CN106787867A - 一种速率陀螺仪供电电源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种速率陀螺仪供电电源，其中通过由浪涌抑制模块输入端与母线正端和母线负端连接，输出端与电平转换模块输入端连接，电平转换模块输出端分别与依次连接的延时控制模块、时钟分频模块、整形滤波模块与功率驱动模块输入端连接，分别为上述模块供电构成的电路，从而实现抑制上电瞬间电路自身浪涌电流，把负载启动浪涌电流与电路自身浪涌电流在时间上分离，生成兼容三种速率陀螺仪的频标信号，实现将方波频标信号转化为同频率的正弦波信号最终得到陀螺所需的电压有效值。从而达到提高电机电源精度和稳定度，电路简单统一，满足调试方便且可兼容三种转速的陀螺仪电源需求的目的。

Description

一种速率陀螺仪供电电源
技术领域
本发明涉及惯性姿态敏感器领域，具体涉及一种速率陀螺仪供电电源。
背景技术
惯性姿态敏感器是控制系统的重要姿态测量部件，主要包括陀螺仪、陀螺电源电路、陀螺信号电路。陀螺电源为陀螺电机提供90度相位差的双相正弦交流电源，为陀螺传感器提供单相正弦交流电源，为陀螺伺服回路提供±15V直流电源。
目前陀螺电源电路无浪涌抑制措施，在上电瞬间由于电路中存在大量的电容而产生很大的浪涌电流，而且陀螺电机工作也存在较大的启动浪涌电流，二者叠加的浪涌电流对供电母线产生较大影响，导致母线电压瞬时剧烈波动，同时影响自身电源转换模块启动阶段工作的稳定性。
当前双相电源大多采用对一路频标信号进行处理并经过移相器的方式得到两路相位相差90度的正弦交流信号。此种方法得到的两路正弦交流信号所经过的模拟电路环节数差别较大，相位差的稳定性不能得到保证。而且相位差通过移相器参数来控制，精度不高，电路调试较为复杂。
目前根据速率陀螺仪寿命和精度的不同要求，陀螺电机转速不同，常用的双相电源主要有1200Hz、800Hz、400Hz三种，对于每种不同的频率需求，需要用不同规格数量的计数器、触发器来实现频标信号的生成，电路形式复杂多样，没有一种简单而统一的实现形式。
发明内容
本发明的目的是提供一种速率陀螺仪供电电源，达到提高自身及整个系统工作的稳定性以及可靠性，提高电机电源精度和稳定度，兼容三种转速的陀螺仪电源需求，电路形式简单统一，调试方便的目的。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种速率陀螺仪供电电源，包含：浪涌抑制模块，其连接于母线正端和母线负端之间，用于抑制上电瞬间电路自身浪涌电流；
电平转换模块，其输入端与所述浪涌抑制模块的输出端连接，其输出端分别与依次连接的延时控制模块、时钟分频模块、整形滤波模块与功率驱动模块输入端连接，并且给电路各部分供电；
所述延时控制模块在时间上把负载启动浪涌电流控制在电路稳定工作之后；
所述时钟分频模块生成能兼容不同转速陀螺仪的单相和双相频标信号；
所述整形滤波模块将频标信号转化成同频率的正弦交流信号；
所述功率驱动模块将正弦交流信号的有效值调整到符合陀螺要求，并可以优化电机的功率因数。
优选地，所述电平转换模块将一次电源母线电压转换为±15V的电压，进一步地将+15V电压转换为+5V；其中得到的±15V的电压电流用于整形滤波模块和功率驱动模块电路供电，+5V的电压用于延时控制模块和时钟分频模块电路供电。
优选地，所述浪涌抑制模块的电路包含：
电阻R3与电阻R4并联组成的第一电阻组，电阻R6与电阻R7并联组成的第二电阻组，所述第一电阻组与第二电阻组串联于正负母线之间；
