CN109443338B - 一种小型光纤陀螺的闭环控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型光纤陀螺的闭环控制系统，其包括光纤环、Y波导、耦合器与探测器通过光纤依次相连，探测器、第一滤波放大电路、A/D转换器、微控制器、D/A转换器和第二滤波放大电路依次进行电连接，第二滤波放大电路的输出端连接Y波导的相位控制端；所述微控制器包括解调模块、控制校正模块、阶梯波生成模块、相加模块、±(π/2)相位差调制模块；微控制器还包括复位误差累加模块、2π复位电压修正模块；所述复位误差累加模块、2π复位电压修正模块和阶梯波生成模块构成第二闭环控制回路。该方案能够缩减闭环控制系统的体积，克服了传统闭环控制系统无法应用在小型光纤陀螺的缺点。

Description

一种小型光纤陀螺的闭环控制系统

技术领域

本发明涉及光纤陀螺的闭环控制技术领域，具体涉及一种小型光纤陀螺的闭环控制系统。

背景技术

光纤陀螺是一种基于萨格奈克(Sagnae)效应的角速度传感器。在光纤陀螺相对惯性空间旋转时，沿光纤陀螺内部光纤环顺时针和逆时针方向传输的两束光因萨格奈克效应产生相位差，根据相位差来解算出光纤陀螺旋转的角速度。

两束光的相位差的测量只能通过检测两束光的干涉光强信号来测量。光强信号与相位差之间成余弦关系，在零相位差附近通过光强信号检测相位差的灵敏度最小，同时相位差的正负也无法识别。所以，需要施加一个±(π/2)的相位差，即调制电压值V_π/2，使光强信号与相位差成正弦关系，此时，在零相位差附近光强信号与相位差成线性关系，并具有最高的灵敏度，此过程被称为±(π/2)相位调制。同时，通过闭环控制，使光纤陀螺旋转时产生的相位差Φ_X作为误差信号反馈到控制系统中，控制系统生成阶梯波控制信号，控制Y波导产生相位差Φ_j，用Φ_j抵消掉萨格奈克相位差Φ_X，从而使光强信号始终保持不变，其中阶梯波的台阶高度与Φ_X成正比例关系。

一般的阶梯波调制闭环控制系统主要分为主闭环控制回路和第二闭环控制回路，如图1所示。主闭环控制回路由Y波导、耦合器、探测器、模拟开关、第一滤波放大器、A/D转换器、微控制器、D/A转换器A、第二滤波放大器组成。在主闭环控制回路中，微控制器完成如下处理环节，包括：解调、累加、阶梯波生成、±(π/2)相位调制。第二闭环控制回路由微控制器中的复位误差累加环节、增加在微控制器之外的D/A转换器B以及主闭环控制回路中的D/A转换器A构成。

在主闭环控制回路中，探测器将光纤陀螺旋转产生的由光强表示的相位差转换为电压信号，微控制器根据时钟或中断时序逻辑，每隔渡越时间T更新1次阶梯波控制信号，探测器输出的电压信号中会存在脉冲误差，该脉冲误差是由阶梯波的跳变沿产生的，也就是说在每个跳变沿处会存在一个尖峰，该尖峰是噪声数据，需要的是尖峰之间的平坦区域，尖峰的间隔是固定的，即为渡越时间(与阶梯波台阶宽度相同，＝光纤环长度除以光速)，因此尖峰位置已知，通过模拟开关的开关控制，当跳变沿到来时，模拟开关断开，跳变沿未到来时，模拟开关闭合，从而阻止尖峰电压通过，只令“平坦区域”的有效电压通过，达到消除电压信号中的脉冲误差的目的。被模拟开关滤除脉冲误差的探测器电压信号经过滤波放大后被A/D转换器采样，转换为数字量，微控制器得到探测器电压信号后对其进行解调、固定时长累加处理后，得到阶梯波台阶高度ΔV_J，该ΔV_J一方面作为解算出来的光纤陀螺角速率结果输出至外部，另一方面用于阶梯波生成。阶梯波生成是指将上一周期阶梯波幅值V_J累加上当前的台阶高度ΔV_J，再附加上调制电压值V_π/2后，通过D/A转换器A、滤波放大电路的处理后输出给Y波导的相位控制端。

