CN202304840U - 挠性陀螺再平衡回路板 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种与挠性陀螺表头相配套的陀螺再平衡回路板。它包括：信号预处理模块：包括带通滤波器、相敏解调器和陷波器；解耦、校正模块：解耦电路包括积分器与加法器，校正电路设计了超前校正电路，提供足够的幅值、相位裕量；加矩模块：校正后的电压信号不能直接驱动陀螺仪力矩器，加矩模块将其转换为电流，并实现功率放大；陀螺信号输出模块：流经力矩器的电流经过采样电阻转换成与角速度成正比的电压信号，再经过二阶低通滤波器输出；陀螺电源电路：采用CPLD来产生三相激磁方波，对它进行功率放大后驱动陀螺电机旋转。CPLD还控制4.8kHz的正弦波的产生。它性能稳定，调试方便。

Description

挠性陀螺再平衡回路板

技术领域

本实用新型涉及一种与挠性陀螺表头相配套的陀螺再平衡回路板。

背景技术

陀螺仪是惯导系统中最重要的测量元件，它敏感着载体的角速率。捷联式惯导系统所用挠性陀螺仪的关键就是运用再平衡力矩来连续不断地恢复陀螺转子轴的位置。当挠性陀螺仪在感受外来角速度作用时，会产生与角速度成正比的电信号。通常这个微弱的电信号(直流或交流)是毫伏级的，无法直接加在力矩器线圈上，这就需要在陀螺仪的信号器与力矩器之间，设计一个再平衡回路，以获得足够大的再平衡力矩。由于陀螺仪输入角速度直接由流经力矩器的电流所反映，因此，再平衡回路性能的好坏就直接关系到捷联系统的性能。

原技术采用的是模拟分立式元器件，涉及元器件种类、数量都比较多，调试不方便，可靠性不高，一旦出现问题不好维护。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本实用新型提供一种挠性陀螺再平衡回路板，它采用模块化设计，性能稳定，调试方便。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：它包括：

信号预处理模块：包括带通滤波器、相敏解调器和陷波器；带通滤波器用于滤掉陀螺信号以外的噪声信号；相敏解调器由模拟开关和低通滤波器组成，相敏解调器从信号器输出信号取样，使其输出变为全波整流信号，后经低通滤波器得到全波相敏解调的输出；陷波器用于对信号器输出的偏角信号的一倍转子频率进行陷波；

解耦、校正模块：解耦模块包括积分器与加法器，适应不同参数的陀螺仪，消除轴间耦合；校正模块设计了超前校正模块，以保证回路稳定，并满足动态性能，提供足够的幅值、相位裕量；

加矩模块：校正后的电压信号不能直接驱动陀螺仪力矩器，加矩模块将其转换为电流，并实现功率放大；

陀螺信号输出模块：流经力矩器的电流经过采样电阻转换成与角速度成正比的电压信号，再经过二阶低通滤波器输出，同时这个低通滤波器还具有减法器作用，输出信号与基准电压相减可以调整零位偏差值，使其达到要求的零位值；

陀螺电源模块：采用CPLD(可编程逻辑器件)来控制正弦波产生芯片(ML2035)产生4.8kHz的单相激磁信号，同时CPLD还产生500Hz的三相激磁方波，经过数字隔离器ADuM1200将其变换成双极性方波，再经过由三极管与MOS管组成的驱动电路来驱动陀螺电机。

本实用新型在高低温环境下都能达到性能指标，性能稳定，在调试电路板时也不需要知道陀螺仪的内部参数，可根据不同型号的陀螺稍加调整电路板的参数即可，为调试提供了方便，其电源的激磁频率也可根据需要调整，为挠性陀螺再平衡回路板的研制提供了新的思路。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1为本实用新型方块图；

