CN112650342B - 一种用于陀螺罗经的电流施控电路 - Google Patents

一种用于陀螺罗经的电流施控电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及到一种用于陀螺罗经的电流施控电路，该电流施控电路包括有微处理器、第一基准电压电路、第一模拟开关、第一模数转换器、第二基准电压电路、第二模拟开关和第二模数转换器，所述第一基准电压电路和第二基准电压电路连接至第一模拟开关和第二模拟开关的输入端，两个模拟开关的控制端分别连接至所述微处理器，第一模拟开关的输出端连接至第一模数转换器，第二模拟开关的输出端连接至第二模数转换器。微处理器接收电磁摆输出的电压信号，微处理器分别连接第一模数转换器和第二模数转换器，第一模数转换器输出电压至方位力矩器，第二模数转换器输出电压至水平力矩器。本发明的电流施控电路能输出高精度的施控电流，降低硬件成本。

Description

一种用于陀螺罗经的电流施控电路
技术领域
本发明涉及船舶导航技术领域，特别是涉及一种用于陀螺罗经的电流施控电路。
背景技术
长久以来，陀螺罗经作为一种能够准确寻找地理北向的导航仪器，在各类船舶上得到广泛应用，成为海上导航的主要仪器。
陀螺罗经内安置有高速旋转的陀螺仪。在陀螺罗经工作时，陀螺仪主轴若偏离子午面，在地球自转水平分量的作用下，陀螺仪主轴将偏离水平面一个倾角。一个简单的电磁摆可敏感出此倾角的大小与方向，输出相应相位幅度的电压信号。电流施控电路接收电磁摆输出的电压信号，向水平力矩器与方位力矩器施加控制电流。方位力矩器给陀螺仪主轴施加方位控制力矩(指北力矩)，水平力矩器给陀螺仪主轴施加水平阻尼力矩，从而使陀螺仪主轴进行阻尼振荡而稳定在子午面内。
从陀螺罗经的指北工作原理可知，方位力矩器和水平力矩器上施加的控制电流的精度，直接影响陀螺罗经的指北精度。方位力矩器和水平力矩器上施加的最大电流一般为几十毫安，最小电流要求能达到微安级。
目前，方位力矩器和水平力矩器的电流施控电路主要有以下2种：
第一种是调幅式电流施控电路。调幅式电流施控电路接收电磁摆输出的电压信号，一般经信号放大、信号隔离、功率放大、相敏解调、电流调节等环节，向水平力矩器或方位力矩器施加控制电流。陀螺罗经的水平力矩器与方位力矩器的控制电流精度要求很高，一般达到微安级别，调幅式电流施控电路所用元器件的精度等级、温漂系数等参数均有较高的要求，成对使用的元器件还需进行配对挑选。因此调幅式电流施控电路集成度较低，硬件成本较高,且受元器件品质影响，输出的施控电流精度难以提高。
第二种是调宽式电流施控电路。调宽式电流施控电路一般包含微处理器、恒流源以及由模拟开关组成的H桥电路。微处理器接收电磁摆输出的电压信号，输出2路周期固定、占空比可调的PWM方波，分别去控制2组H桥电路工作。2路恒流源输出的恒定电流分别经2组H桥电路送至水平力矩器或方位力矩器，最终使得方位力矩器或水平力矩器上通过幅值与恒流源输出电流相等，周期、占空比与微处理器输出PWM方波相同的施控电流。现有技术中的调宽式电流施控电路结构简单，控制灵活，输出的施控电流精度高。但是由于在方位力矩器或水平力矩器上通过的电流为调宽脉冲电流，无法使用通用仪表进行准确测量，给调试和维修工作带来不便。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，设计出一种用于陀螺罗经的电流施控电路，既能采用简单灵活的线路输出高精度的施控电流，达到降低硬件成本的目的，又能使用通用仪表对施控电流进行准确测量，以便于调试维修工作的顺利进行。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种用于陀螺罗经的电流施控电路，在所述陀螺罗经中，电流施控电路接收电磁摆输出的电压信号，向水平力矩器与方位力矩器施加控制电流。其特征在于，该电流施控电路包括有微处理器、第一基准电压电路、第一模拟开关、第一模数转换器、第二基准电压电路、第二模拟开关和第二模数转换器。所述的第一基准电压电路输出±10V的基准电压，所述第二基准电压电路输出±0.4V的基准电压，所述的第一模拟开关包括有四路开关，两路开关的输入端连接第一基准电压电路，另两路开关的输入端连接第二基准电压电路，所述第一模拟开关的四路开关控制端分别连接至所述微处理器中的四个输出引脚。所述第一模拟开关的输出端连接至所述的第一模数转换器，所述的第二模拟开关包括有四路开关，两路开关的输入端连接第一基准电压电路，另两路开关的输入端连接第二基准电压电路，所述第二模拟开关的四路开关控制端分别连接至所述微处理器中的四个输出引脚。所述第二模拟开关的输出端连接至所述的第二模数转换器。所述的微处理器接收陀螺罗经上电磁摆输出的电压信号。微处理器的两组输出端分别连接第一模数转换器和第二模数转换器，并分别输出10位二进制数。所述的第一模数转换器输出电压至方位力矩器，第二模数转换器输出电压至水平力矩器。