阶梯波的两个阶梯电压之间的差值(即台阶高度)与光纤陀螺旋转时产生的相位差Φ_X成正比例关系。该阶梯波进入Y波导相位控制端用于控制Y波导产生相位差Φ_j，用Φ_j抵消掉萨格奈克相位差Φ_X，从而使光强信号被拉回到零相位，即高灵敏度位置，实现光纤陀螺的主闭环控制。

光纤陀螺旋转时，阶梯波的台阶高度与萨格奈克相位差Φ_X成正比例关系，但阶梯波不可能无限上升或下降。当D/A转换器A达到或超出满量程输出时，必须复位。若D/A转换器复位时，正好产生±2π+Φ_j的相位差，则阶梯波的复位不会影响光纤陀螺的性能，此时满量程输出对应的电压等于2π复位电压。但由于电路的温度漂移和电气漂移的原因，D/A转换器满量程输出与2π复位电压并不能总是保持相等的关系，在这种情况下阶梯波复位会使光纤陀螺输出的角速度产生较大的误差。

D/A转换器A的输出电压与其参考电压成正比例关系，通过控制参考电压的幅值可以改变D/A转换器A的输出电压。所以，阶梯波复位产生的误差补偿可以通过改变D/A转换器A的参考电压来实现。

如图1所示，D/A转换器B与D/A转换器A的数据输入分别与微控制器的数据输出连接，D/A转换器B模拟电压输出引脚与D/A转换器A的参考电压引脚连接，D/A转换器A的模拟电压输出引脚与滤波放大部分连接。

当D/A转换器A复位时，A/D转换器采集复位前与复位后探测器输出的“平坦区域”的有效电压的差值，得到因复位产生的相位差，微控制器对多次的复位相位差进行累加得到相位差累加值，通过相位差累加值得到D/A转换器B的模拟电压输出的修正值，微控制器将修正值传递给D/A转换器B转换为模拟电压，经过修正的D/A转换器B的模拟电压作为D/A转换器A的参考电压的输入，控制主控制回路中的D/A转换器A满量程输出对应的电压值，使D/A转换器A满量程输出与2π复位电压总是保持相等的关系，从而实现第二闭环控制的功能。综上所述，控制D/A转换器A满量程输出是通过控制D/A转换器A的参考电压来实现的。这个参考电压来自D/A转换器B输出的模拟电压。

目前光纤陀螺正向体积小型化、集成化的方向发展，在某些应用场合中，对光纤陀螺的体积提出了更高的要求，而上述闭环控制系统的体积制约了光纤陀螺体积的进一步缩小，需要对控制系统进行优化。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种小型光纤陀螺的闭环控制系统，能够缩减闭环控制系统的体积，克服了传统闭环控制系统无法应用在小型光纤陀螺的缺点。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种小型光纤陀螺的闭环控制系统，光纤环、Y波导、耦合器与探测器通过光纤依次相连，探测器、第一滤波放大电路、A/D转换器、微控制器、D/A转换器和第二滤波放大电路依次进行电连接，第二滤波放大电路的输出端连接Y波导的相位控制端；所述微控制器包括解调模块、控制校正模块、阶梯波生成模块、相加模块、±(π/2)相位差调制模块；微控制器还包括复位误差累加模块、2π复位电压修正模块；所述复位误差累加模块、2π复位电压修正模块和阶梯波生成模块构成第二闭环控制回路；

