CN108627146A - 一种三浮陀螺磁悬浮控制电路 - Google Patents

一种三浮陀螺磁悬浮控制电路 Download PDF

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Abstract

一种三浮陀螺磁悬浮控制电路,交流电源1、直流电源2、泄放电路3、多路结构相同的开关电路4、多路结构相同的电桥电路5、差动放大电路6、解调电路7、滤波电路8、模数转换电路9、数字信号处理器10。本发明结合开关控制时序,实现了磁悬浮线圈反电势干扰抑制,大幅抑制电路噪声,提高位置检测和施力效率,从而降低磁悬浮干扰力矩,实现了陀螺精度的进一步提升;同时泄放电路对位置检测完全无影响,在位置检测阶段,直流电源选通开关处于断开状态,不会对电桥电路产生影响。

Description

一种三浮陀螺磁悬浮控制电路
技术领域
本发明涉及惯性技术领域,特别是一种三浮陀螺磁悬浮控制电路。
背景技术
三浮陀螺采用了磁悬浮、液浮和动压气浮技术,是一种高精度角速度测量敏感器,三浮陀螺中磁悬浮系统的作用是实现浮子在浮液中完全悬浮,并使其相对框架位置保持不变。磁悬浮系统消除了浮子轴尖与框架宝石轴承之间机械接触,减小了浮子受到的干扰力矩,从而将液浮陀螺的精度提高了几个数量级,是三浮陀螺关键系统之一。
现有的磁悬浮控制系统在电路上存在一些不足,容易产生电磁干扰。中国专利CN1039131157提出了一种三浮陀螺仪有源磁悬浮控制系统及控制方法,采用多路选通器对多组检测线圈进行切换。由于定子线圈具有电感特性,多路选通器切换过程中必然产生反电动势,从而影响位置检测和加力控制精度,导致浮子位置控制精度不高,并且还会对陀螺仪力反馈控制回路产生电磁干扰,影响陀螺仪精度。中国专利CN103884867发明了一种三浮陀螺加速度计的磁悬浮定中系统,在定子线圈上并联了一个由电阻和电压调整二极管串联组成的电荷泄放电路,将多路选通器切换时的反电动势钳制在二极管稳压值。该方法在一定程度上减小了反电动势,但由于二极管的稳压值不能低于激励信号和加力信号幅值,最好情况下也只能将反电动势减小到激励信号和加力信号幅值大小,无法完全消除反电动势的影响,其效果甚微,另外泄放电路并联在线圈上会影响浮子位置检测的精度。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供了一种三浮陀螺磁悬浮控制电路,通过简洁的办法解决磁悬浮定子线圈在通断时产生的反电动势干扰问题。
本发明的技术解决方案是:一种三浮陀螺磁悬浮控制电路,包括交流电源、直流电源、泄放电路、多路结构相同的开关电路、多路结构相同的电桥电路、差动放大电路、解调电路、滤波电路、模数转换电路、数字信号处理器,其中
交流电源产生频率、幅值固定的激励信号用于电桥电路;
直流电源是磁悬浮线圈的加力电源,用于向电桥电路中线圈施加直流信号产生拉力;
泄放电路包括开关K0、二极管D0,直流电源通过泄放电路向电桥电路中线圈施加直流信号产生拉力;
开关电路由数字信号处理器控制通断,选通交流电源、直流电源、差动放大电路;
电桥电路包括1组正向线圈、负向线圈,浮子位于陀螺仪中心位置,右侧径向、左侧径向各安装2组正向线圈、负向线圈,轴向安装1组正向线圈、负向线圈,正向线圈、负向线圈作为传感器检测浮子位置,或者产生拉力用作执行器;
差动放大电路将电桥电路输出的电压信号放大、差值处理,得到交流电压信号;
解调电路将差动放大电路输出的交流电压信号进行同步解调,使得解调信号的相位与激励信号相同;
滤波电路将解调信号通过低通滤波器将其转化为反映浮子位置信息的直流信号;
模数转换电路将直流信号转化为数字量,输入到数字信号处理器;
