CN114039405B - 一种轻小型惯性测量单元二次电源管理电路 - Google Patents

一种轻小型惯性测量单元二次电源管理电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种轻小型惯性测量单元二次电源管理电路，主、备份电源和惯性测量单元组件之间采用非主即备的设计方案，采用超小型磁保持继电器作为二次电源切换器件，通过指令完成主、备份电源和惯性测量单元组件之间的切换。本发明减少了继电器和指令的需求数量，降低了电路体积，并且具有小型化、操作灵活、各通道陀螺仪和加速度计独立加断电、产品断电后不改变原供电状态的优点，满足惯性导航系统对惯性测量单元产品冗余设计、可靠性设计和故障诊断的使用需求。

Description

一种轻小型惯性测量单元二次电源管理电路
技术领域
本发明属于惯性测量单元技术领域，涉及轻小型惯性测量单元二次电源管理电路。
背景技术
惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)主要由陀螺仪、加速度计、配套电路和结构件组成，是惯性导航系统的核心，它以自然存在的惯性参照系作为基准，是一种完全自主，不受时间、地域限制，可以连续、实时提供载体完整运动信息的单机产品。近年来，以光纤陀螺仪、激光陀螺仪、半球谐振陀螺仪等新型陀螺仪和高精度加速度计组成的IMU产品已经在航空、航天、武器装备等领域得到成熟应用，大幅度提高了惯性导航系统的性能。在深空探测、载人航天等一些特殊领域，为了提高系统的可靠性，往往对IMU产品提出整机备份、电源备份或组件备份的使用需求。惯性导航系统一般为IMU提供一次电源，由IMU电源电路转换为二次电源供陀螺仪或加速度计使用。在IMU采用主、备份电源为IMU组件(陀螺仪、加速度计)供电的方案中，电源管理电路负责主、备份电源和IMU组件之间的电源管理，是IMU产品的重要组成部分。惯性导航系统通过IMU电源管理电路可以选择主份电源或备份电源向IMU组件供电，以及控制IMU组件中陀螺仪或加速度计的加断电操作，实现对各通道陀螺仪或加速度计的独立控制与灵活切换。电源管理电路不仅是IMU产品小型化设计的重要部分，还是IMU整机冗余设计和可靠性设计的关键环节。
电源管理电路为了实现主、备份电源和IMU组件之间的二次电源可靠切换，通常采用两种设计方案：一是采用大电流电磁继电器作为切换器件，但电磁继电器一般体积比较大，不利于产品轻小型设计；二是采用大功率二极管设计供电或电路，主、备份电源只要有1路加电即可对IMU组件供电，但是二极管普遍存在压降，不利对电压要求较高的负载电路。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种轻小型惯性测量单元二次电源管理电路，主、备份电源和IMU组件之间采用非主即备的设计方案，采用超小型磁保持继电器作为二次电源切换器件，通过指令完成主、备份电源和IMU组件之间的切换，可满足轻小型、高可靠IMU产品主、备份二次电源管理需求。
本发明的技术解决方案是：
一种轻小型惯性测量单元二次电源管理电路，包括一个控制器和两组磁保持继电器组，每组磁保持继电器组包括N个双刀双掷磁保持继电器，N为IMU组件中陀螺仪或加速度计的个数；
第一组的第i个双刀双掷磁保持继电器的两个动触点记为Li1和Li2，与Li1通过闸刀连通的两个静触点记为Li11和Li12，与Li2通过闸刀连通的两个静触点记为Li21和Li22；
