CN105978326B - 开关频率实时调节的光纤陀螺内置dc-dc电源 - Google Patents

开关频率实时调节的光纤陀螺内置dc-dc电源 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种开关频率实时调节的光纤陀螺内置DC‑DC电源，包括：开关频率反馈控制电路和DC‑DC电源主电路；所述开关频率反馈控制电路包括调制解调信号采样模块、开关频率解算模块和开关控制信号输出模块；本发明的DC‑DC电源可以根据光纤陀螺陀螺自身的工作状态建立反馈回路，并依此实现开关频率的实时调节。本发明的开关电源的开关频率实时可调，可以根据光纤陀螺本身的工作状态建立DC‑DC电源开关频率的反馈，让DC‑DC电源开关频率避开陀螺内部的调制解调频率及其倍频，有效抑制DC‑DC电源开关纹波对光纤陀螺的串扰，提高陀螺的使用精度。

Description

开关频率实时调节的光纤陀螺内置DC-DC电源
技术领域
本发明涉及惯性导航应用中光纤陀螺内置电源技术，具体涉及一种开关频率实时调节的光纤陀螺内置DC-DC电源。
背景技术
直流-直流(DC-DC)变换电路，是将一组电参数的直流电能变换为另一组电参数的直流电能的电路。现代的DC-DC变换普遍应用开关变换技术，用开关变换技术构成的DC-DC变换器被称为开关变换器或开关电源。
在DC-DC开关变换电路中，开关元件被周期性地接通和断开。开关接通的时间ton和整个周期Ts的比例D称为开关接通的占空比。控制开关接通的占空比可以控制输出电压。开关接通的占空比定义为：
D＝ton/Ts (1)
图1所示是DC-DC开关电路中最常用的Buck电路拓扑，Buck电路是一种降低直流电压的最简单的开关变换电路，由开关管T、PWM开关控制电路、电感L、电容C、输入直流电压源Ud和电阻负载RL组成。PWM开关控制电路通过输出一定占空比的PWM波控制开关管T的通断，PWM波占空比即为开关接通的占空比D。开关管T的通断将输入直流电压源Ud的输入电压转换为占空比为D的方波，电感L和电容C组成低通滤波器，开关管后占空比为D的方波经低通滤波LC电路后整流成为具有很小纹波的直流输出，实现了降低电压的DC-DC变换。该DC-DC变换器输出直流电压UO和输入直流电压的Ud关系为：
UO＝DUd (2)
光纤陀螺是一个复杂的传感系统，其内部光源、调制解调电路、探测器等需要分别独立供电，DC-DC开关电源具有很高的效率，在对供电效率比较高的应用场合下，陀螺内置电源一般采用DC-DC直流变换电路的供电方案。
但是传统陀螺内置DC-DC电源存在以下缺点：内置DC-DC电源本身的纹波噪声会耦合进光纤陀螺的调制解调电路，如果调制解调电路的数字信号噪声与DC-DC电源的纹波噪声发生耦合谐振，DC-DC电源本身的纹波噪声就会对调制解调电路形成串扰，从而影响光纤陀螺调制解调电路的精度，从而降低光纤陀螺的性能。
发明内容
针对上述的不足，本发明提供一种开关频率可调的光纤陀螺内置DC-DC开关电源，该开关电源可以根据光纤陀螺内部的调制解调频率建立反馈回路，从而调节开关频率使其远离光纤陀螺的调制解调频率及其倍频。该开关电源能够有效避免光纤陀螺内部调制信号及谐波与开关电源的纹波噪声发生谐振，降低了开关电源对光纤陀螺系统的串扰噪声，提高了系统的应用精度。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种开关频率实时调节的光纤陀螺内置DC-DC电源，包括：开关频率反馈控制电路；所述开关频率反馈控制电路包括调制解调信号采样模块、开关频率解算模块和开关控制信号输出模块；
所述的调制解调信号采样模块用于采样光纤陀螺的方波调制解调频率，并将采样得到的调制解调频率发送给下一级的开关频率解算模块；
所述的开关频率解算模块用于根据采样得到的调制解调频率，解算出DC-DC电源实际开关频率，并控制下一级开关控制信号输出模块；
所述的开关控制信号输出模块用于输出与上一级解算结果相符的开关控制信号，控制DC-DC电源主电路的开关管元件；