在本发明用于陀螺罗经的电流施控电路中，所述的第一模拟开关和第二模拟开关上均包含有四路开关触点，该开关触点根据微处理器发出的命令闭合或断开，用于选择切换+10V、-10V、+0.4V、-0.4V基准电源。
在本发明用于陀螺罗经的电流施控电路中，所述的微处理器接收电磁摆输出的电压信号，根据公式1计算方位施控电流，并折算成相应的10位二进制数，发送至第一模数转换电路；根据公式2计算水平施控电流，并折算成相应的10位二进制数，发送至第二模数转换电路；同时，微处理器发出两路四位命令分别发送至第一模拟开关和第二模拟开关，控制开关触点的闭合或断开，用于切换+10V、-10V、+0.4V、-0.4V基准电源。
公式1 Iy＝θ×Ko×Ky/Ly
公式2 Iz＝θ×Ko×Kz/Lz
式中：
Iy：方位施控电流
Iz：水平施控电流
θ：电磁摆电压信号，单位毫伏
Ko：电压角度转换系数，单位弧度/毫伏，根据电磁摆结构和电气参数确定
Ky：方位力矩器控制系数，根据陀螺罗经设计参数确定
Kz：水平力矩器控制系数，根据陀螺罗经设计参数确定
Ly：方位力矩器力矩系数，根据力矩器结构和电气参数确定
Lz：水平力矩器力矩系数，根据力矩器结构和电气参数确定
在本发明用于陀螺罗经的电流施控电路中，所述的第一模数转换电路和第二模数转换电路为10位分辨率的D/A转换电路，所述第一模数转换电路的参考电压来自第一模拟开关，该第一模数转换电路接收所述微处理器输出的对应方位施控电流的10位二进制数，输出电压至方位力矩器，所述第二模数转换电路的参考电压来自第二模拟开关，该第二模数转换电路接收所述微处理器输出的对应水平施控电流的10位二进制数，输出电压至水平力矩器。
在本发明用于陀螺罗经的电流施控电路中，所述的第一模数转换电路和第二模数转换电路中输出电压的计算公式为：
VOUT＝-VREF(A1/2+A2/4+A3/8+…A10/1024)
VOUT：输出电压
VREF：参考电压
A1、A2、A3…A10：10位二进制数，A1为最高位，A10为最低位。
基于上述的技术方案，本发明用于陀螺罗经的电路施控电路与现有技术相比具有以下有益效果：
1.本发明用于陀螺罗经的电路施控电路的整体结构简单，组成器件少，具有同等功效的前提下整体的硬件成本低。
2.本发明的电流施控电路通过在方位力矩器和水平力矩器上施加调幅直流电压，使得方位力矩器或水平力矩器上通过的电流为调幅直流电流，能够很便捷地使用通用仪表对上述电压和电流进行准确测量，利于调试维修工作的顺利展开。
3.本发明的电流施控电路，可切换10V和0.4V两档参考电压。当参考电压为10V时，D/A转换电路的满量程输出电压为9.9902V，最大输出电流可达24.9756mA；当参考电压为0.4V时，D/A转换电路的满量程输出电压为0.3996V，电流最小分辨率可达0.98uA。如此，在使用一个10位分辨率D/A转换电路的基础上，就能够保证线路既具有较大的电流输出能力，同时具有较高的电流输出精度。
附图说明
图1为本发明用于陀螺罗经的电路施控电路的电路原理框图。
图2是根据本发明的实施例1的示意图。(图中仅显示了方位力矩器电流施控电路部分)
具体实施方式
下面我们结合附图和具体的实施例来对本发明的电流施控电路做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解其结构组成、实现功能和使用方法，但不能以此来限制本发明专利的保护范围。