图2为本实用新型带通滤波器原理图；

图3为本实用新型相敏解调电路原理图；

图4为本实用新型陷波器电路原理图；

图5为本实用新型解耦模块原理图；

图6为本实用新型校正模块原理图；

图7为本实用新型加矩模块原理图；

图8为本实用新型陀螺信号输出模块原理图；

图9为本实用新型单相激磁电路原理图；

图10为本实用新型电机A相激磁电路原理图。

具体实施方式

本实用新型的工作原理：

挠性陀螺仪的转子相对于其壳体只有几十角分的“自由度”，因此它必须借助于再平衡回路工作于锁定状态。这是因为当载体沿参考坐标系的一个轴作角运动时，挠性陀螺仪将围绕另一参考轴进动，且进动角随时间积累，恶化了陀螺仪的性能，为此必须将陀螺仪信号器产生的与陀螺仪进动角成比例的电压信号变换成电流信号通入力矩器，产生绕输出轴的力矩，迫使陀螺仪绕输入轴进动。当这一进动的角速度与输入角速度方向相同、大小相等时，动力调谐陀螺仪主轴达到新的平衡状态，由原来的静止平衡状态过渡到新的运动平衡状态，称这一平衡为再平衡，其力反馈回路称为“再平衡回路”。

挠性陀螺仪的再平衡回路组成框图如图1所示。

由于陀螺仪转子主轴的定轴性，陀螺壳体转动时，陀螺主轴相对于壳体会产生偏角。再平衡回路的目标是控制陀螺的转子偏角趋近于零。

陀螺仪的信号器用来检测主轴偏角，并将其转化为电压信号，基于控制系统反馈理论，可将偏角电压信号进行一定的控制调节，然后转换成电流信号通入陀螺仪力矩器，力矩器产生力矩使陀螺产生进动以跟随陀螺壳体的运动，这样可使陀螺闭环稳定，从而达到锁定状态。

为了提高信号器的灵敏度和线性度，挠性陀螺仪内部的信号器采用差动方式输出，并将偏角信号调制在4.8kHz的单相激磁信号上，陀螺工作时转子偏角很小，一般只有几个角分，信号器输出电压信号十分微弱，因此在陀螺仪内部用一个仪表放大器来提高信号电平，减小共模信号干扰。

然后输出的信号通过中心频率为4.8kHz的带通滤波器，可抑制杂波干扰并进行一定的放大，接着利用相敏解调电路将陀螺转子的偏角信号解调出来。

陀螺转子由三相磁滞同步电机驱动，陀螺电机会在陀螺壳体产生特定频率的旋转磁场，信号器感应到这一磁场信号，从而产生误差输出，此误差信号频率固定分别为一倍转子频率和陀螺章动频率。因此，需要设计两级陷波器将误差信号衰减。

挠性陀螺仪特殊的机械结构导致两轴间存在交叉耦合，这种耦合将给系统带来很大的误差，因此设计了解耦电路消除轴间耦合。为了使系统具有一定的动静态指标，回路设计了校正电路以保证回路的稳定，满足动态性能，并提供足够的幅值、相位裕量。校正后的电压信号不能直接驱动陀螺力矩器，这就要求对此信号进行功率放大实现对力矩器的电流控制。力矩器产生使转子反方向的偏角，从而使陀螺稳定工作在零偏角或偏角很小的稳定状态。

带通滤波器

陀螺仪输出的偏角信号被信号器调制在4.8KHz的正弦激磁信号上，为了防止噪声干扰，使系统能够更好的复现输入信号的规律，在电路中设计一个带通滤波器，以滤掉陀螺信号以外的噪声信号。其电路如图2所示。

相敏解调电路

通过带通滤波器以后的信号是调制在激磁信号上的偏角信号，为了获得偏角信号，需要将这一信号进行解调，将这一偏角信号恢复。

相敏解调电路由模拟开关和低通滤波器组成。其电路如图3所示。相敏解调器从信号器输出信号取样，基准信号f_FB控制模拟开关实现同步解调，使其输出变为全波整流信号。后经低通滤波器便可得到全波相敏解调的输出。这里采用CPLD来产生基准信号f_FB。

陀螺信号经过放大器、带通滤波器之后，会产生附加相移，陀螺信号器本身也会引入一定的相移，因此需要在CPLD的程序中实现移相的功能，使解调信号与陀螺信号具有相同的相位。

陷波器(带阻滤波器)

由于陀螺仪本身的结构特点所致，信号器输出的偏角信号会被频率为1倍转子频率的交流信号所调制，而且幅值比较大，直接影响系统的动态性能和测试精度。此陷波器的Q值可调，可根据需要调节电位器RP11与RP12来调整其Q值，从而达到最佳的滤波效果。电路如图4所示。在电路中设计了两级陷波器，其中，一级陷波器为1倍转子频率陷波器，其中心频率为250Hz；二级陷波器为章动陷波器，其中心频率为陀螺的固有频率，一般陀螺仪的章动频率为一倍转子频率的1.7～1.9倍，因而对二倍转子频率的干扰成份也有抑制作用。