数字信号处理器根据转子位置信息产生控制信号,控制开关电路中开关的闭合和断开。
所述的二极管D0反向耐压值高于直流电源电压,正向电流值大于所有加力回路电流之和,其中,加力回路为电桥电路中线圈施加在转子上的拉力回路。
所述的开关电路包括开关K11、开关K12、开关K13、开关K14、K15,由数字信号处理器控制通断;开关K11用于选通交流电源,开关K12、K13用于选通直流电源,联动开关K14、K15用于选通差动放大电路。
所述的电桥电路包括电阻R11、电阻R12、线圈LX+、线圈LX-,浮子位于陀螺仪中心位置,右侧径向、左侧径向各安装2组线圈LX+、线圈LX-,轴向安装1组线圈LX+、线圈LX-,线圈LX+、线圈LX-作为传感器检测浮子位置,或者产生拉力用作执行器。
所述的数字信号处理器采用FPGA或者DSP实现。
所述的数字信号处理器的控制周期包括位置检测Ts阶段、加力控制TF阶段、泄放等待TW阶段;
在位置检测Ts阶段,顺序对浮子在右侧径向磁悬浮X向、右侧径向磁悬浮Y向、左侧径向磁悬浮X向、左侧径向磁悬浮Y向、轴向磁悬浮5个方向上的位置进行检测,获得浮子位置,交流电源选通开关K11闭合,直流电源选通开关K12、K13断开,右侧径向磁悬浮X向检测时,差动放大电路选通开关K14、K15切换到右侧径向磁悬浮X向电桥电路,在左侧径向磁悬浮Y向检测时,差动放大电路选通开关K14、K15切换到左侧径向磁悬浮Y向电桥电路,…,依次获得浮子在5个方向上的位置,之后断开交流电源选通开关K11;
在加力控制TF阶段,数字信号处理器根据浮子位置,计算出每组线圈需要加力的时间,泄放电路开关K0闭合,在每组线圈需要加力的时间闭合开关电路中对应的直流电源选通开关K12、K13;
在泄放等待TW阶段,泄放电路开关K0断开,磁悬浮线圈产生反电动势,通过泄放电路二极管D0使线圈储能迅速释放。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明消除了线圈在加力开关断开时反电动势产生的电磁干扰,泄放电路二极管提供了线圈续流回路,可以在很短的时间内将线圈储能释放完全,大幅缩短泄放等待时间,提高加力效率;
(2)本发明泄放电路对位置检测完全无影响,在位置检测阶段,直流电源选通开关处于断开状态,不会对电桥电路产生影响;
(3)本发明泄放电路简洁,磁悬浮系统仅增加一个开关和二极管,而不是在每个线圈上增加泄放电路。
附图说明
图1为本发明电路原理图;
图2为本发明控制时序图;
图3为本发明磁悬浮线圈与浮子安装示意图。
具体实施方式
本发明针对现有技术的不足,提出了一种磁悬浮线圈电流泄放回路,结合开关控制时序,实现了磁悬浮线圈反电势干扰抑制,大幅抑制电路噪声,提高位置检测和施力效率,从而降低磁悬浮干扰力矩,实现了陀螺精度的进一步提升。本发明没有改变利用电磁力控制浮子位置的工作方式,但所提出的磁悬浮各个开关动作顺序与现有技术差别很大,与电路上增加的一个总开关紧密配合,实现了干扰抑制。仅仅通过简单的电路改进或者控制时序变化,无法实现本发明所能达到的效果。下面结合附图对本发明系统进行详细说明。
如图1所示为本发明一种三浮陀螺磁悬浮控制电路原理图,包括交流电源1、直流电源2、泄放电路3、开关电路4、电桥电路5、差动放大电路6、解调电路7、滤波电路8、模数转换电路9、数字信号处理器10,其中
交流电源1产生频率、幅值固定的激励信号用于电桥电路5;
直流电源2是磁悬浮线圈的加力电源,用于向线圈中施加直流信号产生拉力;
泄放电路3包括一个开关K0和一个二极管D0,二极管D0反向耐压值高于直流电源2电压,正向电流值大于所有加力回路电流之和;