微控制器通过控制A/D转换器的采集时间，令A/D转换器阻止尖峰电压通过；

解调模块对A/D转换器输出的采集电压V_X进行解调，解调出相位差Φ_X；控制校正模块在固定时间长度内对相位差Φ_X进行累加，产生累加误差∑Φ_X，即为阶梯波的台阶高度ΔV_J，该ΔV_J一方面作为解算出来的光纤陀螺角速率结果输出至外部，另一方面输出给阶梯波生成模块；阶梯波生成模块将台阶高度ΔV_J与上一时钟周期输出的阶梯波幅值V_J’累加，得到新的台阶高度V_J，再由相加模块将新的台阶高度V_J与±(π/2)相位差调制模块输出的调制电压值相加，得到V_J±V_π/2，输出给D/A转换器；

当V_J±V_π/2超出D/A转换器的量程时，微控制器启动第二闭环控制回路，此时2π复位电压修正模块将当前的2π复位电压修正值V_2π’提供给阶梯波生成模块；该当前的2π复位电压修正值V_2π’是上一次复位时所确定的，是设定的2π复位电压V_2π与复位误差累加模块提供的复位累加误差∑Φ_X’相加的结果；阶梯波生成模块将当前的2π复位电压修正值V_2π’附加在台阶高度V_J上输出给相加模块；同时，2π复位电压修正值V_2π’还输出给±(π/2)相位差调制模块，±(π/2)相位差调制模块将调制电压值设定为V_2π’/4输出给相加模块；同时，复位误差累加模块从解调模块接收Φ_X，此时Φ_X表示复位产生的相位差，并对历史复位产生的相位差Φ_X进行累加，产生复位累加误差∑Φ_X’，发送给2π复位电压修正模块，供2π复位电压修正模块在下一次系统复位时使用。

优选地，所述微控制器对外部晶振产生的时钟信号进行分频得到A/D转换器的采集时钟adclk，A/D转换器的采集控制时钟rccclk，D/A转换器控制时钟daclk，±(π/2)的相位差调制、解调控制时钟fbclk，形成时钟控制系统，实现时序逻辑控制，使整个光纤陀螺闭环控制过程协调一致。

优选地，时钟daclk的周期和时钟rccclk的周期等于光纤陀螺的渡越时间；时钟fbclk的周期等于2倍渡越时间；时钟adclk的周期小于渡越时间；

时钟daclk的上升沿到来之前，D/A转换器输出的阶梯波电压保持不变，探测器输出的电压信号为平坦的直流信号；在daclk的上升沿到来时，微控制器更新D/A转换器输入数据，D/A转换器提升或降低阶梯波电压，产生阶梯波的台阶；

时钟rccclk的上升沿滞后daclk时钟的上升沿，当rccclk的上升沿到来时，微控制器输出A/D转换器的采集时钟adclk，A/D转换器开始采集探测器输出电压一直到下一个daclk上升沿的到来，使A/D转换器采集的数据不包含探测器输出的脉冲误差电压。

优选地，±(π/2)相位差调制模块受时钟fbclk控制，在fbclk时钟的正半周期，调制模块输出+(π/2)对应的调制电压值，在fbclk时钟的负半周期，调制模块输出-(π/2)对应的调制电压值。

优选地，解调模块对A/D转换器输出的采集电压V_X进行解调为：时钟fbclk处于负半周期，同时时钟rccclk为高有效时，A/D转换器采集输出的电压为V₁；时钟fbclk处于正半周期，同时时钟rccclk为高有效时，A/D转换器采集输出的电压为V₂；V₂减去V₁的差值即为解调出的相位差Φ_X。

优选地，所述控制校正模块对相位差Φ_X进行累加后，乘以一个比例系数，实现PI校正，得到阶梯波的台阶高度ΔV_J。

优选地，所述第一滤波放大电路和所述第二滤波放大电路均采用差分滤波放大电路。

有益效果：

(1)本发明对现有的闭环控制系统进行了优化，通过去掉模拟开关、第二闭环的参考电压控制措施减少了控制系统的复杂度。进一步缩减了闭环控制系统的体积。克服了传统闭环控制系统无法应用在小型光纤陀螺的缺点。

