CN204788410U - 一种新型陀螺组合 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种新型陀螺组合，包括陀螺仪、陀螺仪电机电源、陀螺仪激磁电源、定时控制电路、力反馈电路和输出放大电路；其中力反馈电路包括交流放大器、解调器、滤波电路、校正电路和功放电路；所述滤波电路包括二阶低通滤波电路和陷波器；二阶低通滤波电路的输入端作为滤波电路的输入端，与力反馈电路的解调器的输出端相连，二阶低通滤波电路的输出端与陷波器的输入端连接，陷波器的输出端作为滤波电路的输出端。该新型陀螺组合带宽大于100Hz且噪声小于50mV，具有高带宽、低噪声的优点。

Description

一种新型陀螺组合

技术领域

本实用新型属于飞行控制领域，尤其涉及一种新型陀螺组合。

背景技术

陀螺组合与系统计算机组成的捷联式惯性导航控制系统，是目前世界上普遍采用的惯性制导系统。陀螺组合是完成姿态测量的关键部件，可以由挠性陀螺仪、光纤陀螺仪、激光陀螺仪、液浮陀螺仪、微机械陀螺仪等惯性测量器件组成。陀螺组合可以实时测量载体的角速率，并可以配合加速度计，测量载体的加速度，与导航计算机及解算软件组成完整的惯性导航系统。目前已广泛应用于各种导弹、航空炸弹、无人机、测井、红外成像仪、高炮瞄稳仪等领域。

现有的陀螺组合主要是由陀螺仪、陀螺仪电机电源、陀螺仪激磁电源、定时控制电路、力反馈电路和输出放大电路等组成。二次电源给电路板供电±15V，陀螺仪电机电源产生12V400Hz的三相方波电压供给陀螺仪驱动电机；陀螺仪激磁电源产生7V16kHz正弦信号供给陀螺仪信号器；陀螺仪在三相电压和激磁电压以及±15V电源下工作，敏感载体变化并输出电压信号给力反馈控制电路；力反馈控制电路对陀螺仪信号进行解调和滤波放大后通过定时控制电路控制输出给陀螺仪力矩器形成闭环回路；采样信号经放大电路放大后输出给上位机。

力反馈电路包括交流放大器、解调器、滤波电路、校正电路和功放电路等。输出信号输入到力反馈电路后，先进行交流放大，反向，再进行相敏解调；解调后的直流信号经过二阶低通滤波和陷波器滤波进行降噪和带宽控制，然后经过校正电路提高信号输出线性度，最后经过功放放大后进入陀螺仪力矩器形成闭环。

但是现有的陀螺组合的带宽越大，噪声越大。这是由于噪声的降低主要靠增加力反馈电路中滤波电路的电容量，而带宽拓展主要靠减小力反馈电路中滤波电路的电容量，噪声与带宽是一对相互制约的矛盾体，当现有的陀螺组合带宽达到90Hz时，噪声已经达到80mV左右。因此有必要开发噪声与带宽兼顾的陀螺组合。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述不足，本实用新型所解决的问题在于，提供一种带宽大于100Hz且噪声小于50mV的新型陀螺组合，用于解决现有技术缺乏噪声与带宽兼顾的陀螺组合的缺陷。

为解决上述技术问题，实现实用新型目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种新型陀螺组合，包括陀螺仪、陀螺仪电机电源、陀螺仪激磁电源、定时控制电路、力反馈电路和输出放大电路；其中力反馈电路包括交流放大器、解调器、滤波电路、校正电路和功放电路；所述滤波电路包括二阶低通滤波电路和陷波器；二阶低通滤波电路的输入端作为滤波电路的输入端，与力反馈电路的解调器的输出端相连，二阶低通滤波电路的输出端与陷波器的输入端连接，陷波器的输出端作为滤波电路的输出端。

进一步，所述二阶低通滤波电路包括第一运算放大器，第一电阻(R1)，第二电阻(R2)，第三电阻(R3)，第一电容(C1)以及第二电容(C2)；第一运算放大器的输出端作为二阶低通滤波电路的输出端；第一电阻(R1)和第三电阻(R3)串联在第一运算放大器的反相端和所述力反馈电路的解调器的输出端之间；第二电阻(R2)的一端与第一电阻(R1)和第三电阻(R3)之间的节点连接，另一端连接至第一运算放大器的输出端；第一电容(C1)的一端与第一电阻(R1)和第三电阻(R3)之间的节点连接，另一端与地线连接；第二电容(C2)一端连接至第一运算放大器的反相端，另一端连接至第一运算放大器的输出端；第一运算放大器的同相端接地。