所述的DC-DC电源主电路的开关管元件控制端与开关控制信号输出模块的输出端相连。
进一步地，所述调制解调采样模块包括前端的逻辑电路和后端的高频计数器：所述前端逻辑电路采用非门电路，可以对输入的陀螺调制解调频率进行逻辑整形；所述后端的高频计数器对采样的光纤陀螺的方波调制解调频率进行一秒内的脉冲计数，计数一秒内出现的上升沿的个数，并将计数结果传输给下一级开关频率解算模块。
进一步地，所述开关频率解算模块为一块数字处理芯片，该数字芯片首先接收上一级采样模块中计数器的计数结果，并根据计数结果解析出陀螺调制解调频率的大小；然后根据解析得到的调制解调频率大小，解算出DC-DC电源开关频率；开关频率解算模块控制下一级开关控制信号输出模块，使之输出和解算结果一致的开关管PWM控制信号。
进一步地，所述的解算出DC-DC电源开关频率的解算方法如下：首先，根据采样得到的光纤陀螺的方波调制解调频率fm，并解算出调制解调频率fm的倍频fmn＝n*fm(n＝1,2,3…)；然后，确定开关频率预设值fw0在fm的倍频项中的范围fmj<fw0<fmk(k＝j+1)，其中j表示fmj为fm的j倍频，k表示fmk为fm的k倍频；再依据此范围确定DC-DC电源实际开关频率fw的大小fw＝(fmj+fmk)/2。
进一步地，所述开关控制信号输出模块用于输出与上一级解算结果相符的开关控制信号具体为开关控制信号输出模块在上一级开关信号解算模块中数字芯片的控制下，输出占空比为D，频率为fw的开关管控制信号，其中：fw为DC-DC电源实际开关频率；D满足UO＝DUd，其中Ud为DC-DC变换器输入直流电压，UO为DC-DC变换器输出直流电压。
进一步地，所述DC-DC电源主电路为DC-DC开关拓扑电路中的BUCK拓扑电路或BOOST拓扑电路。
进一步地，所述DC-DC电源主电路为隔离DC-DC变换拓扑电路中的正激拓扑电路、反激拓扑电路或者推挽拓扑电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该开关电源具有反馈控制电路，该反馈控制电路分为三个模块：调制解调采样模块、开关频率解算模块和开关控制信号输出模块：制解调采样模块可以准确获得光纤陀螺的调制解调频率，开关频率解算模块可以根据采样结果解算出合适的DC-DC电源开关频率，开关控制信号输出模块输出在合适频率下的PWM开关控制信号。
具有上述反馈控制电路的内置DC-DC电源，可以根据陀螺内部的调制解调频率建立反馈，使DC-DC开关频率避开陀螺调制解调频率及其倍频，从而有效避免开关电源开关频率与光纤陀螺电路的调制解调噪声发生谐振，进而改善陀螺性能，提高陀螺精度。
附图说明
图1是传统开关电源Buck电路拓扑；
图2是本发明实施例中开关频率可调技术的开关电源Buck电路拓扑；
图3是本发明实施例中电源的开关频率反馈控制电路的模块设计示意图；
图4是本发明实施例中开关电源内PWM脉宽调制器的程序解算流程图。
具体实施方式
下面根据附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
直流-直流(DC-DC)变换电路，是将一组电参数的直流电能变换为另一组电参数的直流电能的电路。在DC-DC开关变换电路中，开关元件被周期性地接通和断开。开关元件周期性接通和断开的频率就是变换电路的开关频率f，开关接通的时间ton和整个周期Ts的比例D称为开关接通的占空比。对于一个DC-DC开关变换电路，其输出直流电压UO和输入直流电压的Ud满足关系：UO＝DUd。
因此，在输入电压一定的情况下，直流DC-DC电源的直流输出电压值仅与开关电路的占空比D有关。在保证占空比一定的前提下，小范围调节开关电源的开关频率f，对于电源的直流输出电压Ud没有影响。
光纤陀螺电路具有复杂的调制解调系统，其调制解调电路对于纹波噪声非常敏感。如果开关电源的开关频率及其谐波与调制解调电路中的噪声频率相比拟，就会发生开关电源的纹波噪声与调制解调电路噪声的谐振，从而使电路中的噪声干扰增强，这将造成光纤陀螺性能的显著下降。
