强。
附图说明
图1是本发明全数字温控装置的结构控制框图。
图2是电源电路结构框图。
图3是本发明的控制流程图。
图4A是DSP处理器电路原理图。
图4B是光电耦合器和数字温度传感器电路原理图。
图4C是功率放大器电路原理图。
图4D是电源电路原理图。
图5A是温度误差eN>3℃时，DSP处理器输出的PWM波形图。
图5B是温度误差eN≤3℃且>0℃时，DSP处理器输出的PWM波形图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明是一种适用于光纤陀螺惯性测量组合的全数字温控装置，由七个数字温度传感器(X轴光纤陀螺上的温度传感器A U9、Y轴光纤陀螺上的温度传感器B U10、Z轴光纤陀螺上的温度传感器C U11、X轴加速度计上的温度传感器D U12、Y轴加速度计上的温度传感器E U13、Z轴加速度计上的温度传感器F U14及骨架体上的温度传感器G U15)、一个DSP处理器、两片光电耦合器(光电耦合器A U16、光电耦合器B U17)、七路开关功率放大器和电源电路组成，本发明的光纤陀螺惯性测量组合是对加热件和控制对象进行工作时的温度进行控制，使之工作在一个恒定的温度条件下，从而克服环境温度变化造成对惯性器件输出精度的影响。所述控制对象是指骨架体、X轴光纤陀螺、Y轴光纤陀螺、Z轴光纤陀螺、X轴加速度计、Y轴加速度计和Z轴加速度计，X轴光纤陀螺、Y轴光纤陀螺、Z轴光纤陀螺、X轴加速度计、Y轴加速度计和Z轴加速度计分别安装在骨架体上。七个温度传感器分别安装在骨架体、X轴光纤陀螺、Y轴光纤陀螺、Z轴光纤陀螺、X轴加速度计、Y轴加速度计和Z轴加速度计上。
在本发明中，数字温度传感器采集X轴光纤陀螺、Y轴光纤陀螺、Z轴光纤陀螺、X轴加速度计、Y轴加速度计、Z轴加速度计和骨架体的工作温度tn分别记为：
X轴光纤陀螺工作时的温度，简称工作温度t1。
Y轴光纤陀螺工作时的温度，简称工作温度t2。
Z轴光纤陀螺工作时的温度，简称工作温度t3。
X轴加速度计工作时的温度，简称工作温度t4。
Y轴加速度计工作时的温度，简称工作温度t5。
Z轴加速度计工作时的温度，简称工作温度t6。
骨架体工作时的温度，简称工作温度t7。
所述数字温度传感器，用于实时采集控制对象上的工作温度tn，且n表示温度传感器的个数，n＝1，2，3，4，5，6，7；
所述DSP处理器，(A)用于标定出控制对象的设定温度值TN，且N表示控制对象的个数，N＝1，2，3，4，5，6，7；和(B)采用所述设定温度值TN减去接收的所述工作温度tn获得温度误差eN，且N表示控制对象的个数，N＝1，2，3，4，5，6，7；(C)然后，根据所述温度误差eN是否满足≤3℃来判断DSP处理器输出PWM波的控制量f；
在本发明中，所述DSP处理器输出的PWM波控制量f的三种情况分别为：当所述温度误差eN>3℃时，DSP处理器输出的PWM波的控制量f为最大，其输出波形为一条直线(参见图5A所示)；当所述温度误差eN≤3℃且>0℃时，DSP处理器输出的PWM波采用模糊PID算法计算得到控制量f，其输出波形为PWM波(参见图5B所示)；当所述温度误差eN≤0℃时，DSP处理器输出的PWM波的控制量f＝0。
所述光电耦合器，用于对接收的所述PWM波控制量f进行隔离处理后输出隔离后控制量f0给所述开关功率放大器；
所述开关功率放大器，用于对接收的所述隔离后控制量f0进行功率放大处理后，驱动所述加热件进行加热电流的自动调节；
所述电源电路，用于提供全数字温控装置所需电源。
本发明的全数字温控装置通过DSP处理器采用设定温度值TN与实时采集的工作温度tn进行的差值比较进行控制PWM波的生成，以此来驱动加热件进行加热电流的自动调节控制，形成了一个闭环反馈装置。