进一步，所述第一电阻(R1)，第二电阻(R2)和第三电阻(R3)的阻值分别为3KΩ，11KΩ，2KΩ；所述第一电容(C1)和第二电容(C2)的容值分别为0.1μF，0.01μF。

进一步，所述陷波器包括第二运算放大器，第四电阻(R4)，第五电阻(R5)，第六电阻(R6)，第三电容(C3)，第四电容(C4)，第五电容(C5)和第六电容(C6)；第二运算放大器的输出端作为陷波器的输出端；第二运算放大器的反相端与输出端连接；第四电阻(R4)和第五电阻(R5)串联在第二运算放大器的同相端与所述二阶低通滤波电路的输出端之间；第四电容(C4)和第五电容(C5)串联在第二运算放大器的同相端与二阶低通滤波电路的输出端之间；第六电阻(R6)和第三电容(C3)串联形成串联支路，且串联支路一端与第四电容(C4)和第五电容(C5)之间的节点连接，另一端与第四电阻(R4)和第五电阻(R5)之间的节点连接，第六电阻(R6)和第三电容(C3)之间的节点连接至第二运算放大器的反相端；第二运算放大器的同相端通过第六电容(C6)接地。

进一步，所述第四电阻(R4)，第五电阻(R5)和第六电阻(R6)的阻值分别为120KΩ，120KΩ，60KΩ；所述第三电容(C3)，第四电容(C4)，第五电容(C5)和第六电容(C6)的容值分别为0.068μF，0.068μF，0.068μF，0.1μF。

相比于现有技术，本实用新型具有如下优点：

本实用新型提供的新型陀螺组合，带宽大于100Hz且噪声小于50mV，具有高带宽、低噪声的优点，解决现有技术缺乏噪声与带宽兼顾的陀螺组合的缺陷。

附图说明

图1为信息陀螺组合的工作框图。

图2为采用时域法测试时，输入的直流阶跃电压信号。

图3为时域法中示波器测量输出波形。

图4为频率法波特图。

图5为二阶低通滤波电路图。

图6为陷波器的电路图。

图7为陷波器输出信号图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例：

1、结构组成

陀螺组合主要是由挠性陀螺仪(以下简称陀螺仪)、陀螺仪电机电源、陀螺仪激磁电源、定时控制电路、力反馈电路和输出放大电路等组成。力反馈电路包括交流放大器、解调器、滤波电路、校正电路和功放电路。

2、工作原理

陀螺仪力矩器、陀螺仪三相电机都是陀螺仪内部结构中的一部分。陀螺组合工作在捷联状态时，陀螺组合前端的陀螺仪信号器的输出信号输给力反馈电路的交流放大器，而陀螺仪力矩器与力反馈电路中功放电路的功放管、取样电阻串联接地。因此，陀螺仪与力反馈电路共同组成了一个闭环的放大回路，原理框图见图1。

陀螺组合中的工作电压为正负直流电压，当陀螺组合加上直流电压后，由陀螺仪电机电源通过驱动晶振产生一个精度相当高的稳定频率信号，然后根据陀螺仪三相电压即陀螺仪三相电机需要的工作电压)和激磁信号(即陀螺仪激磁电源需要的电压)所需要的频率进行分频放大，把陀螺仪三相电压输给陀螺仪三相电机，当陀螺仪三相电机加上陀螺仪三相电压后，陀螺仪三相电机开始转动。几秒钟后，定时电路控制将激磁电压加在陀螺仪信号器和力反馈电路上，激磁电压降压后作为力反馈电路中解调器的控制信号，陀螺仪信号器的信号经前放后输给出力反馈电路的交流放大器。解调器和滤波电路把交流电压变成直流电压，通过陀螺仪力矩器、功放管与取样电阻相连接地，使陀螺组合工作在捷联状态。输出电路把取样电阻上的取样电压进行放大处理。

当载体围绕陀螺仪X(Y)轴旋转时，陀螺组合就会输出一个与之成正比例的直流电压信号。在同样速率下，陀螺组合输出直流电压信号的大小用梯度来表示，梯度的大小用输出放大器或取样电阻来调整。