开关电路4共有5路,分别用于左右两侧径向磁悬浮和轴向磁悬浮,每侧径向磁悬浮分别包括X向和Y向2路,图1以其中一路作为示意;每一路开关电路包括5个开关,其中开关K11用于选通交流电源,开关K12、K13用于选通直流电源,联动开关K14、K15用于选通差动放大电路6;所有开关均由数字信号处理器10控制器通断;
电桥电路5共有5路,分别用于左右两侧径向磁悬浮和轴向磁悬浮,每侧径向磁悬浮分别包括X向和Y向2路,图1以其中左侧径向磁悬浮作为示意;陀螺仪中每向磁悬浮包括正负两个线圈,如图3所示,浮子11位于陀螺仪中心位置,在其右侧径向上安装4个线圈12,线圈12既可以作为传感器检测浮子位置,又可以产生拉力用作执行器;同一方向上的两个线圈与电路上的两个电阻组成一路电桥电路;浮子位置的变化引起线圈电感量变化,电桥电路将电感量变化转化为交流电压信号;
差动放大电路6将电桥电路5输出的电压信号放大,并获得其差值;
解调电路7将差动放大电路6输出的交流电压信号进行同步解调,解调信号的相位与激励信号相同;
滤波电路8将解调信号通过低通滤波器将其转化为反映浮子位置信息的直流信号;
模数转换电路9将直流信号转化为数字量,输入到数字信号处理器10;
数字信号处理器10产生开关和模数转换电路9的控制信号,按照时间顺序实现磁悬浮周期控制任务,其具体实施方式可采用FPGA或者DSP等处理器,每个控制周期具体包括3个阶段:位置检测Ts阶段、加力控制TF阶段、泄放等待TW阶段,
在位置检测Ts阶段,顺序对浮子11在右侧径向磁悬浮X向、右侧径向磁悬浮Y向、左侧径向磁悬浮X向、左侧径向磁悬浮Y向、轴向磁悬浮等5个方向上的位置进行检测,获得浮子11相对于框架的位置。在Ts期间,交流电源选通开关K11闭合,直流电源选通开关K12、K13断开。在右侧径向磁悬浮X向检测时,差动放大电路选通开关K14、K15切换到右侧径向磁悬浮X向电桥电路,并启动模数转换电路9,待信号稳定并转换完成后结果存放在数字信号处理器10的存储器POS_RX中;在右侧径向磁悬浮Y向检测时,差动放大电路选通开关K14、K15切换到左侧径向磁悬浮Y向电桥电路,并启动模数转换电路9,待信号稳定并转换完成后结果存放在数字信号处理器10的存储器POS_LY中;按照上述过程依次获得浮子在5个方向上的位置POS_RX、POS_RY、POS_LX、POS_LY、POS_Z,之后断开交流电源选通开关K11。
在加力控制TF阶段,首先,数字信号处理器根据浮子位置,计算出每组线圈需要加力的时间T_RX、T_RY、T_LX、T_LY、T_Z,若加力时间大于0,则控制正线圈加力,比如图3中X+线圈,否则控制负线圈加力,比如图3中Z-线圈;其次,泄放电路开关K0闭合;最后,分别在TF-|T_RX|、TF-|T_RY|、TF-|T_LX|、TF-|T_LY|、TF-|T_Z|时刻闭合开关电路中相对应的直流电源选通开关K12、K13,直至TF阶段结束。
在泄放等待TW阶段,泄放电路开关K0断开,磁悬浮线圈产生反电动势,通过泄放电路二极管D0使线圈储能迅速释放,有效消除了反电动势产生的电磁干扰;在泄放等待阶段结束后,再次进入位置检测阶段,完成一个磁悬浮控制周期。
本发明提出的磁悬浮控制方法相对现有技术增加了部分电路,控制流程作了改进,增加的硬件无特殊要求,选用已有的开关或者相同功能的类似元件即可,控制流程采用FPGA或DSP实现,适应性更改软件即可。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种三浮陀螺磁悬浮控制电路,其特征在于包括交流电源(1)、直流电源(2)、泄放电路(3)、多路结构相同的开关电路(4)、多路结构相同的电桥电路(5)、差动放大电路(6)、解调电路(7)、滤波电路(8)、模数转换电路(9)、数字信号处理器(10),其中