电容C1与电容C2串联组成的第一电容组；所述第一电容组并联在所述第一电阻组两端；
P沟道场效应管，其源极与所述第一电阻组的一端连接，其栅极经电阻R5与所述第一电阻组的另一端连接；电阻R2并联在所述P沟道场效应管的源极与漏极之间；
通过产品上电的瞬间一次电源对所述第一电容组充电，来控制所述P沟道场效应管的栅源电压，进而控制漏极和源极之间的导电沟道；通过充电使P沟道场效应管逐渐导通，从可变电阻区过渡到恒流区。
优选地，所述浪涌抑制模块的电路还包含：
电容C3与C4串联组成的第二电容组，电容C5与电容C6组成的第三电容组；所述第二电容组与第三电容组分别串联于所述P沟道场效应管的漏极与负母线之间。
优选地，正负母线之间所述第一电阻组与第二电阻组的分压比例，及第一电容组的末态电压，与P沟道场效应管的稳态工作点相对应。
优选地，所述延时控制模块与时钟分频模块电路包含：
晶振G1，其提供基准频率；
通过电阻R17与晶振G1串联的专用时钟分频电路U5，其通过在时间上把负载启动浪涌电流控制在电路稳定工作之后，从而与经所述浪涌抑制模块抑制后的上电瞬间电路自身浪涌电流分离；专用时钟分频电路U5具有对器件内部延时输出进行使能或禁止控制的MODE引脚；当MODE引脚控制器件内部延时输出使能时，专用时钟分频电路U5具有的DELAYP、DELAYN引脚用于外部延时输出控制功能，当DELAYP=1或DELAYN=0时所有频率信号输出端输出为低电平；当DELAYP=0且DELAYN=1时所有频率信号按功能要求正常输出多种不同频率的方波信号，以生成兼容1200Hz、800Hz与400Hz三种速率陀螺仪的频标信号。
优选地，所述整形滤波模块电路包含：由一个一阶高通滤波器与一个二阶低通滤波器构成的第一个连接组，与另一个二阶低通滤波器与另一个一阶高通滤波器构成的第二个连接组，所述第一个连接组中的二阶低通滤波器与所述第二个连接组的二阶低通滤波器串联；
时钟分频模块产生的方波信号通过所述整形滤波模块滤波以转化为同频率的正弦波信号；通过设置所述二阶低通滤波器的特征频率f0参数得到不同的需求频率。
优选地，所述功率驱动模块电路包含：比例运算放大电路，其将通过所述整形滤波模块得到正弦波信号放大调整成陀螺电机所需90度相位差的双相正弦交流电源与陀螺传感器所需单相正弦交流电源；
通过所述功率驱动模块升压实现得到陀螺所需的电压有效值并矫正电机功率因数。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.原有电路未采取任何浪涌抑制措施，造成开机瞬间母线电压较大波动，而且电路自身浪涌电流和负载启动浪涌电流叠加，曾造成DC/DC启动不稳定的情况。本发明通过一个延时控制模块将电路自身浪涌电流和负载启动浪涌电流在时间上分离开，同时采用一个浪涌抑制模块控制上电时电路自身浪涌电流，整个电路工作更加稳定可靠，并且不会对母线电压产生影响。
2.原有电路是对一路频标信号经过模拟移相器得到两路相位相差90度的频标信号，相位差受模拟移相器参数影响，精度和稳定性较差，调试较复杂。本发明直接用数字的方式生成两路相位严格相差90度的频标信号，相位差不需要调试，精度和稳定性好，有利于陀螺电机的稳定工作。
3.原有电路对于不同的陀螺电机对应不同的分频电路，使用不同规格和数量的计数器、触发器来实现，电路形式复杂。本发明采用专用时钟分频电路LZC803RH，可以兼容三种不同转速的陀螺仪，电路形式简单一致。
附图说明
本发明提供的一种速率陀螺仪供电电源，由以下的实施例及附图给出；
图1是本发明一种速率陀螺供电电源电路结构示意图；
图2是本发明一种速率陀螺供电电源电路浪涌抑制模块电路结构示意图；