(2)在微控制器中构建了复位误差累加模块、2π复位电压修正模块、阶梯波生成模块所组成的第二闭环控制回路，通过复位误差的累加值对阶梯波生成模块中初始的V_2π进行修正，形成新的V_2π，当D/A转换器输出再次需要复位时，D/A转换器按照修正后的2π复位电压进行复位，使探测器光强信号I_X的复位误差为零，从而完成第二闭环控制过程。与现有技术不同的是，第二闭环控制模块的修正过程是在微控制器内部完成的。D/A转换器不用像图1一样接受参考电压控制，直接将来自微控制器的经过V_2π修正的阶梯波进行转换即可。

(3)微控制器通过控制A/D转换器的采集时间，令A/D转换器阻止尖峰电压通过，从而在去掉模拟开关的情况下，也能够保证输入到微控制器的探测电压为去除了尖峰的平坦电压信号。

(4)V_X经过第一差分滤波放大电路后，以差分形式被A/D转换器采样，差分形式的V_X具有更强的抗共模干扰的能力。

附图说明

图1为传统的阶梯波调制闭环控制系统；

图2为本发明光纤陀螺闭环控制系统方框图；

图3为探测器输出的电压信号与daclk时钟的时序逻辑；

图4为探测器输出的电压信号与rccclk时钟的时序逻辑；

图5为阶梯波高度的输出图形；

图6为第一差分滤波放大电路和A/D转换器的连接电路图；

图7为第二差分滤波放大电路和D/A转换器的连接电路图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种小型光纤陀螺的闭环控制系统，其基本思想是：通过优化闭环控制电路与微控制器控制方式，使用微控制器实现探测器相位差信号采集和复位电压修正，减少模拟开关、D/A转换器B这2个器件。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。如图2所示，本发明包括光纤环、Y波导、耦合器、探测器、2个差分滤波放大电路、A/D转换器、微控制器、D/A转换器。微控制器可以采用FPGA(可编程门阵列)但不限于该FPGA。微控制器按照实现功能划分为解调模块、控制校正模块、阶梯波生成模块、相加模块、±(π/2)相位差调制模块，该微控制器还包括复位误差累加模块、2π复位电压修正模块；复位误差累加模块、2π复位电压修正模块和阶梯波生成模块构成第二闭环控制回路。微控制器中还可以有一个时序控制模块，用于形成时钟控制系统，实现时序逻辑控制，使整个光纤陀螺闭环控制过程协调一致。

光纤环的2个尾纤与Y波导的2个输出尾纤连接，Y波导的1个输入尾纤与耦合器一端的1个尾纤连接，耦合器另一端的1个尾纤与探测器的尾纤连接。探测器将由尾纤入射的光强信号I_X转换为电压信号V_X并通过探测器电气输出引脚输出，探测器电气输出引脚与第一差分滤波放大电路输入端连接，差分滤波放大电路的差分输出端与A/D转换器的输入端连接，A/D转换器的输出端与微控制器的数据输入端口连接，微控制器的数据输出端口与所述的D/A转换器数据输入端口电连接，D/A转换器输出通过第二差分滤波放大电路与Y波导的相位控制端连接，控制两束光的相位差。

当光纤陀螺旋转时，在光纤环沿顺时针、逆时针传输的两束光产生相位差Φ_X，相位差Φ_X与光强信号I_X在小范围内成正比例关系。通过探测器采集光的光强信号，并将其转换为电压信号V_X。电压信号V_X与相位差Φ_X之间成余弦关系，当相位差Φ_X在零附近时通过光强信号检测相位差的灵敏度最小，同时相位差的正负也无法识别。所以，对Y波导施加一个±(π/2)的相位差调制，使光强信号与相位差成正弦关系，此时，在零相位差附近光强信号与相位差成线性关系，并具有最高的灵敏度。经过调制后，电压信号V_X包含相位差Φ_X和±(π/2)的相位差。

V_X经过第一差分滤波放大电路后，以差分形式被A/D转换器采样，差分形式的V_X具有更强的抗共模干扰的能力。微控制器将A/D转换器得到的V_X数字量进行解调，消除调制相位差±(π/2)，得到相位差Φ_X，再经过累加和控制校正处理后，得到改善闭环控制系统的动态过程的Y波导控制量ΔV_J，即阶梯波信号的台阶高度。该台阶高度同时还是光纤陀螺的旋转角速率数据，输出到外部。