结合开关电源本身工作原理及开关电源在光纤陀螺应用中的表现，本发明中阐述了一种开关频率实时可调的光纤陀螺内置DC-DC开关电源。该电源可以在保证输出直流电压不变的前提下实时调节开关电源频率，从而使开关电源的开关频率及其谐波避开光纤陀螺内部的调制解调频率及其倍频，有效提高光纤陀螺及系统的性能。该电源具有一条反馈回路：根据光纤陀螺内部的调制解调频率建立反馈，从而调节开关频率使其远离光纤陀螺的调制解调频率及其倍频。
本发明所述的频率可调的内置DC-DC开关电源，其开关频率实时可调。在开关电源中最简单的Buck电路拓扑基础上说明所述开关电源的工作原理，图2是采用本发明中所述开关频率可调技术的开关电源Buck电路拓扑原理图。与图1传统的开关电源Buck电路拓扑相比，图2中所述的开关频率可调的开关电源，其PWM开关控制电路是具有反馈回路的。该反馈回路通过采样光纤陀螺调制解调电路得到陀螺调制频率反馈信号，开关电源可以根据反馈结果实时调节开关电源的开关频率，使电源开关频率及其谐波避开光纤陀螺内部的调制电路噪声以免发生谐振串扰。
本发明中所述的频率可调内置DC-DC开关电源具有开关频率反馈控制电路，可以根据陀螺内部的调制解调信号建立反馈，控制DC-DC电源的开关频率避开陀螺调制解调频率，其设计示意图如图3所示。该电路包括三级模块，具体为：第一级为调制解调信号采样模块，用于采样光纤陀螺的方波调制解调频率，并将采样得到的调制解调频率发送给下一级的开关频率解算模块；第二级为开关频率解算模块，用于根据采样得到的调制频率，解算出合适的DC-DC电源开关频率，并控制下一级开关控制信号输出模块；第三级为开关控制信号输出模块，用于输出与上一级解算结果相符的开关控制信号，控制DC-DC电源主电路的开关管元件。
本发明中所述的调制解调采样模块，包括前端的逻辑电路和后端的高频计数器：前端逻辑电路采用非门电路，可以对输入的陀螺调制信号进行逻辑整形，提高采样信号质量；后端的高频计数器对采样的陀螺调制信号进行一秒内的脉冲计数，计数一秒钟内出现的上升沿的个数，并将计数结果传输给下一级开关频率解算模块。
本发明中所述的开关频率解算模块为一块数字处理芯片，该数字芯片完成的功能有两个：首先，接收上一级采样模块中计数器的计数结果，并根据计数结果解析出陀螺调制解调频率的大小；然后，根据解析得到的调制解调频率大小，解算出合适的DC-DC电源开关频率fw。开关频率解算模块控制下一级开关控制信号输出模块，使之输出和解算结果一致的开关管PWM控制信号。
本发明中所述的开关控制信号输出模块，能够在上一级开关信号解算模块中数字芯片的控制下，输出占空比为D，频率为fw的开关管控制信号，其中：fw为上一级开关信号解算模块解算出的合适的开关频率；D满足UO＝DUd(Ud为DC-DC变换器输入直流电压，UO为DC-DC变换器输出直流电压)。
本发明中所述的频率可调内置DC-DC开关电源，其PWM脉宽调制器可以根据反馈的陀螺调制解调频率解算出合适的开关频率，使开关频率能够避开陀螺调制解调频率及其倍频。PWM脉宽调制器的解算流程如图4所示，在解算开始前，系统已经预设了比较合适的开关频率预设值fw0，以及合适的占空比D，在调整开关频率的过程中，保证开关频率实际值fw在fw0附近，同时占空比D始终恒定。其解算流程如下：首先，接收采样得到的陀螺调制解调频率fm，并解算出调制解调频率fm的倍频fmn＝n*fm(n＝1,2,3…)；然后，确定开关频率预设值fw0在fm的倍频项中的范围fmj<fw0<fmk(k＝j+1)，其中j表示fmj为fm的j倍频，k表示fmk为fm的k倍频；再依据此范围确定实际开关频率fw的大小fw＝(fmj+fmk)/2,并输出频率为fw占空比为D的PWM开关控制信号。PWM脉宽调制器通过这种方式实时调节并输出避开陀螺调制解调频率及其倍频的PWM开关控制信号fw。
下面以DC-DC电源主电路为BUCK拓扑电路为例，说明本发明的工作过程：