图3是本发明一种速率陀螺供电电源电路延时控制和时钟分频模块电路结构示意图；
图4是本发明一种速率陀螺供电电源电路整形滤波模块电路结构示意图；
图5是本发明一种速率陀螺供电电源电路功率驱动模块电路结构示意图。
具体实施方式
以下将结合图1~图5对本发明的一种速率陀螺仪供电电源作进一步的详细描述。
如图1所示，可以看出本实施例的速率陀螺供电电源的电路，包括浪涌抑制模块1、电平转换模块2、延时控制模块3、时钟分频模块4、整形滤波模块5、功率驱动模块6；母线正端和母线负端分别与浪涌抑制模块1连接，通过浪涌抑制模块1输出抑制过上电瞬间电路自身浪涌电流之后的工作电压电流；浪涌抑制模块1输出端与电平转换模块2输入端连接，输出经电平转换过的电压；电平转换模块2输出端分别与依次连接的延时控制模块3、时钟分频模块4、整形滤波模块5与功率驱动模块6输入端连接，经电平转换过的电压分别为上述模块供电。
通过浪涌抑制模块1实现抑制上电瞬间电路自身浪涌电流，经过浪涌抑制模块1调控后的电信号输入给电平转换模块2从而实现给电路各部分供电；通过延时控制模块3实现把负载启动浪涌电流与电路自身浪涌电流在时间上分离；通过时钟分频模块4实现生成兼容1200Hz、800Hz与400Hz这三种速率陀螺仪的频标信号；通过整形滤波模块5实现将方波频标信号转化为同频率的正弦波信号；通过功率驱动模块6升压实现得到陀螺所需的电压有效值并矫正电机功率因数。
如图2所示，所述浪涌抑制模块1的核心器件型号为JCTRCS7426，包含P沟道场效应管V1，电阻R2，R3，R4，R5，R6，R7，电容C1，C2，C3，C4，C5，C6；电阻R3，R4与电阻R6，R7两组并联电阻分别串联于母线正负端之间；电阻R5一端与P沟道场效应管V1的栅极相连，电阻R5的另一端与P沟道场效应管V1的源极并联在电阻R4两端，电容C1，C2串联之后并联在电阻R4两端；电阻R2并联在P沟道场效应管V1的源极和漏极之间；电容C3，C4串联于P沟道场效应管V1的漏极与母线负端之间；电容C5，C6串联于P沟道场效应管V1的漏极与母线负端之间。
所述浪涌抑制模块还包括以下实现过程：通过在产品上电的瞬间一次电源对串联的电容C1，C2充电，来控制P沟道场效应管V1的栅源电压，进而控制漏极和源极之间的导电沟道；充电的过程就是P沟道场效应管V1逐渐导通的过程，具体表现为一个从无穷大逐渐减小的可变电阻，进而从可变电阻区过渡到恒流区。
通过采取两组并联电阻R3，R4； R6，R7和两组串联电容C3，C4；C5，C6分别再与母线正端与母线负端的串联的连接方式达到可靠性之后的冗余措施。
通过调整正负母线之间分压电阻的比例以及调整充电电容末态电压来控制控制场效应管的稳态工作点。
通过调整充电电容或电阻的大小来控制浪涌持续的时间、峰值、上升斜率。
电平转换模块2的电路是由电源滤波器、DC/DC 2815D、电压调整器7805以及若干电阻、电容构成，将一次电源母线电压转换为±15V的电压，进一步地将+15V电压转换为+5V；其中得到的±15V的电压用于整形滤波模块和功率驱动模块电路供电，+5V的电压用于延时控制模块和时钟分频模块电路供电。
如图3所示，所述延时控制模块3与时钟分频模块4电路主要由专用时钟分频电路U5通过引脚P2，P4分别电阻R19， R20与+5V电源连接，引脚P3，P8接地，引脚P16接入+5V上拉电源以及通过电容C22接地，专用时钟分频电路U5的输出端与整形滤波模块5电路的输入端相连构成。所述时钟分频电路U5的输出端包括：引脚P14与P15对应输出400Hz的方波信号，引脚P12与P13对应输出800Hz的方波信号，引脚P10与P11对应输出1200Hz的方波信号，引脚P9对应输出8000Hz的方波信号。晶体振荡器G1通过引脚P3与电阻R17以及专用时钟分频电路的引脚P1连接，为上述电路提供6MHz的基准频率信号；引脚P4接入+5V上拉电源，引脚P2接地连接构成。