如图1所示，本发明是一种用于陀螺罗经的电流施控电路，在所述陀螺罗经中，电流施控电路接收电磁摆输出的电压信号，向水平力矩器与方位力矩器施加控制电流。本发明的电流施控电路包括有微处理器、第一基准电压电路、第一模拟开关、第一模数转换器、第二基准电压电路、第二模拟开关和第二模数转换器。上述第一基准电压电路在图中显示为基准电压电路(A)，第二基准电压电路在图中显示为基准电压电路(B)，第一模拟开关在图中显示为模拟开关(A)，第二模拟开关在图中显示为模拟开关(B)，第一模数转换器在图中显示为10位D/A转换电路(A)，第二模数转换器在图中显示为10位D/A转换电路(B)。
上述的第一基准电压电路输出±10V的基准电压，所述第二基准电压电路输出±0.4V的基准电压。即基准电压电路(A)和基准电压电路(B)，两个基准电压电路分别输出±10V的基准电压和±0.4V的基准电压。
该电流施控电路中还包括了2个模拟开关，每个模拟开关包含4路开关触点，根据处理器发出的命令闭合或断开，用于选择切换+10V、-10V、+0.4V、-0.4V基准电源，将其中一路基准电源送至两个D/A转换电路之一作参考电压。即第一模拟开关包括有四路开关，两路开关的输入端连接第一基准电压电路，另两路开关的输入端连接第二基准电压电路，所述第一模拟开关的四路开关控制端分别连接至所述微处理器中的四个输出引脚。所述第一模拟开关的输出端连接至所述的第一模数转换器。所述的第二模拟开关包括有四路开关，两路开关的输入端连接第一基准电压电路，另两路开关的输入端连接第二基准电压电路，所述第二模拟开关的四路开关控制端分别连接至所述微处理器中的四个输出引脚。所述第二模拟开关的输出端连接至所述的第二模数转换器。
在本发明用于陀螺罗经的电流施控电路中，所述的微处理器接收电磁摆输出的电压信号，根据公式1计算方位施控电流，并折算成相应的10位二进制数，发送至第一模数转换电路；根据公式2计算水平施控电流，并折算成相应的10位二进制数，发送至第二模数转换电路；同时，微处理器发出两路四位命令分别发送至第一模拟开关和第二模拟开关，控制开关触点的闭合或断开，用于切换+10V、-10V、+0.4V、-0.4V基准电源。
公式1 Iy＝θ×Ko×Ky/Ly
公式2 Iz＝θ×Ko×Kz/Lz
式中：
Iy：方位施控电流
Iz：水平施控电流
θ：电磁摆电压信号，单位毫伏
Ko：电压角度转换系数，单位弧度/毫伏，根据电磁摆结构和电气参数确定
Ky：方位力矩器控制系数，根据陀螺罗经设计参数确定
Kz：水平力矩器控制系数，根据陀螺罗经设计参数确定
Ly：方位力矩器力矩系数，根据力矩器结构和电气参数确定
Lz：水平力矩器力矩系数，根据力矩器结构和电气参数确定
由上述描述可知，微处理器接收电磁摆输出的电压信号，计算方位施控电流和水平施控电流，输出与电流大小相对应的2路10位二进制数，发送至两个D/A转换电路。微处理器还同时发出2路4位命令分别送至2个模拟开关，控制开关触点闭合或断开，用于选择切换+10V、-10V、+0.4V、-0.4V基准电源。上述D/A转换电路是2个10位分辨率的D/A转换电路，其中D/A转换电路(A)的参考电压来自模拟开关(A)，D/A转换电路(A)接收微处理器输出的对应方位施控电流的10位二进制数，输出电压至方位力矩器。D/A转换电路(B)的参考电压来自模拟开关(B)，D/A转换电路(B)接收微处理器输出的对应水平施控电流的10位二进制数，输出电压至水平力矩器。
上述D/A转换电路的输出电压可用以下公式计算：
VOUT＝-VREF(A1/2+A2/4+A3/8+…A10/1024)
VOUT：输出电压
VREF：参考电压
A1、A2、A3…A10：10位二进制数，A1为最高位，A10为最低位
方位力矩器电流施控电路与水平力矩器电流施控电路的工作原理完全一致，下面以方位力矩器电流施控电路来说明本发明的工作原理。
由上述描述可知，施控电路中的微处理器接收电磁摆输出的电压信号，计算出方位施控电流，并折算成相应的10位二进制数。
若方位力矩器阻值为400Ω，基准电源为10V,根据以下公式可计算出二进制数与施控电流间的比例关系，即每个二进制数相当于24.41uA电流。
每个二进制数＝10V÷1024÷400欧姆＝24.41×10-6A
若方位力矩器阻值为400Ω，基准电源为0.4V,根据以下公式可计算出二进制数与施控电流间的比例关系，即每个二进制数相当于0.98uA电流。
每个二进制数＝0.4V÷1024÷400欧姆＝0.98×10-6A