解耦、校正模块

陀螺仪机械结构导致两轴间存在交叉耦合，这种耦合将给回路系统带来很大的误差，通过解耦电路可以消除轴间耦合，因此设计了解耦电路来消除轴间耦合，解耦矩阵为：

$D\left(s\right)=\left(\begin{array}{cc}{D}_{11}\left(s\right)& D_{12}\left(s\right)\\ D_{21}\left(s\right)& D_{22}\left(s\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}1& \frac{J}{\mathrm{Js}}\\ \frac{-H}{\mathrm{Js}}& 1\end{array}\right)$

其中，J/H＝(RP13/R125)*R127*C115，RP13为可调电阻。

解耦电路包括积分器与加法器。积分参数需要根据挠性陀螺仪内部参数来确定，但是陀螺内部参数很难测定，因此设计了参数可调整的积分器，通过调节RP13可以在很大的范围内调整积分参数，这样此电路就能够适应不同参数的陀螺仪。解耦电路如图5所示。

为了使系统具有一定的动静态指标，设计了超前校正电路以保证回路稳定，并满足动态性能，提供足够的幅值、相位裕量。校正参数可通过电位器RP16调整，而调节RP15可以改变系统增益，如图6所示。

此电路的传递函数为

$K\left(s\right)=\frac{12(0.0457s+1)}{0.002s+1}$

加矩模块

校正后的电压信号不能直接驱动陀螺仪力矩器，必须将其转换为电流，并且要进行必要的功率放大，所以有必要加入功率放大电路，如图7所示。

加矩方式采用模拟施矩法。采用此方法，流经力矩器的电流是连续变化的缓变直流量。其主要优点是线路简单、可靠，体积小，较适合于对体积、功耗、可靠性要求极为苛刻的场合。

陀螺信号输出模块

流经力矩器的电流经过采样电阻转换成与角速度成正比的电压信号，再经过二阶低通滤波器输出。经过低通滤波后，陀螺输出的零位稳定性有了很大改善。同时这个滤波器还具有减法器作用，输出信号与基准电压X_offset相减可以调整零位偏差值，使其达到要求的零位值。如图8所示。

陀螺电源模块

采用CPLD来控制ML2035产生4.8kHz的单相激磁信号，ML2035是集成的正弦波产生芯片，具有外围电路少，体积小，控制方便等优点，但是其输出有一些高频毛刺，需要在其输出加上低通滤波电路会消除这些高频毛刺。

CPLD还产生500Hz的三相激磁方波，经过ADuM1200将其变换成双极性方波，再经过由三极管与MOS管组成的驱动电路来驱动陀螺电机旋转。如图9、10所示。

Claims (1)

1.一种挠性陀螺再平衡回路板，其特征在于：它包括：

信号预处理模块：包括带通滤波器、相敏解调器和陷波器；带通滤波器用于滤掉陀螺信号以外的噪声信号；相敏解调器由模拟开关和低通滤波器组成，相敏解调器从信号器输出信号取样，使其输出变为全波整流信号，后经低通滤波器得到全波相敏解调的输出；陷波器用于对信号器输出的偏角信号进行陷波；

解耦、校正模块：解耦电路包括积分器与加法器，适应不同参数的陀螺仪，消除轴间耦合；校正电路设计了超前校正电路，以保证回路稳定，并满足动态性能，提供足够的幅值、相位裕量；

加矩模块：校正后的电压信号不能直接驱动陀螺仪力矩器，加矩模块将其转换为电流，并实现功率放大；

陀螺信号输出模块：流经力矩器的电流经过采样电阻转换成与角速度成正比的电压信号，再经过二阶低通滤波器输出，经过低通滤波后，同时这个滤波器还具有减法器作用，输出信号与基准电压相减可以调整零位偏差值，使其达到要求的零位值；

和陀螺电源电路：采用CPLD来控制集成正弦波产生芯片产生4.8kHz的单相激磁信号，CPLD还产生500Hz的三相激磁方波，经过数字隔离器ADuM1200将其变换成双极性方波，再经过由三极管与MOS管组成的驱动电路来驱动陀螺电机。

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