参见图2所示，本发明中所采用的电源电路由DC/DC转换器A、滤波器、电压调整器、DC/DC转换器B、DC/DC转换器C和DC/DC隔离器组成；(光纤陀螺)机载电源提供+28V电压；所述+28V电压经DC/DC转换器A转换后输出稳定的+28V电压给加热件；所述+28V电压经滤波器、电压调整器和DC/DC转换器B处理后输出稳定的+5V电压；所述DC/DC转换器C接收所述稳定的+5V电压经转换后输出稳定的+3.3V电压；所述DC/DC转换器A输出的地线与所述DC/DC转换器B输出的地线和稳定的+5V电压经DC/DC隔离器处理后输出驱动+5V电压。本发明的温控装置中所需电压请参见各电路原理图中的电压标注。
参见图3所示，本发明温控装置的处理流程为：系统上电后，通过系统初始化配制好DSP处理器的I/O口为基本功能方式，DSP处理器通过I/O口接收数字温度传感器感测的数字温度信号完成温度采集，然后，利用设定温度值TN减去工作温度tn得到温度误差eN＝TN-tn；通过对温度误差eN判断得到用于调节输出PWM波的占空比的实时控制量f；当温度误差eN>3℃时，控制量f为最大；当温度误差eN≤3℃且>0℃时，采用模糊PID算法计算得到相应控制量f；当温度误差eN≤0℃时，控制量f＝0；最后，将控制PWM波输出给光电耦合器，作为用于驱动加热件工作的开关功率放大器的开关信号，如此反复，直至七路控制对象(X轴光纤陀螺、Y轴光纤陀螺、Z轴光纤陀螺、X轴加速度计、Y轴加速度计、Z轴加速度计及骨架体)达到在相应设定温度值TN的动态平衡。
在本发明中，X轴光纤陀螺的设定温度值T1为55℃。
Y轴光纤陀螺的设定温度值T2为55℃。
Z轴光纤陀螺的设定温度值T3为55℃。
X轴加速度计的设定温度值T4为55℃。
Y轴加速度计的设定温度值T5为55℃。
Z轴加速度计的设定温度值T6为55℃。
骨架体的设定温度值T7为45℃。
在本发明中，X轴光纤陀螺在工作时的温度误差e1＝T1-t1。
Y轴光纤陀螺在工作时的温度误差e2＝T2-t2。
Z轴光纤陀螺在工作时的温度误差e3＝T3-t3。
X轴加速度计在工作时的温度误差e4＝T4-t4。
Y轴加速度计在工作时的温度误差e5＝T5-t5。
Z轴加速度计在工作时的温度误差e6＝T6-t6。
骨架体在工作时的温度误差e7＝T7-t7。
本发明温控装置的硬件电路各管脚的联接为：
本发明中DSP处理器选取TMS32OC2407芯片，光电耦合器选取TLP521-4芯片，数字温度传感器选取DS18B20芯片。参见图4A所示，DSP处理器U7的第88、81脚与外部时钟电路联接，第11、10脚与锁相环电路联接，第133脚与复位电路U8的第7脚联接，第56、52、44、65脚分别与光电耦合器AU16的第1、3、5、7脚联接，第59、46、6脚分别与光电耦合器B U17的第3、5、7脚联接，第119、30、32、35、33、72、70脚分别与X轴光纤陀螺上的数字温度传感器A U9的第2脚联接、Y轴加速度计上的数字温度传感器E U13的第2脚联接、Y轴光纤陀螺上的数字温度传感器B U10的第2脚联接、Z轴加速度计上的数字温度传感器F U14的第2脚联接、Z轴光纤陀螺上的数字温度传感器C U11的第2脚联接、骨架体上的数字温度传感器G U15的第2脚联接、X轴加速度计上的数字温度传感器D U12的第2脚联接、及，第90、91、135、139、142、144、1脚与JTAG接口J1的13、14、11、3、7、1、2脚联接，电压和地引脚为标准联接。