其中专用时钟分频电路U5的型号为LZC803RH，U5的MODE引脚用于使能/禁止器件内部延时输出控制功能，当MODE=1时器件内部延时输出控制功能使能；当MODE=0时器件内部延时输出控制功能禁止。当MODE=1时器件的DELAYP、DELAYN引脚用于外部延时输出控制功能，当DELAYP=1或DELAYN=0时所有频率信号输出端输出为低电平；DELAYP=0且DELAYN=1时所有频率信号按功能要求正常输出方波信号。实现输出5种不同频率方波。400Hz、800Hz、1200Hz频率各两路用于陀螺电机供电的频率源，其中A路相位超前B路相位90度，8000Hz频率用于陀螺传感器的频率源。
通过采用晶体振荡器提供6MHz的基准频率信号，进而通过专用时钟分频电路的模式选择端MODE、两个延时控制端DELAYＰ与DELAY N实现电流信号内部延时或外部延时1s～2s的输出延迟的控制。
如图4所示，所述整形滤波模块5电路由一个一阶高通滤波器7与一个二阶低通滤波器8构成第一个连接组，与另一个二阶低通滤波器8与另一个一阶高通滤波器7构成的第二个连接组进行组合连接构成。上述第一个连接组中的一阶高通滤波器7是由电容C51与接地电阻R35并联连接构成，其中的二阶低通滤波器8是由运放U6A以及若干电阻电容连接构成；上述第二个连接组中的二阶低通滤波器8由运放U6B及若干电阻电容连接构成，其中一阶高通滤波器7是由电容C50与接地电阻R34连接构成的。两个高通滤波器7用于隔离方波频标信号中的直流分量，两个低通滤波器8用于过滤掉方波频标信号中的高次谐波分量进而得到同频率的正弦波信号；通过设置二阶低通滤波器8的特征频率f0参数（由滤波器中阻容值配置得到）可以得到不同的需求频率。例如将时钟分频电路U5引脚P9连接到特征频率f0设计为8000Hz的整形滤波模块，可以得到8000Hz的正弦波。
如图5所示，所述功率驱动模块6电路为一个高功耗运放OPA544T与多个电阻电容组成的比例运算放大电路，且双相输出对地均接入电容C51~C56。通过功率驱动模块6电路中的比例运算放大电路得到陀螺电机所需90度相位差的双相正弦交流电源与陀螺传感器所需单相正弦交流电源；双相输出对地均接入的电容C51~C56可以用来匹配电机线圈的电感，从而达到优化电机功率因数的目的。
根据以上所述，便可以实现本发明。对本领域的技术人员在不背离本发明的精神和保护范围的情况下做出的其它的变化与修改，仍包括在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种速率陀螺仪供电电源，其特征在于，包含：
浪涌抑制模块（1），其连接于母线正端和母线负端之间，用于抑制上电瞬间电路自身浪涌电流；
电平转换模块（2），其输入端与所述浪涌抑制模块（1）的输出端连接，其输出端分别与依次连接的延时控制模块（3）、时钟分频模块（4）、整形滤波模块（5）与功率驱动模块（6）输入端连接，并且给电路各部分供电；
所述延时控制模块（3）在时间上把负载启动浪涌电流控制在电路稳定工作之后；
所述时钟分频模块（4）生成能兼容不同转速陀螺仪的单相和双相频标信号；
所述整形滤波模块（5）将频标信号转化成同频率的正弦交流信号；