当D/A转换器输出的阶梯波达到或超出满量程输出时，必须复位。若由于电路的温度漂移和电气漂移的原因，导致2π复位电压发生变化，在这种情况下D/A转换器复位，A/D转换器采集复位前与复位后探测器输出的“平坦区域”的有效电压的差值，得到因D/A转换器复位产生的相位差，微控制器对多次的复位相位差进行累加得到相位差累加值，通过相位差累加值得到D/A转换器的2π复位电压修正值，微控制器使用修正值补偿初始的2π复位电压，D/A转换器按照补偿后的2π复位电压进行复位，从而实现第二闭环控制的功能。

下面对每个模块的工作进行详细描述。

时序控制模块，微控制器对晶振产生的时钟信号进行分频得到A/D转换器的采集时钟adclk，A/D转换器的采集控制时钟rccclk，D/A转换器控制时钟daclk，±(π/2)的相位差调制、解调控制时钟fbclk。其中，微控制器的A/D转换器的采集时钟adclk与A/D转换器的时钟输入引脚连接。微控制器的D/A转换器控制时钟daclk与D/A转换器的时钟引脚输入连接。

微控制器通过控制A/D转换器的采集时间，令D/A转换器A/D转换器阻止尖峰电压通过；具体是这样实现的：探测器输出的电压信号与daclk时钟的时序逻辑如图3所示。D/A转换器控制时钟daclk的周期等于光纤陀螺的渡越时间，在daclk的上升沿到来之前，D/A转换器输出的阶梯波电压保持不变，探测器输出的电压信号为平坦的直流信号。在daclk的上升沿到来时，微控制器更新D/A转换器输入数据，D/A转换器提升或降低阶梯波电压，产生阶梯波的台阶。当阶梯波电压改变的时刻，即daclk的上升沿到来时，探测器输出产生脉冲误差电压。所以，脉冲误差电压产生的周期与daclk一致，即为渡越时间。

探测器输出的电压信号与rccclk时钟的时序逻辑如图4所示。A/D转换器的采集控制时钟rccclk的上升沿滞后daclk的上升沿，当rccclk的上升沿到来时，微控制器输出A/D转换器的采集时钟adclk，A/D转换器开始采集探测器输出电压一直到下一个daclk上升沿的到来。因为，rccclk滞后daclk，所以，A/D转换器采集的数据不包含探测器输出的脉冲误差电压。

±(π/2)相位差调制模块，为了在零相位差附近光强信号Ix与相位差Φ_X成线性关系，并具有最高的灵敏度。需要对Y波导施加一个±(π/2)的相位差调制，使光强信号与相位差成正弦关系。±(π/2)的相位差调制受fbclk时钟控制，在fbclk时钟的正半周期，调制模块输出+(π/2)对应的调制电压值V_π/2，在fbclk时钟的负半周期，调制模块输出-(π/2)对应的调制电压值(-V_π/2)。±(π/2)相位差调制模块输出的调制电压值与阶梯波生成模块输出值相加得到阶梯波高度V_J。本发明在没有对D/A转换器进行复位时，采用现有的调制电压值±V_π/2，输出给阶梯波生成模块，如果进行了复位，则采用修正的调制电压值输出给阶梯波生成模块。该修正的调制电压值在下文中将进行详细描述。

解调模块，因±(π/2)相位差调制模块的作用使得A/D转换采集到的电压信号V_X包含相位差Φ_X和±(π/2)的相位差，需要进行解调，消除±(π/2)的调制相位差。因此解调模块负责对A/D转换器输出的采集电压V_X进行解调，解调出相位差Φ_X。具体解调过程为：时钟fbclk处于负半周期，同时rccclk时钟为高有效时，A/D转换采集到的电压为V₁；在fbclk时钟的正半周期，同时rccclk时钟为高有效时，A/D转换采集到的电压为V₂，V₂减去V₁的差值即为相位差Φ_X。fbclk时钟的周期为渡越时间的2倍，且与daclk时钟同步。