开关频率反馈控制电路接收陀螺内部的调制解调信号，输出DC-DC电源主电路的开关管控制信号：光纤陀螺调制解调信号输入调制解调频率采样模块，经过逻辑电路整形后输入高频计数器，计数器进行一秒钟上升沿计数，并将计数结果输入开关频率解算模块；开关频率解算模块根据计数结果解析出陀螺的调制解调解调频率fm，并根据fm解算出合适的开关频率fw，然后输出控制信号给下一级开关控制信号输出模块；开关控制信号输出模块输出占空比为D开关频率为fw的PWM控制信号给DC-DC电源主电路中的开关管。DC-DC电源主电路为BUCK电路拓扑，开关管T的通断将输入直流电压源Ud的输入电压转换为占空比为D的方波，电感L和电容C组成低通滤波器，开关管后占空比为D的方波经低通滤波LC电路后整流成为具有很小纹波的直流输出，实现了降低电压的DC-DC变换。DC-DC变换器输出直流电压UO和输入直流电压的Ud关系为：UO＝DUd，该DC-DC变换器的开关频率fw避开了陀螺的调制解调频率fm及其倍频，因此能够有效避免开关电源开关频率与光纤陀螺电路的调制解调噪声发生谐振，进而改善陀螺性能，提高陀螺精度。

Claims (4)

1.一种开关频率实时调节的光纤陀螺内置DC-DC电源，其特征在于，包括：开关频率反馈控制电路；所述开关频率反馈控制电路包括调制解调信号采样模块、开关频率解算模块和开关控制信号输出模块；
所述的调制解调信号采样模块用于采样光纤陀螺的方波调制解调频率，并将采样得到的调制解调频率发送给下一级的开关频率解算模块；
所述的开关频率解算模块用于根据采样得到的调制解调频率，解算出DC-DC电源实际开关频率，并控制下一级开关控制信号输出模块；
所述的开关控制信号输出模块用于输出与上一级解算结果相符的开关控制信号，控制DC-DC电源主电路的开关管元件；
所述的DC-DC电源主电路的开关管元件控制端与开关控制信号输出模块的输出端相连；
所述调制解调信号采样模块包括前端的逻辑电路和后端的高频计数器：所述前端的逻辑电路采用非门电路，可以对输入的陀螺调制解调频率进行逻辑整形；所述后端的高频计数器对采样的光纤陀螺的方波调制解调频率进行一秒内的脉冲计数，计数一秒内出现的上升沿的个数，并将计数结果传输给下一级开关频率解算模块；
所述开关频率解算模块为一块数字处理芯片，该数字处理芯片首先接收上一级采样模块中计数器的计数结果，并根据计数结果解析出陀螺调制解调频率的大小；然后根据解析得到的调制解调频率大小，解算出DC-DC电源开关频率；开关频率解算模块控制下一级开关控制信号输出模块，使之输出和解算结果一致的开关管PWM控制信号；
所述的解算出DC-DC电源开关频率的解算方法如下：首先，根据采样得到的光纤陀螺的方波调制解调频率fm，并解算出调制解调频率fm的倍频fmn=n*fm，n=1,2,3…；然后，确定开关频率预设值fw0在fm的倍频项中的范围fmj<fw0<fmk，k=j+1，其中j表示fmj为fm的j倍频，k表示fmk为fm的k倍频；再依据此范围确定DC-DC电源实际开关频率fw的大小fw=(fmj+fmk)/2。
2.根据权利要求1所述的开关频率实时调节的光纤陀螺内置DC-DC电源，其特征在于，所述开关控制信号输出模块用于输出与上一级解算结果相符的开关控制信号具体为开关控制信号输出模块在上一级开关信号解算模块中数字处理芯片的控制下，输出占空比为D，频率为fw的开关管控制信号，其中：fw为DC-DC电源实际开关频率；D满足UO=DUd，其中Ud为DC-DC变换器输入直流电压，UO为DC-DC变换器输出直流电压。
3.根据权利要求1或2所述的开关频率实时调节的光纤陀螺内置DC-DC电源，其特征在于，所述DC-DC电源主电路为DC-DC开关拓扑电路中的BUCK拓扑电路或BOOST拓扑电路。
4.根据权利要求1或2所述的开关频率实时调节的光纤陀螺内置DC-DC电源，其特征在于，所述DC-DC电源主电路为隔离DC-DC变换拓扑电路中的正激拓扑电路、反激拓扑电路或者推挽拓扑电路。
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