参见图4B所示：光电耦合器A U16第15、13、11、9脚分别与功率放大电路A Q1、功率放大电路B Q2、功率放大电路C Q3、功率放大电路D Q4的2脚联接，光电耦合器B U17第13、11、9脚分别与功率放大电路E Q5、功率放大电路F Q6、功率放大电路G Q7的2脚联接，光电耦合器A U16第10、12、14、16脚以及光电耦合器B U17第10、12、14脚与电源电路B U6的第6脚联接。
参见图4C所示：功率放大电路A Q1、功率放大电路B Q2、功率放大电路C Q3、功率放大电路D Q4、功率放大电路E Q5、功率放大电路F Q6、功率放大电路G Q7的1脚与电源电路A U3第6脚联接，功率放大电路A Q1、功率放大电路B Q2、功率放大电路C Q3、功率放大电路D Q4、功率放大电路E Q5、功率放大电路F Q6、功率放大电路G Q7的3脚通过电阻R26、电阻R27、电阻R28、电阻R29、电阻R30、电阻R31、电阻R32与电源电路A U3第9脚联接。
参见图4D所示：电源电路C U4第1脚通过电感L9与电源电路D U2第6脚联接，电源电路C U4第2脚与电源电路D U2第5脚联接，电源电路C U4第7脚与电感L15一端联接，第6脚通过电感L11与电感L14一端联接，电源电路B U6第5脚与图4B中光电耦合器A U16第15、13、11、9脚以及光电耦合器B U17第13、11、9脚经过电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15、电阻R19、电阻R20、电阻R21后联接，其它电路按照一般原则联接。
本发明的全数字温控装置是通过在DSP内设定好光纤陀螺惯性测量组合中光纤陀螺、加速度计和骨架体的较佳工作温度，即标定出设定温度值，然后与数字温度传感器采集的工作温度作比较得出温度误差，所述温度误差经模糊PID算法处理得到控制量，控制DSP输出对应占空比的PWM波，实现加热电流的自动调节。此系统可使惯性器件处于恒温环境，精度达到0.1℃，从而克服环境温度变化造成对惯性器件输出精度的影响。

Claims (6)

1.一种适用于光纤陀螺惯性测量组合的全数字温控装置，所述全数字温控装置是对加热件和控制对象进行工作时的温度控制，使之工作在一个恒定的温度条件下，从而克服环境温度变化造成对惯性器件输出精度的影响；所述控制对象是指骨架体、X轴光纤陀螺、Y轴光纤陀螺、Z轴光纤陀螺、X轴加速度计、Y轴加速度计和Z轴加速度计，X轴光纤陀螺、Y轴光纤陀螺、Z轴光纤陀螺、X轴加速度计、Y轴加速度计和Z轴加速度计分别安装在骨架体上，其特征在于：所述全数字温控装置由七个数字温度传感器、一个DSP处理器、两片光电耦合器、七路开关功率放大器和电源电路组成；
所述数字温度传感器，用于实时采集所述控制对象上的工作温度tn，且n表示数字温度传感器的个数，n＝1，2，3，4，5，6，7；
所述DSP处理器，(A)用于标定出所述控制对象的设定温度值TN，且N表示控制对象的个数，N＝1，2，3，4，5，6，7；和(B)采用所述设定温度值TN减去接收的所述工作温度tn获得温度误差eN，且N表示控制对象的个数，N＝1，2，3，4，5，6，7；(C)然后根据所述温度误差eN是否满足≤3℃来判断DSP处理器输出PWM波的控制量f；
所述光电耦合器，用于对接收的所述PWM波控制量f进行隔离处理后输出隔离后控制量f0给所述开关功率放大器；
所述开关功率放大器，用于对接收的所述隔离后控制量f0进行功率放大处理后，驱动所述加热件进行加热电流的自动调节；
所述电源电路，用于提供电源；