交流电源(1)产生频率、幅值固定的激励信号用于电桥电路(5);
直流电源(2)是磁悬浮线圈的加力电源,用于向电桥电路(5)中线圈施加直流信号产生拉力;
泄放电路(3)包括开关K0、二极管D0,直流电源(2)通过泄放电路(3)向电桥电路(5)中线圈施加直流信号产生拉力;
开关电路(4)由数字信号处理器(10)控制通断,选通交流电源(1)、直流电源(2)、差动放大电路(6);
电桥电路(5)包括1组正向线圈、负向线圈,浮子(11)位于陀螺仪中心位置,右侧径向、左侧径向各安装2组正向线圈、负向线圈,轴向安装1组正向线圈、负向线圈,正向线圈、负向线圈作为传感器检测浮子位置,或者产生拉力用作执行器;
差动放大电路(6)将电桥电路(5)输出的电压信号放大、差值处理,得到交流电压信号;
解调电路(7)将差动放大电路(6)输出的交流电压信号进行同步解调,使得解调信号的相位与激励信号相同;
滤波电路(8)将解调信号通过低通滤波器将其转化为反映浮子位置信息的直流信号;
模数转换电路(9)将直流信号转化为数字量,输入到数字信号处理器(10);
数字信号处理器(10)根据转子位置信息产生控制信号,控制开关电路(4)中开关的闭合和断开。
2.根据权利要求1所述的一种三浮陀螺磁悬浮控制电路,其特征在于:所述的二极管D0反向耐压值高于直流电源(2)电压,正向电流值大于所有加力回路电流之和,其中,加力回路为电桥电路(5)中线圈施加在转子上的拉力回路。
3.根据权利要求1或2所述的一种三浮陀螺磁悬浮控制电路,其特征在于:所述的开关电路(4)包括开关K11、开关K12、开关K13、开关K14、K15,由数字信号处理器(10)控制通断;开关K11用于选通交流电源(1),开关K12、K13用于选通直流电源,联动开关K14、K15用于选通差动放大电路(6)。
4.根据权利要求3所述的一种三浮陀螺磁悬浮控制电路,其特征在于:所述的电桥电路(5)包括电阻R11、电阻R12、线圈LX+、线圈LX-,浮子(11)位于陀螺仪中心位置,右侧径向、左侧径向各安装2组线圈LX+、线圈LX-,轴向安装1组线圈LX+、线圈LX-,线圈LX+、线圈LX-作为传感器检测浮子位置,或者产生拉力用作执行器。
5.根据权利要求4所述的一种三浮陀螺磁悬浮控制电路,其特征在于:所述的数字信号处理器(10)采用FPGA或者DSP实现。
6.根据权利要求5所述的一种三浮陀螺磁悬浮控制电路,其特征在于:所述的数字信号处理器(10)的控制周期包括位置检测Ts阶段、加力控制TF阶段、泄放等待TW阶段;
在位置检测Ts阶段,顺序对浮子(11)在右侧径向磁悬浮X向、右侧径向磁悬浮Y向、左侧径向磁悬浮X向、左侧径向磁悬浮Y向、轴向磁悬浮5个方向上的位置进行检测,获得浮子(11)位置,交流电源(1)选通开关K11闭合,直流电源选通开关K12、K13断开,右侧径向磁悬浮X向检测时,差动放大电路选通开关K14、K15切换到右侧径向磁悬浮X向电桥电路,在左侧径向磁悬浮Y向检测时,差动放大电路选通开关K14、K15切换到左侧径向磁悬浮Y向电桥电路,…,依次获得浮子在5个方向上的位置,之后断开交流电源选通开关K11;
在加力控制TF阶段,数字信号处理器(10)根据浮子位置,计算出每组线圈需要加力的时间,泄放电路开关K0闭合,在每组线圈需要加力的时间闭合开关电路中对应的直流电源选通开关K12、K13;
在泄放等待TW阶段,泄放电路开关K0断开,磁悬浮线圈产生反电动势,通过泄放电路二极管D0使线圈储能迅速释放。
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