第一组的第i个双刀双掷磁保持继电器的静触点Li11接主份电源电路输出的陀螺仪二次电源+VG_A，Li21接主份电源电路输出的陀螺仪二次电源-VG_A，Li12接备份电源电路输出的陀螺仪二次电源+VG_B，Li22接备份电源电路输出的陀螺仪二次电源-VG_B；i＝1，2，……，N；
第二组的第j个双刀双掷磁保持继电器的两个动触点记为Kj1和Kj2，与Kj1通过闸刀连通的两个静触点记为Kj11和Kj12，与Kj2通过闸刀连通的两个静触点记为Kj21和Kj22；
第二组的第j个双刀双掷磁保持继电器的静触点Kj11接主份电源电路输出的加速度计二次电源+VA_A，Kj21接主份电源电路输出的加速度计二次电源-VA_A，Kj12接备份电源电路输出的加速度计二次电源+VA_B，Kj22接备份电源电路输出的加速度计二次电源-VA_B；j＝1，2，……，N；
控制器中存储有OC指令，所述OC指令用于控制磁保持继电器中每个闸刀的闭合方向；控制器通过控制闸刀闭合方向控制两组磁保持继电器组同时将主份电源电路输出的陀螺仪二次电源和加速度计二次电源输出给IMU组件，或同时将备份电源电路输出的陀螺仪二次电源和加速度计二次电源输出给IMU组件，即实现非主即备的供电模式。
控制器中存储有4N条OC指令，两组磁保持继电器组共2N个磁保持继电器，4N个闸刀，所述OC指令与闸刀一一对应，用于控制闸刀的闭合方向。
所述双刀双掷磁保持继电器为超小型磁保持继电器，采用圆形电路封装，直径小于等于9.4mm。
所述双刀双掷磁保持继电器共10个引脚，其中5脚为继电器开线圈正端、6脚为继电器开线圈负端、10脚为继电器关线圈正端、1脚为继电器关线圈负端，当继电器开线圈两端的电压大于继电器开线圈吸合电压、并且电压持续时间大于继电器开线圈吸合时间时，继电器的2脚与4脚相连，8脚与9脚相连；当继电器关线圈两端的电压大于继电器关线圈吸合电压、并且电压持续时间大于继电器关线圈吸合时间时，继电器的3脚与4脚相连，7脚与9脚相连。
主份电源电路、备份电源电路的输入相同，均为一次电源正和一次电源负。
主份电源电路输出的陀螺仪二次电源+VG_A、-VG_A与备份电源电路输出的陀螺仪二次电源+VG_B、-VG_B采用相同的地信号GNDG；主份电源电路输出的陀螺仪二次电源+VA_A、-VA_A与备份电源电路输出的陀螺仪二次电源+VA_B、-VA_B采用相同的地信号GNDA。
本发明与现有技术相比的优点在于：陀螺仪和加速度计的二次电源采用非主即备的供电方案，有效减少了继电器和OC指令的需求数量，降低了电路体积。此外，利用超小型磁保持继电器体积小、脉冲触发动作的特点，IMU电源管理电路实现了小型化、操作灵活、产品断电后不改变原供电状态的特性，既减少了继电器的动作次数，还延长了继电器的使用寿命，既使对电压要求较高的负载电路也同样适用。实现了IMU电源电路冷备份功能和各通道陀螺仪和加速度计独立加断电功能，满足惯性导航系统对IMU产品冗余设计、可靠性设计和故障诊断的使用需求。
附图说明
图1为本发明框图。
图2为双刀双掷磁保持继电器示意图。
具体实施方式
本发明框图如图1所示。
主份电源电路、备份电源电路的输入为一次电源正和一次电源负，主份电源电路输出陀螺仪二次电源+VG_A、-VG_A，以及加速度计二次电源+VA_A、-VA_A，备份电源电路输出加速度计二次电源+VG_B、-VG_B，以及加速度计二次电源+VA_B、-VA_B。
实施例：
以4通道陀螺仪和4通道加速度计组成的IMU产品为例。
二次电源管理电路由两组共8个超小型双刀双掷磁保持继电器和16条指令组成。8个磁保持继电器的输入分别为主份电源电路和备份电源电路中的二次电源输出，输出分别连接IMU组件中四通道陀螺仪和四通道加速度计。16条指令用于控制8个磁保持继电器的二次电源在主份电源电路和备份电源电路之间切换，采用非主即备的供电模式。