3、带宽设计

带宽是描述放大电路对不同频率正弦信号放大的能力，测试方法分为频域法和时域法。

时域法：

用阶跃函数作为力反馈电路的交流放大器的输入，考察输出信号前沿与顶部的变化，来研究电路的放大性能，这种方法成为时域法。所谓阶跃函数，就是在时间t小于0时，电压幅值等于0；时间t≥0时，电压幅值为常量的信号。阶跃函数是在时间t＝0时刻产生单位突变的信号，由于电路中电容(如耦合电容、极间电容等)上的电压不会跃变，造成输出信号跟不上输入信号的变化，因而产生信号失真。

陀螺组合工作在捷联状态下时，给陀螺仪力矩器上加上一个直流阶跃电压(直流阶跃电压信号见图2，横坐标为时间，纵坐标为幅值)，用TDS2014型示波器测量输出波形(输出波形见图3，横坐标为时间，纵坐标为幅值)。并根据示波器的记忆波形读出A₀、A₁、T的数值。根据下面公式(1)和(2)计算出带宽F_n。

$d=\frac{1}{\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{\π}}{\ln \frac{A_0}{A_1}}\right)}^2}}---\left(1\right)$

$F_n=\frac{1}{T\sqrt{1-d^2}}---\left(2\right)$

d——阻尼比

F_n——带宽(单位：Hz)

A₀——陀螺仪初始输出与稳定后输出信号之差(单位：V)

A₁——陀螺仪第一次振荡的振幅(单位：V)

T——衰减振荡的周期(单位：s)

频域法：

输入信号幅值不变的情况下改变信号频率来考察输出信号幅值与相位的变化。

在研究放大电路的频率响应时，输入信号(即加在放大电路输入端的测试信号)的频率范围常常设置在几H_Z到上百兆赫，甚至更宽；而放大电路的放大倍数可从几倍到上百万倍；为了在同一坐标系中表示如此宽的变化范围，在画频率特性曲线时常采用对数坐标，成为波特图。波特图由对数幅频特性和对数相频特性两部分组成，它们的横轴采用对数刻度lgf，f为频率。幅频特性的纵轴采用20lgA_u表示，单位是分贝(dB)，相频特性的纵轴采用相角表示。示意图见图4。幅频特性计算公式：

$\left|{\stackrel{\·}{A}}_u\right|=\frac{1}{\sqrt{1+{\left(\frac{f}{f_H}\right)}^2}}---\left(3\right)$

$20\lg \left|{\stackrel{\·}{A}}_u\right|=-20\lg \sqrt{1+{\left(\frac{f}{f_H}\right)}^2}---\left(5\right)$

其中，A_u为响应时幅值，是对幅值求导数，|x|为绝对值运算，arctan(x)是反正切函数。f_H是指上限截止频率。由图4可知，当f＜f_H时，当f＝f_H时，f＞f_H时，表明f每上升10倍，增益下降20dB，即对数幅频特性在此区间可等效成斜率－20db/十倍频的直线。

通过分析得知：当信号频率等于下限截止频率f_L2Hz或者上限截止频率f_H90Hz时，放大电路增益下降3dB，且产生+45°或－45°相移。因此我们用TD1250频率响应分析仪测试从下限频率扫频到上限频率时，会产生90°相移，即时，对应频率即整个控制电路的带宽。

结合产品的工作状态近似于摇摆状态，使得产生的信号近似于正弦信号，因此我们选用频域法来测试控制电路的带宽。

5、噪声控制和带宽拓展

陀螺组合要求带宽不小于100Hz，噪声不大于50mV，按照常规线路来设计的话，在带宽保证90Hz的同时噪声已经达到80mV左右。由于噪声控制主要靠增加电路的电容量，而带宽拓展主要靠减小电路的电容量，因此噪声与带宽是一对相互制约的矛盾体，噪声控制和带宽拓展的平衡设计成为一大难题。

为了解决这一难题，经过大量的试验论证后，我们采用“一放一压”的方式进行滤波电路设计。所述滤波电路包括二阶低通滤波电路和陷波器；二阶低通滤波电路的输入端作为滤波电路的输入端，与力反馈电路的解调器的输出端相连，二阶低通滤波电路的输出端与陷波器的输入端连接，陷波器的输出端作为滤波电路的输出端。