控制校正模块，在固定时间长度内对相位差Φ_X的历史数据进行累加，具体可以将累加量∑Φ_X乘以1个比例系数后输出给阶梯波生成模块。该累加并乘以比例系数的方式属于PI控制，在实际中也可以采用PID控制器或其他控制器来实现；累加的目的是产生阶梯波的台阶高度ΔV_J。该台阶高度ΔV_J与光纤陀螺相对于惯性空间旋转的角速率成正比例关系，因此ΔV_J可以作为解算出来的光纤陀螺角速率结果输出至外部。另一方面该ΔV_J还输出给阶梯波生成模块。

阶梯波生成模块，将控制校正模块输出的台阶高度ΔV_J与上一个daclk时钟输出的阶梯波幅值V_J’累加，得到新的台阶高度V_J(V_J＝ΔV_J+V_J’，V_J为阶梯波高度，是台阶高度ΔV_J的累加值)，再由相加模块将新的台阶高度V_J与±(π/2)相位差调制模块输出的调制电压值(±V_π/2)相加，得到V_J±V_π/2。阶梯波高度V_J的输出图形如图5所示。

微控制器此时进行V_J±V_π/2的判断：如果新的V_J±V_π/2超出D/A转换器的量程时，需要对D/A转换器输出进行复位，为了使探测器输出的光强信号I_X，即相位差信号不因复位而产生误差，D/A转换器复位后输出的阶梯波的台阶高度必须等于V_J±V_π/2±V_2π。其中，V_2π为2π复位电压。具体操作是，

微控制器启动第二闭环控制回路，复位误差累加模块从解调模块接收Φ_X，此时的Φ_X是因D/A转换器复位产生的复位误差，复位误差累加模块对历史复位误差Φ_X进行累加，例如可以对之前固定次数(10次)的复位进行累加，产生复位累加误差∑Φ_X’，发送给2π复位电压修正模块；但2π复位电压修正模块并没有采用本次累加得到的新的∑Φ_X’，该值会在下一次复位时被使用；对于本次复位，2π复位电压修正模块已经在上一次复位时，计算好了本次需要用到的复位累加误差∑Φ_X’，称为上次复位∑Φ_X’，其利用上次复位∑Φ_X’对阶梯波生成模块中初始的V_2π进行修正，即将设定的2π复位电压V_2π与上次复位∑Φ_X’相加，作为本次复位的2π复位电压修正值V_2π’提供给阶梯波生成模块；阶梯波生成模块将该2π复位电压修正值V_2π’附加在当前阶梯波高度V_J上(即计算ΔV_J+V_J’±V_2π’)输出给相加模块；同时，2π复位电压修正值V_2π’还输出给±(π/2)相位差调制模块，对±(π/2)相位差调制模块的调制电压值进行修正，该修正是指将调制电压值设定为V_2π’/4。

与现有技术不同的是，第二闭环控制模块的修正过程是在微控制器内部完成的。V_2π修正值和V_π/2修正值直接反应到生成的阶梯波上，然后输出给D/A转换器进行转换。D/A转换器不用像图1一样接受参考电压控制，直接将来自微控制器的经过V_2π修正的阶梯波进行转换即可。

D/A转换器将微控制器生成的阶梯波信号V_J以差分的形式输出给差分滤波放大电路，以差分形式输出的阶梯波控制Y波导产生补偿相位差Φ_F来补偿相位差Φ_X，Φ_F与Φ_X大小相等，方向相反。其中阶梯波的台阶高度ΔV_J与相位差Φ_X成正比例。