当微处理器计算出所需的方位施控电流大于+1mA(或-1mA)时，微处理器向模拟开关(A)发出命令，选择-10V(或+10V)基准电源送至D/A转换电路(A)作为参考电压。此时，每个二进制数相当于24.41uA电流，即方位力矩器通过电流的最小分辨率为24.41uA。根据这一比例关系，折算出相应的10位二进制数，送至D/A转换电路(A)。D/A转换电路(A)输出电压至方位力矩器，即产生需要的方位施控电流。
当微处理器计算出所需的方位施控电流小于等于+1mA(或-1mA)时，微处理器向模拟开关(A)发出命令，选择-0.4V(或+0.4V)基准电源送至D/A转换电路(A)作为参考电压。此时，每个二进制数相当于0.98uA电流，即方位力矩器通过电流的最小分辨率为0.98uA。根据这一比例关系，折算出相应的10位二进制数，送至D/A转换电路(A)。D/A转换电路(A)输出电压至方位力矩器，即产生需要的方位施控电流。
表1列举了若干组二进制数、基准电压以及方位力矩器上的电压电流。
表1
Figure GDA0003642403110000101
实施例1
参照图2，本实施例对于方位力矩器进行展开描述。在方位力矩器电流施控电路包括：2个基准电压电路。基准电压电路(A)由U1电压基准芯片ADR01BRZ、U4A运放LM124DR、R1电阻、R2电阻、C1电容、C2电容组成，用于输出±10V的基准电压。基准电压电路(B)由U2电压基准芯片LT6650、U4B运放LM124DR、R3电阻、R3电阻、C3电容、C4电容组成，用于输出±0.4V的基准电压。
该电流施控电路中，具体还包括：U3模拟开关MAX4662EAE+。每个模拟开关包含4路开关触点，根据处理器发出的命令闭合或断开，用于选择切换+10V、-10V、+0.4V、-0.4V基准电源，将其中一路基准电源送至D/A转换电路(A)作参考电压。
该电流施控电路中，还包括：U5微处理器LPC2294HBD144，该微处理器接收电磁摆输出的电压信号，计算施控电流，输出与电流大小相对应的10位二进制数，发送至D/A转换电路(A)。
U5微处理器LPC2294HBD144同时发出4位命令，送至U3模拟开关MAX4662EAE+，控制开关触点闭合或断开，用于选择切换+10V、-10V、+0.4V、-0.4V基准电源。
该电流施控电路，还包括：D/A转换电路(A),由U6 D/A转换芯片DAC1020LCJ、U7运放LM741CN、RP1电位器组成。U6 D/A转换芯片DAC1020LCJ的参考电压来自U3模拟开关MAX4662EAE+，同时接收U5微处理器LPC2294HBD144输出的对应方位施控电流的10位并行二进制数，输出电压至方位力矩器。
上述D/A转换电路(A)的输出电压可用以下公式计算：
VOUT＝-VREF(A1/2+A2/4+A3/8+…A10/1024)
VOUT：输出电压
VREF：参考电压
A1、A2、A3…A10：10位二进制数，A1为最高位，A10为最低位
该方位力矩器电流施控电路的工作过程描述如下：
U5微处理器LPC2294HBD144接收电磁摆输出的电压信号，计算出方位施控电流，并折算成相应的10位二进制数。
方位力矩器阻值为400Ω，基准电源为10V,根据以下公式可计算出二进制数与施控电流间的比例关系，即每个二进制数相当于24.41uA电流。
每个二进制数＝10V÷1024÷400欧姆＝24.41×10-6A
方位力矩器阻值为400Ω，基准电源为0.4V,根据以下公式可计算出二进制数与施控电流间的比例关系，即每个二进制数相当于0.98uA电流。
每个二进制数＝0.4V÷1024÷400欧姆＝0.98×10-6A
当U5微处理器LPC2294HBD144计算出所需的方位施控电流大于+1mA(或-1mA)时，U5微处理器LPC2294HBD144向U3模拟开关MAX4662EAE+发出命令，选择-10V(或+10V)基准电源送至U6 D/A转换芯片DAC1020LCJ作为参考电压。此时，每个二进制数相当于24.41uA电流，即方位力矩器通过电流的最小分辨率为24.41uA。根据这一比例关系，折算出相应的10位二进制数，送至U6 D/A转换芯片DAC1020LCJ。D/A转换电路(A)输出电压至方位力矩器，即产生需要的方位施控电流。