首先“一放”：二阶低通减小滤波电容，放噪声，放带宽。

我们选择用二阶无限增益多路反馈低通滤波对解调后信号进行初步滤波，并通过减小滤波电容，将噪声控制在200mV以内，带宽150Hz附近。

如图5所示，所述二阶低通滤波电路包括第一运算放大器，第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，第一电容C1以及第二电容C2；第一运算放大器的输出端作为二阶低通滤波电路的输出端V0；第一电阻R1和第三电阻R3串联在第一运算放大器的反相端和所述力反馈电路的解调器的输出端V1之间；第二电阻R2的一端与第一电阻R1和第三电阻R3之间的节点连接，另一端连接至第一运算放大器的输出端；第一电容C1的一端与第一电阻R1和第三电阻R3之间的节点连接，另一端与地线连接；第二电容C2一端连接至第一运算放大器的反相端，另一端连接至第一运算放大器的输出端；第一运算放大器的同相端接地。参数的计算方法见公式(6)。

$\left\{\begin{array}{c}{R}_1=-\frac{R_2}{A_0}\\ R_2=\frac{a_1{C}_1-\sqrt{a_1^2{C_1}^2-{4C}_1{C}_2{b}_1(1-A_0)}}{4\mathrm{\π}\·f_c{C}_1{C}_2}\\ R_3=\frac{b_1}{{4\mathrm{\π}}^2{f}_c^2{C}_1{C}_2{R}_2}\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，R₁为第一电阻R1的阻值；R₂为第二电阻R2的阻值；R₃为第三电阻R3的阻值；C₁为第一电容C1的容值；C₂为第二电容C2的容值；对照巴特沃思对照表可知：b₁＝1,c₁＝0.1μF,c₂＝0.01μF；

为使R₂的值为实数，必须满足公式(7)

$C_1/C_2\≥\frac{{4b}_1(1-A_0)}{a_1^2}---\left(7\right)$

设定截止频率f_c为200Hz；A₀＝-10。则可满足公式(7)的条件，于是利用公式(6)可以计算出：

R₁≈2.806KΩ，R₂≈11.25KΩ，R₃≈2.25KΩ

把电阻取为标称值：

R₁＝3KΩ，R₂＝11KΩ，R₃＝2KΩ。

然后“一压”：用陷波器彻底压制噪声主要成分。

通过测量，噪声主要成分为陀螺马达谐振频率250Hz的近似正弦信号，因此陷波器陷波频率设定为250Hz。

如图6所示，所述陷波器包括第二运算放大器，第四电阻R4，第五电阻R5，第六电阻R6，第三电容C3，第四电容C4，第五电容C5和第六电容C6；第二运算放大器的输出端作为陷波器的输出端Vout；第二运算放大器的反相端与输出端连接；第四电阻R4和第五电阻R5串联在第二运算放大器的同相端与所述二阶低通滤波电路的输出端Vin之间；第四电容C4和第五电容C5串联在第二运算放大器的同相端与二阶低通滤波电路的输出端Vin之间；第六电阻R6和第三电容C3串联形成串联支路，且串联支路一端与第四电容C4和第五电容C5之间的节点连接，另一端与第四电阻R4和第五电阻R5之间的节点连接，第六电阻R6和第三电容C3之间的节点连接至第二运算放大器的反相端；第二运算放大器的同相端通过第六电容C6接地。计算方法见公式(8)，(9)，(10)。

陷波器是无限冲击响应(IIR)数字滤波器，该滤波器可以用以下常系数线性差分方程表示：

$y\left(n\right)=\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i}x(n-i)-\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i}y(n-i)---\left(8\right)$

式中：x(n)和y(n)分别为输人和输出信号序列；a_i和b_i为滤波器系数。M、N表示待定序列数。

对式(8)两边进行z变换，得到数字滤波器的传递函数为：

$H\left(z\right)=\frac{\underset{i=0}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{z}^{-i}}{\underset{i=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{b}_i{z}^{-i}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(z-z_i)}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(z-p_i)}---\left(9\right)$

式中：z_i和p_i分别为传递函数的零点和极点。

由传递函数的零点和极点可以大致绘出频率响应图。在零点处，频率响应出现极小值；在极点处，频率响应出现极大值。因此可以根据所需频率响应配置零点和极点，然后反向设计带陷数字滤波器。考虑一种特殊情况，若零点z_i在第1象限单位圆上，极点p_i在单位圆内靠近零点的径向上。为了防止滤波器系数出现复数，必须在z平面第4象限对称位置配置相应的共轭零点共轭极点