差分滤波放大电路和A/D转换如图6所示，电容C3、电容C4、电阻R2、电阻R5组成带通滤波电路，滤除探测器输出电压信号Vx中的直流分量和高频噪声。差分运算放大器N1、电阻R1、电阻R3、电阻R7、电阻R8、电容C1、电容C6组成差分放大电路，差分放大电路将Vx转换为差分形式，其中(V_IN+-V_IN-)＝(R1/R3)/Vx,(R1/R3)为放大倍数，(V_IN+-V_IN-)被A/D转换器D1转换成数字量被微控制器采集，将探测器输出的电压信号V_X转换成差分形式可以增强其抗共模干扰的能力。VREF为A/D转换器D1输出的参考电压，VREF作为输入与差分运算放大器N1连接，其中(V_IN+-VREF)＝(VREF-V_IN-)。电阻R4、电阻R6、电容C2、电容C5组成低通滤波对差分信号V_IN+和V_IN-进行低通滤波。

差分滤波放大电路和D/A转换如图7所示。电阻R65、电阻R67、电阻R68、电阻R73、电容C70、电容C71、电容C72、电容C74组成低通滤波电路，滤除阶梯波信号中的高频噪声，差分放大器N2、电阻R59、电阻R64、电阻R67、电阻R73组成放大电路，对阶梯波信号进行放大。D/A转换器D4将微控制器生成的阶梯波信号以差分的形式(IOUTA-IOUTB)输出给差分滤波放大电路，经过差分滤波放大后得到差分形式的阶梯波信号(JTB2-JTB1),阶梯波控制Y波导产生补偿相位差Φ_F来补偿因光纤陀螺旋转产生的相位差Φ_X。

第一差分滤波放大电路和A/D转换如图6所示，电容C3、电容C4、电阻R2、电阻R5组成带通滤波电路，滤除探测器输出电压信号Vx中的直流分量和高频噪声。差分运算放大器N1、电阻R1、电阻R3、电阻R7、电阻R8、电容C1、电容C6组成差分放大电路，差分放大电路将Vx转换为差分形式，其中(V_IN+-V_IN-)＝(R1/R3)/Vx,(R1/R3)为放大倍数，(V_IN+-V_IN-)被A/D转换器D1转换成数字量被微控制器采集，将探测器输出的电压信号V_X转换成差分形式可以增强其抗共模干扰的能力。VREF为A/D转换器D1输出的参考电压，VREF作为输入与差分运算放大器N1连接，其中(V_IN+-VREF)＝(VREF-V_IN-)。电阻R4、电阻R6、电容C2、电容C5组成低通滤波对差分信号V_IN+和V_IN-进行低通滤波。

第二差分滤波放大电路和D/A转换如图7所示。电阻R65、电阻R67、电阻R68、电阻R73、电容C70、电容C71、电容C72、电容C74组成低通滤波电路，滤除阶梯波信号中的高频噪声，差分放大器N2、电阻R59、电阻R64、电阻R67、电阻R73组成放大电路，对阶梯波信号进行放大。D/A转换器D4将微控制器生成的阶梯波信号以差分的形式(IOUTA-IOUTB)输出给差分滤波放大电路，经过差分滤波放大后得到差分形式的阶梯波信号(JTB2-JTB1),阶梯波控制Y波导产生补偿相位差Φ_F来补偿因光纤陀螺旋转产生的相位差Φ_X。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种小型光纤陀螺的闭环控制系统，其特征在于，光纤环、Y波导、耦合器与探测器通过光纤依次相连，探测器、第一滤波放大电路、A/D转换器、微控制器、D/A转换器和第二滤波放大电路依次进行电连接，第二滤波放大电路的输出端连接Y波导的相位控制端；所述微控制器包括解调模块、控制校正模块、阶梯波生成模块、相加模块、±π/2相位差调制模块；微控制器还包括复位误差累加模块、2π复位电压修正模块；所述复位误差累加模块、2π复位电压修正模块和阶梯波生成模块构成第二闭环控制回路；

