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一種低成本撓性陀螺力平衡電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種低成本撓性陀螺力平衡電路，包括采集陀螺儀敏感外部角速度產(chǎn)生的敏感陀螺殼體與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角信號的信號器，信號器輸出一個經(jīng)高頻調(diào)制后的陀螺誤差信號，輸出至相敏解調(diào)電路，利用相敏解調(diào)電路將正弦交流調(diào)幅信號變換成與交流輸入信號的峰值成線性關(guān)系的直流輸出信號，經(jīng)陷波器濾除頻帶干擾信號后輸出至頻率相位校正環(huán)節(jié)，對該直流信號進行校正，再由功放電路進行功率放大產(chǎn)生電流輸出信號，加到陀螺力矩器上，使力矩器產(chǎn)生相應的力矩與陀螺力矩相平衡。相敏解調(diào)電路采用易采購常用器件替代專用集成芯片實現(xiàn)，簡潔實用，便于集成組裝，從而降低設(shè)計和生產(chǎn)成本。具有增益非線性小、增益穩(wěn)定性高的優(yōu)點。
【專利說明】一種低成本撓性陀螺力平衡電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種低成本撓性陀螺力平衡電路，屬于電路【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]再平衡技術(shù)是慣性導航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，通常按照對力矩器施加電流方式的不同，可分為模擬再平衡回路和數(shù)字脈沖再平衡回路。模擬再平衡回路中，流經(jīng)力矩器的是連續(xù)變化的直流電流量，為精確地測量力矩器電流，同時又便于與數(shù)字計算機相配合，一般采用精密電阻對電流信號進行采樣，再用V/F或A/D轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。數(shù)字脈沖再平衡回路對力矩器施加的則是幅值恒定的電流，將輸入的速度信息調(diào)制在電流方向和持續(xù)時間上。這樣作用的反饋力矩是脈沖力矩，因此稱這種方式為脈沖加矩。
[0003]從20世紀70年代開始，Teledyne公司一直致力于模擬再平衡技術(shù)的研究，研制具有代表的Teledyne模擬再平衡回路，其后主要在簡化線路、提高系統(tǒng)帶寬、實現(xiàn)高精度、提高噪聲抑制能力方面進行了改進研究。進入20世紀90年代以后，數(shù)字脈沖再平衡回路的主要研究方向在于使用現(xiàn)代控制方法設(shè)計回路控制器，提高再平衡回路的性能。數(shù)字脈沖再平衡回路以其加矩功率恒定和直接數(shù)字輸出的特點也倍受青睞，但需要復雜的軟件補償算法和各種現(xiàn)代控制算法，數(shù)字回路中電路的高頻噪聲、處理器計算時間的補償、采樣頻率的選擇以及數(shù)字輸出的線性化問題仍待解決。由此可知，模擬再平衡回路具有控制電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、體積小、容易實現(xiàn)高帶寬的特點，尤其適合于對體積功耗和可靠性要求苛刻的場合。
[0004]撓性陀螺是用于確定方位角的元件，是影響慣導精度的關(guān)鍵部分。單有撓性陀螺是不能感測方位的，撓性陀螺必須與力平衡電路構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)才能應用。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種低成本撓性陀螺力平衡電路，采用常用器件實現(xiàn)了增益非線性小、增益穩(wěn)定性高、低零位輸出。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供一種低成本撓性陀螺力平衡電路，其特征是，包括采集陀螺儀敏感外部角速度產(chǎn)生的敏感陀螺殼體與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角信號的信號器，所述信號器輸出一個經(jīng)高頻調(diào)制后的陀螺誤差信號，輸出至相敏解調(diào)電路，利用相敏解調(diào)電路將正弦交流調(diào)幅信號變換成與交流輸入信號的峰值成線性關(guān)系的直流輸出信號，經(jīng)陷波器濾除頻帶干擾信號后輸出至頻率相位校正環(huán)節(jié)，對該直流信號進行校正，再由功放電路進行功率放大產(chǎn)生電流輸出信號，加到陀螺力矩器上，使力矩器產(chǎn)生相應的力矩與陀螺力矩相平衡。