所述功率驱动模块（6）将正弦交流信号的有效值调整到符合陀螺要求，并优化电机的功率因数。
2.如权利要求1所述一种速率陀螺仪供电电源，其特征在于，所述电平转换模块（2）将一次电源母线电压转换为±15V的电压，进一步地将+15V电压转换为+5V；其中得到的±15V的电压用于整形滤波模块和功率驱动模块电路供电，+5V的电压用于延时控制模块和时钟分频模块电路供电。
3.如权利要求1所述一种速率陀螺仪供电电源，其特征在于，所述浪涌抑制模块（1）的电路包含：
电阻R3与电阻R4并联组成的第一电阻组，电阻R6与电阻R7并联组成的第二电阻组，所述第一电阻组与第二电阻组串联于正负母线之间；
电容C1与电容C2串联组成的第一电容组；所述第一电容组并联在所述第一电阻组两端；
P沟道场效应管，其源极与所述第一电阻组接至母线正端，其栅极经电阻R5与所述第一电阻组接至第二电阻组的另一端连接；电阻R2并联在所述P沟道场效应管的源极与漏极之间；
通过产品上电的瞬间一次电源对所述第一电容组充电，来控制所述P沟道场效应管的栅源电压，进而控制漏极和源极之间的导电沟道；通过充电使P沟道场效应管逐渐导通，从可变电阻区过渡到恒流区。
4.如权利要求3所述一种速率陀螺仪供电电源，其特征在于，所述浪涌抑制模块（1）的电路还包含：
电容C3与C4串联组成的第二电容组，电容C5与电容C6组成的第三电容组；所述第二电容组与第三电容组分别串联于所述P沟道场效应管的漏极与母线负端之间。
5.如权利要求3所述一种速率陀螺仪供电电源，其特征在于，母线正端和母线负端之间所述第一电阻组与第二电阻组的分压比例，及第一电容组的末态电压，与P沟道场效应管的稳态工作点相对应。
6.如权利要求1所述一种速率陀螺仪供电电源，其特征在于，所述延时控制模块（3）与时钟分频模块（4）电路包含：
晶振G1，其提供基准频率；
通过电阻R17与晶振G1串联的专用时钟分频电路U5，其通过在时间上把负载启动浪涌电流控制在电路稳定工作之后，从而与经所述浪涌抑制模块（1）抑制后的上电瞬间电路自身浪涌电流分离；
专用时钟分频电路U5具有对器件内部延时输出进行使能或禁止控制的MODE引脚；当MODE引脚控制器件内部延时输出使能时，专用时钟分频电路U5具有的DELAYP、DELAYN引脚用于外部延时输出控制功能，当DELAYP=1或DELAYN=0时所有频率信号输出端输出为低电平；当DELAYP=0且DELAYN=1时所有频率信号按功能要求正常输出多种不同频率的方波信号，以生成兼容1200Hz、800Hz与400Hz三种速率陀螺仪的频标信号。
7.如权利要求1所述一种速率陀螺仪供电电源，其特征在于，所述整形滤波模块（5）电路包含：由一个一阶高通滤波器（7）与一个二阶低通滤波器（8）构成的第一个连接组，与另一个二阶低通滤波器（8）与另一个一阶高通滤波器（7）构成的第二个连接组，所述第一个连接组中的二阶低通滤波器（8）与所述第二个连接组的二阶低通滤波器（8）串联；
时钟分频模块产生的方波信号通过所述整形滤波模块（5）滤波以转化为同频率的正弦波信号；
通过设置所述二阶低通滤波器（8）的特征频率f0参数得到不同的需求频率。
8.如权利要求1所述一种速率陀螺仪供电电源，其特征在于，所述功率驱动模块（6）电路包含：比例运算放大电路，其将通过所述整形滤波模块（5）得到的正弦波信号放大调整成陀螺电机所需90度相位差的双相正弦交流电源与陀螺传感器所需单相正弦交流电源；
通过所述功率驱动模块（6）升压实现得到陀螺所需的电压有效值并矫正电机功率因数。
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