当U5微处理器LPC2294HBD144计算出所需的方位施控电流小于等于+1mA(或-1mA)时，U5微处理器LPC2294HBD144向U3模拟开关MAX4662EAE+发出命令，选择-0.4V(或+0.4V)基准电源送至U6 D/A转换芯片DAC1020LCJ作为参考电压。此时，每个二进制数相当于0.98uA电流，即方位力矩器通过电流的最小分辨率为0.98uA。根据这一比例关系，折算出相应的10位二进制数，送至U6 D/A转换芯片DAC1020LCJ。D/A转换电路(A)输出电压至方位力矩器，即产生需要的方位施控电流。
毫无疑问，本发明专利中上述实施例仅仅是为了进一步理解本发明专利的创新思想和实现方式所做出的详尽描述，并不能局限于实施例中所展现的内容。总而言之，本发明的保护范围还包括其他对于本领域技术人员来说显而易见的变换和替代。

Claims (4)

1.一种用于陀螺罗经的电流施控电路，在所述陀螺罗经中，电流施控电路接收电磁摆输出的电压信号，向水平力矩器与方位力矩器施加控制电流，其特征在于，该电流施控电路包括有微处理器、第一基准电压电路、第一模拟开关、第一模数转换器、第二基准电压电路、第二模拟开关和第二模数转换器，所述的微处理器接收陀螺罗经上电磁摆输出的电压信号，计算方位施控电流和水平施控电流，输出与电流大小相对应的2路10位二进制数，发送至第一模数转换电路或第二模数转换电路，微处理器同时发出两路四位命令分别发送至第一模拟开关和第二模拟开关，控制开关触点的闭合或断开，用于切换+10V、-10V、+0.4V、-0.4V基准电源，所述的第一基准电压电路输出±10V的基准电压，所述第二基准电压电路输出±0.4V的基准电压，所述的第一模拟开关包括有四路开关，两路开关的输入端连接第一基准电压电路，另两路开关的输入端连接第二基准电压电路，所述第一模拟开关的四路开关控制端分别连接至所述微处理器中的四个输出引脚，所述第一模拟开关的输出端连接至所述的第一模数转换器，所述的第二模拟开关包括有四路开关，两路开关的输入端连接第一基准电压电路，另两路开关的输入端连接第二基准电压电路，所述第二模拟开关的四路开关控制端分别连接至所述微处理器中的四个输出引脚，所述第二模拟开关的输出端连接至所述的第二模数转换器，所述的第一模拟开关和第二模拟开关上均包含有四路开关触点，该开关触点根据微处理器发出的命令闭合或断开，用于选择切换+10V、-10V、+0.4V、-0.4V基准电源，微处理器的两组输出端分别连接第一模数转换器和第二模数转换器，并分别输出10位二进制数，所述的第一模数转换器输出电压至方位力矩器，第二模数转换器输出电压至水平力矩器。
2.根据权利要求1所述的一种用于陀螺罗经的电流施控电路，其特征在于，所述的第一模数转换电路和第二模数转换电路为10位分辨率的D/A转换电路，所述第一模数转换电路的参考电压来自第一模拟开关，该第一模数转换电路接收所述微处理器输出的对应方位施控电流的10位二进制数，输出电压至方位力矩器，所述第二模数转换电路的参考电压来自第二模拟开关，该第二模数转换电路接收所述微处理器输出的对应水平施控电流的10位二进制数，输出电压至水平力矩器。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于陀螺罗经的电流施控电路，其特征在于，所述的第一模数转换电路和第二模数转换电路中输出电压的计算公式为：
VOUT＝-VREF(A1/2+A2/4+A3/8+…A10/1024)
VOUT：输出电压
VREF：参考电压
A1、A2、A3…A10：10位二进制数，A1为最高位，A10为最低位。
4.根据权利要求1所述的一种用于陀螺罗经的电流施控电路，其特征在于，所述的微处理器接收电磁摆输出的电压信号，根据公式1计算方位施控电流，并折算成相应的10位二进制数，发送至第一模数转换电路；
公式1 Iy＝θ×Ko×Ky/Ly
根据公式2计算水平施控电流，并折算成相应的10位二进制数，发送至第二模数转换电路:
公式2 Iz＝θ×Ko×Kz/Lz
在公式1和公式2中：
Iy：方位施控电流
Iz：水平施控电流
θ：电磁摆电压信号，单位为毫伏
Ko：电压角度转换系数，单位为弧度/毫伏，
Ky：方位力矩器控制系数，
Kz：水平力矩器控制系数，
Ly：方位力矩器力矩系数，
Lz：水平力矩器力矩系数。
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