所述七个数字温度传感器分别安装在骨架体、X轴光纤陀螺、Y轴光纤陀螺、Z轴光纤陀螺、X轴加速度计、Y轴加速度计和Z轴加速度计上；所述七个数字温度传感器是指X轴光纤陀螺上的温度传感器A、Y轴光纤陀螺上的温度传感器B、Z轴光纤陀螺上的温度传感器C、X轴加速度计上的温度传感器D、Y轴加速度计上的温度传感器E、Z轴加速度计上的温度传感器F及骨架体上的温度传感器G。
2.根据权利要求1所述的全数字温控装置，其特征在于：所述DSP处理器输出的PWM波控制量f的三种情况分别为，当所述温度误差eN>3℃时，DSP处理器输出的PWM波的控制量f为最大，其输出波形为一条直线；当所述温度误差eN≤3℃且>0℃时，DSP处理器输出的PWM波采用模糊PID算法计算得到控制量f，其输出波形为PWM波；当所述温度误差eN≤0℃时，DSP处理器输出的PWM波的控制量f＝0。
3.根据权利要求1所述的全数字温控装置，其特征在于：X轴光纤陀螺的设定温度值T1为55℃、Y轴光纤陀螺的设定温度值T2为55℃、Z轴光纤陀螺的设定温度值T3为55℃、X轴加速度计的设定温度值T4为55℃、Y轴加速度计的设定温度值T5为55℃、Z轴加速度计的设定温度值T6为55℃和骨架体的设定温度值T7为45℃。
4.根据权利要求1所述的全数字温控装置，其特征在于：X轴光纤陀螺在工作时的温度误差e1＝T1-t1、Y轴光纤陀螺在工作时的温度误差e2＝T2-t2、Z轴光纤陀螺在工作时的温度误差e3＝T3-t3、X轴加速度计在工作时的温度误差e4＝T4-t4、Y轴加速度计在工作时的温度误差e5＝T5-t5、Z轴加速度计在工作时的温度误差e6＝T6-t6、骨架体在工作时的温度误差e7＝T7-t7。
5.根据权利要求1所述的全数字温控装置，其特征在于：所述电源电路由DC/DC转换器A、滤波器、电压调整器、DC/DC转换器B、DC/DC转换器C和DC/DC隔离器组成；机载电源提供+28V电压；所述+28V电压经DC/DC转换器A转换后输出稳定的+28V电压给加热件；所述+28V电压经滤波器、电压调整器和DC/DC转换器B处理后输出稳定的+5V电压；所述DC/DC转换器C接收所述稳定的+5V电压经转换后输出稳定的+3.3V电压；所述DC/DC转换器A输出的地线与所述DC/DC转换器B输出的地线和稳定的+5V电压经DC/DC隔离器处理后输出驱动+5V电压。
6.根据权利要求1所述的全数字温控装置，其特征在于：所述DSP处理器选取TMS320C2407芯片，光电耦合器选取TLP521-4芯片，数字温度传感器选取DS18B20芯片，其硬件电路联接为：DSP处理器(U7)的第88、81脚与外部时钟电路联接，第11、10脚与锁相环电路联接，第133脚与复位电路(U8)的第7脚联接，第56、52、44、65脚分别与光电耦合器A(U16)的第1、3、5、7脚联接，第59、46、6脚分别与光电耦合器B(U17)的第3、5、7脚联接，第119、30、32、35、33、72、70脚分别与X轴光纤陀螺上的数字温度传感器A(U9)的第2脚联接、Y轴加速度计上的数字温度传感器E(U13)的第2脚联接、Y轴光纤陀螺上的数字温度传感器B(U10)的第2脚联接、Z轴加速度计上的数字温度传感器F(U14)的第2脚联接、Z轴光纤陀螺上的数字温度传感器C(U11)的第2脚联接、骨架体上的数字温度传感器G(U15)的第2脚联接、X轴加速度计上的数字温度传感器D(U12)的第2脚联接，第90、91、135、139、142、144、1脚与JTAG接口(J1)的13、14、11、3、7、1、2脚联接。
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