这样零点、极点配置的滤波器称为单一频率陷波器，在某一频率处出现凹陷。而把极点设置在零的的径向上距圆点的距离为l-μ处，陷波器的传递函数为：

$H\left(z\right)=\frac{(z-z_1)(z-z_2)}{(z-(1-\mathrm{\μ})z_1)(z-(1-\mathrm{\μ})z_2)}---\left(10\right)$

式(10)中μ越小，极点越靠近单位圆，则频率响应曲线凹陷越深，凹陷的宽度也越窄，示意图见图7。当需要消除窄带干扰而不能对其他频率有衰减时，陷波器是一种去除窄带干扰的理想数字滤波器。

根据陷波器的频率响应图，配制带宽在150HZ附近，噪声小于50mV的带陷数字滤波器，反向得出了图6所示的陷波器的电阻值和电容值：所述第四电阻R4，第五电阻R5和第六电阻R6的阻值分别为120KΩ，120KΩ，60KΩ；所述第三电容C3，第四电容C4，第五电容C5和第六电容C6的容值分别为0.068μF，0.068μF，0.068μF，0.1μF。这样，实施例提供的新型陀螺组合，带宽大于100Hz且噪声小于50mV，具有高带宽、低噪声的优点，解决现有技术缺乏噪声与带宽兼顾的陀螺组合的缺陷。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种新型陀螺组合，包括陀螺仪、陀螺仪电机电源、陀螺仪激磁电源、定时控制电路、力反馈电路和输出放大电路；其中力反馈电路包括交流放大器、解调器、滤波电路、校正电路和功放电路；其特征在于，所述滤波电路包括二阶低通滤波电路和陷波器；二阶低通滤波电路的输入端作为滤波电路的输入端，与力反馈电路的解调器的输出端相连，二阶低通滤波电路的输出端与陷波器的输入端连接，陷波器的输出端作为滤波电路的输出端。

2.如权利要求1所述的新型陀螺组合，其特征在于，所述二阶低通滤波电路包括第一运算放大器，第一电阻（R1），第二电阻（R2），第三电阻（R3），第一电容（C1）以及第二电容（C2）；第一运算放大器的输出端作为二阶低通滤波电路的输出端；第一电阻（R1）和第三电阻（R3）串联在第一运算放大器的反相端和所述力反馈电路的解调器的输出端之间；第二电阻（R2）的一端与第一电阻（R1）和第三电阻（R3）之间的节点连接，另一端连接至第一运算放大器的输出端；第一电容（C1）的一端与第一电阻（R1）和第三电阻（R3）之间的节点连接，另一端与地线连接；第二电容（C2）一端连接至第一运算放大器的反相端，另一端连接至第一运算放大器的输出端；第一运算放大器的同相端接地。

3.如权利要求2所述的新型陀螺组合，其特征在于，所述第一电阻（R1），第二电阻（R2）和第三电阻（R3）的阻值分别为3KΩ，11KΩ，2KΩ；所述第一电容（C1）和第二电容（C2）的容值分别为0.1μF，0.01μF。

4.如权利要求1所述的新型陀螺组合，其特征在于，所述陷波器包括第二运算放大器，第四电阻（R4），第五电阻（R5），第六电阻（R6），第三电容（C3），第四电容（C4），第五电容（C5）和第六电容（C6）；第二运算放大器的输出端作为陷波器的输出端；第二运算放大器的反相端与输出端连接；第四电阻（R4）和第五电阻（R5）串联在第二运算放大器的同相端与所述二阶低通滤波电路的输出端之间；第四电容（C4）和第五电容（C5）串联在第二运算放大器的同相端与二阶低通滤波电路的输出端之间；第六电阻（R6）和第三电容（C3）串联形成串联支路，且串联支路一端与第四电容（C4）和第五电容（C5）之间的节点连接，另一端与第四电阻（R4）和第五电阻（R5）之间的节点连接，第六电阻（R6）和第三电容（C3）之间的节点连接至第二运算放大器的反相端；第二运算放大器的同相端通过第六电容（C6）接地。

5.如权利要求4所述的新型陀螺组合，其特征在于，所述第四电阻（R4），第五电阻（R5）和第六电阻（R6）的阻值分别为120KΩ，120KΩ，60KΩ；所述第三电容（C3），第四电容（C4），第五电容（C5）和第六电容（C6）的容值分别为0.068μF，0.068μF，0.068μF，0.1μF。