微控制器通过控制A/D转换器的采集时间，令A/D转换器阻止尖峰电压通过；

解调模块对A/D转换器输出的采集电压V_X进行解调，解调出相位差Φ_X；控制校正模块在固定时间长度内对相位差Φ_X进行累加，产生累加误差∑Φ_X，即为阶梯波的台阶高度ΔV_J，该ΔV_J一方面作为解算出来的光纤陀螺角速率结果输出至外部，另一方面输出给阶梯波生成模块；阶梯波生成模块将台阶高度ΔV_J与上一时钟周期输出的阶梯波幅值V_J’累加，得到新的台阶高度V_J，再由相加模块将新的台阶高度V_J与±π/2相位差调制模块输出的调制电压值相加，得到V_J±V_π/2，输出给D/A转换器；

当V_J±V_π/2超出D/A转换器的量程时，微控制器启动第二闭环控制回路，此时2π复位电压修正模块将当前的2π复位电压修正值V_2π’提供给阶梯波生成模块；该当前的2π复位电压修正值V_2π’是上一次复位时所确定的，是设定的2π复位电压V_2π与复位误差累加模块提供的复位累加误差∑Φ_X’相加的结果；阶梯波生成模块将当前的2π复位电压修正值V_2π’附加在台阶高度V_J上输出给相加模块；同时，2π复位电压修正值V_2π’还输出给±π/2相位差调制模块，±π/2相位差调制模块将调制电压值设定为V_2π’/4输出给相加模块；同时，复位误差累加模块从解调模块接收Φ_X，此时Φ_X表示复位产生的相位差，并对历史复位产生的相位差Φ_X进行累加，产生复位累加误差∑Φ_X’，发送给2π复位电压修正模块，供2π复位电压修正模块在下一次系统复位时使用。

2.如权利要求1所述的小型光纤陀螺的闭环控制系统，其特征在于，所述微控制器对外部晶振产生的时钟信号进行分频得到A/D转换器的采集时钟adclk，A/D转换器的采集控制时钟rccclk，D/A转换器控制时钟daclk，±π/2的相位差调制、解调控制时钟fbclk，形成时钟控制系统，实现时序逻辑控制，使整个光纤陀螺闭环控制过程协调一致。

3.如权利要求2所述的小型光纤陀螺的闭环控制系统，其特征在于，

时钟daclk的周期和时钟rccclk的周期等于光纤陀螺的渡越时间；时钟fbclk的周期等于2倍渡越时间；时钟adclk的周期小于渡越时间；

时钟daclk的上升沿到来之前，D/A转换器输出的阶梯波电压保持不变，探测器输出的电压信号为平坦的直流信号；在daclk的上升沿到来时，微控制器更新D/A转换器输入数据，D/A转换器提升或降低阶梯波电压，产生阶梯波的台阶；

时钟rccclk的上升沿滞后daclk时钟的上升沿，当rccclk的上升沿到来时，微控制器输出A/D转换器的采集时钟adclk，A/D转换器开始采集探测器输出电压一直到下一个daclk上升沿的到来，使A/D转换器采集的数据不包含探测器输出的脉冲误差电压。

4.如权利要求2所述的小型光纤陀螺的闭环控制系统，其特征在于，±π/2相位差调制模块受时钟fbclk控制，在fbclk时钟的正半周期，调制模块输出+π/2对应的调制电压值，在fbclk时钟的负半周期，调制模块输出-π/2对应的调制电压值。

5.如权利要求2所述的小型光纤陀螺的闭环控制系统，其特征在于，解调模块对A/D转换器输出的采集电压V_X进行解调为：时钟fbclk处于负半周期，同时时钟rccclk为高有效时，A/D转换器采集输出的电压为V₁；时钟fbclk处于正半周期，同时时钟rccclk为高有效时，A/D转换器采集输出的电压为V₂；V₂减去V₁的差值即为解调出的相位差Φ_X。

6.如权利要求1所述的小型光纤陀螺的闭环控制系统，其特征在于，所述控制校正模块对相位差Φ_X进行累加后，乘以一个比例系数，实现PI校正，得到阶梯波的台阶高度ΔV_J。

7.如权利要求1所述的小型光纤陀螺的闭环控制系统，其特征在于，所述第一滤波放大电路和所述第二滤波放大电路均采用差分滤波放大电路。

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