如图1所示，第一组的第1个双刀双掷磁保持继电器的两个动触点记为L11和L12，与L11通过闸刀连通的两个静触点记为L111和L112，与L12通过闸刀连通的两个静触点记为L121和L122。
第一组的第1个双刀双掷磁保持继电器的静触点L111接主份电源电路输出的陀螺仪二次电源-VG_A，L121接主份电源电路输出的陀螺仪二次电源+VG_A，L112接备份电源电路输出的陀螺仪二次电源+VG_B，L122接备份电源电路输出的陀螺仪二次电源-VG_B。以下类推。
第二组的第1个双刀双掷磁保持继电器的两个动触点记为K11和K12，与K11通过闸刀连通的两个静触点记为K111和K112，与K12通过闸刀连通的两个静触点记为K121和K122；
第二组的第1个双刀双掷磁保持继电器的静触点K111接主份电源电路输出的加速度计二次电源+VA_A，K121接主份电源电路输出的加速度计二次电源-VA_A，K112接备份电源电路输出的加速度计二次电源+VA_B，K122接备份电源电路输出的加速度计二次电源-VA_B。以下类推。
电源管理电路二次电源输出+VG-G1、-VG-G1表示陀螺仪1的二次电源，+VG-G2、-VG-G2表示陀螺仪2的二次电源，+VG-G3、-VG-G3表示陀螺仪3的二次电源，+VG-G4、-VG-G4表示陀螺仪4的二次电源，+VA-A1、-VA-A1表示加速度计1的二次电源，+VA-A2、-VA-A2表示加速度计2的二次电源，+VA-A3、-VA-A3表示加速度计3的二次电源，+VA-A4、-VA-A4表示加速度计4的二次电源。
I0～I15分别代表电源管理电路的16条输入指令，其中I0、I2、I4、I6、I8、I10、I12、I14共8条偶数指令有效时，此时IMU组件中响应通道陀螺仪或加速度计由主份电源供电，当I1、I3、I5、I7、I9、I11、I13、I15共8条奇数指令有效时，此时IMU组件中响应通道陀螺仪或加速度计由备份电源供电。
IMU组件由四通道陀螺仪和四通道加速度计组成，输入为电源管理电路输出的四路陀螺仪二次电源和四路加速度计二次电源。
图2中K1为双刀双掷磁保持继电器，D1、D2、D3、D4为二极管，双刀双掷磁保持继电器共10个引脚，其中5脚为继电器开线圈正端、6脚为继电器开线圈负端、10脚为继电器关线圈正端、1脚为继电器关线圈负端。当I0指令与GND之间的电压大于K1继电器开线圈ON吸合电压、并且电压持续时间大于继电器开线圈ON吸合时间时，继电器的2脚与4脚相连，8脚与9脚相连；当I1指令与GND之间的电压大于K1继电器关线圈OFF吸合电压、并且电压持续时间大于继电器关线圈OFF吸合时间时，继电器的3脚与4脚相连，7脚与9脚相连。
本发明中，控制器也可通过控制闸刀闭合方向控制IMU组件中单个陀螺仪选择主份电源电路输出的陀螺仪二次电源或备份电源电路输出的陀螺仪二次电源(即可以实现非主即备)，或者控制IMU组件中单个加速度计选择主份电源电路输出的加速度计二次电源或者备份电源电路输出的加速度计二次电源(即可以实现非主即备)，实现对各通道陀螺仪或加速度计的独立加断电控制。
本发明适用于四通道陀螺仪和四通道加速度计组成的惯性测量单元产品，还适用于同类型结构惯性测量单元产品。
本发明减少了继电器和指令的需求数量，降低了电路体积，并且具有小型化、操作灵活、各通道陀螺仪和加速度计独立加断电、产品断电后不改变原供电状态的优点，满足惯性导航系统对惯性测量单元产品冗余设计、可靠性设计和故障诊断的使用需求。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种轻小型惯性测量单元二次电源管理电路，其特征在于：包括一个控制器和两组磁保持继电器组，每组磁保持继电器组包括N个双刀双掷磁保持继电器，N为IMU组件中陀螺仪或加速度计的个数；
第一组的第i个双刀双掷磁保持继电器的两个动触点记为Li1和Li2，与Li1通过闸刀连通的两个静触点记为Li11和Li12，与Li2通过闸刀连通的两个静触点记为Li21和Li22；
第一组的第i个双刀双掷磁保持继电器的静触点Li11接主份电源电路输出的陀螺仪二次电源+VG_A，Li21接主份电源电路输出的陀螺仪二次电源-VG_A，Li12接备份电源电路输出的陀螺仪二次电源+VG_B，Li22接备份电源电路输出的陀螺仪二次电源-VG_B；i＝1，2，……，N；
第二组的第j个双刀双掷磁保持继电器的两个动触点记为Kj1和Kj2，与Kj1通过闸刀连通的两个静触点记为Kj11和Kj12，与Kj2通过闸刀连通的两个静触点记为Kj21和Kj22；
第二组的第j个双刀双掷磁保持继电器的静触点Kj11接主份电源电路输出的加速度计二次电源+VA_A，Kj21接主份电源电路输出的加速度计二次电源-VA_A，Kj12接备份电源电路输出的加速度计二次电源+VA_B，Kj22接备份电源电路输出的加速度计二次电源-VA_B；j＝1，2，……，N；
控制器中存储有OC指令，所述OC指令用于控制磁保持继电器中每个闸刀的闭合方向；控制器通过控制闸刀闭合方向控制两组磁保持继电器组同时将主份电源电路输出的陀螺仪二次电源和加速度计二次电源输出给IMU组件，或同时将备份电源电路输出的陀螺仪二次电源和加速度计二次电源输出给IMU组件，即实现非主即备的供电模式。
2.根据权利要求1所述的一种轻小型惯性测量单元二次电源管理电路，其特征在于：控制器中存储有4N条OC指令，两组磁保持继电器组共2N个磁保持继电器，4N个闸刀，所述OC指令与闸刀一一对应，用于控制闸刀的闭合方向。
3.根据权利要求1所述的一种轻小型惯性测量单元二次电源管理电路，其特征在于：所述双刀双掷磁保持继电器为超小型磁保持继电器，采用圆形电路封装，直径小于等于9.4mm。
4.根据权利要求3所述的一种轻小型惯性测量单元二次电源管理电路，其特征在于：所述双刀双掷磁保持继电器共10个引脚，其中5脚为继电器开线圈正端、6脚为继电器开线圈负端、10脚为继电器关线圈正端、1脚为继电器关线圈负端，当继电器开线圈两端的电压大于继电器开线圈吸合电压、并且电压持续时间大于继电器开线圈吸合时间时，继电器的2脚与4脚相连，8脚与9脚相连；当继电器关线圈两端的电压大于继电器关线圈吸合电压、并且电压持续时间大于继电器关线圈吸合时间时，继电器的3脚与4脚相连，7脚与9脚相连。
5.根据权利要求1所述的一种轻小型惯性测量单元二次电源管理电路，其特征在于：主份电源电路、备份电源电路的输入相同，均为一次电源正和一次电源负。
6.根据权利要求1所述的一种轻小型惯性测量单元二次电源管理电路，其特征在于：主份电源电路输出的陀螺仪二次电源+VG_A、-VG_A与备份电源电路输出的陀螺仪二次电源+VG_B、-VG_B采用相同的地信号GNDG；主份电源电路输出的陀螺仪二次电源+VA_A、-VA_A与备份电源电路输出的陀螺仪二次电源+VA_B、-VA_B采用相同的地信号GNDA。
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