[0007]所述相敏解調(diào)電路包括比較器、模擬開關(guān)和兩個反向比例放大器；
[0008]所述信號器輸出的誤差信號依次經(jīng)兩個反向比例放大器后輸出頻率幅值相等、相位相反的兩路交流信號對應傳輸至模擬開關(guān)的兩個輸入端；
[0009]比較器根據(jù)解調(diào)基準信號輸出一邏輯控制信號至模擬開關(guān)邏輯控制端，控制模擬開關(guān)的導通與截止，分別選擇兩個反向比例放大器輸出的交流信號，并由所述模擬開關(guān)輸出端輸出全波相敏輸出信號。
[0010]所述比較器正向輸入端通過限流電阻連接解調(diào)基準信號，比較器負向輸入端接地，兩個微調(diào)端端接；比較器輸出端通過上拉電阻連接正電源，比較器發(fā)射級輸出端連接地，從而構(gòu)成集電OC門輸出同頻率、同相位方波信號；比較器輸出端同時連接穩(wěn)壓二極管。
[0011]陀螺信號器輸出的誤差信號首先經(jīng)過隔直電容濾除其直流分量。
[0012]還包含一濾除模擬開關(guān)輸出的全波相敏輸出信號紋波的低通濾波器。
[0013]本實用新型所達到的有益效果:
[0014]本實用新型所述的力平衡電路是撓性陀螺在穩(wěn)定的激勵信號下(加到差動傳感器上)，將信號傳感器所輸出的方位誤差信號進行放大處理，得出方位信號。同時，將處理后的信號按一定比例反饋到陀螺信號的力矩器上，使撓性陀螺處于零位，并對撓性陀螺一些誤差進行補償，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性。
[0015]1、與現(xiàn)有常見撓性陀螺表頭所相配伺服回路板相比，本電路采用SMT雙面陶瓷基板組裝，金屬管殼灌封工藝。具有集成度高、體積小、重量輕、低功耗、可靠性高、調(diào)試方便。
[0016]2、電路采用通用線性集成電路，特別是相敏解調(diào)電路采用易采購常用器件替代專用集成芯片實現(xiàn)，簡潔實用，便于集成組裝，從而降低設(shè)計和生產(chǎn)成本。
[0017]3、電路具有增益非線性小、增益穩(wěn)定性高的優(yōu)點。電路選用精密低噪聲運算放大器，且其小信號帶寬和功率帶寬足夠大，解決微弱信號容易受噪聲等干擾的影響的精度問題。選用穩(wěn)定性較好的集成電路和溫度系數(shù)較好的阻容元件保證增益穩(wěn)定性。
[0018]4、陷波器電路電阻采用厚膜集成電阻，使電路具有較好溫度一致性，減少溫度對中心頻率的影響。電路采用外接阻容器件以適用于不同陀螺參數(shù)匹配，有效降低電路體積，提高了電路的可靠性。
[0019]5、校正環(huán)節(jié)的選擇是力平衡技術(shù)值得研究的課題，國內(nèi)外不同廠家根據(jù)各自的需要，研制了各種阻容網(wǎng)絡(luò)形式，例如橋T網(wǎng)絡(luò)。本電路采用有源校正網(wǎng)絡(luò)，所用元件少、成本低、可靠性高，可根據(jù)需要外接阻容器件來滿足陀螺系統(tǒng)動態(tài)和靜態(tài)性能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是陀螺力平衡電路功能框圖；
[0021]圖2是相敏解調(diào)電路設(shè)計原理圖；
[0022]圖3是二階陷波器(帶阻濾波器)；
[0023]圖4是校正電路圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本實用新型的技術(shù)方案，而不能以此來限制本實用新型的保護范圍。
[0025]本實用新型的陀螺力平衡電路工作原理:
[0026]在陀螺儀系統(tǒng)中，當陀螺敏感外部角速度產(chǎn)生的敏感陀螺殼體與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角時，傳感器(信號器)與檢測電路所搭成的橋路失去平衡，輸出一個經(jīng)高頻調(diào)制后的誤差信號Λ u(信號器上加有高頻激磁電壓)，這個微弱的誤差信號通常是毫伏級交流信號，不能直接作為控制信號直接加在陀螺力矩器線圈上。因此需要對其進行解調(diào)，得到與其幅值成正比的直流信號，為消除陀螺儀轉(zhuǎn)子倍頻干擾和章動效應，在電路設(shè)計中增加帶阻濾波器(陷波器)，以濾除不需要的頻帶干擾信號。為了使陀螺儀獲得良好動態(tài)和靜態(tài)性能，需要增加頻率相位校正環(huán)節(jié)。校正環(huán)節(jié)輸出的信號驅(qū)動能力很差，電路后端必須經(jīng)過功率放大環(huán)節(jié)放大，才能產(chǎn)生足夠的電流輸出到力矩器，使力矩器產(chǎn)生相應的力矩，與陀螺力矩相平衡，從而形成閉環(huán)角速度敏感系統(tǒng)。
[0027]力平衡處理電路主要工作原理如圖1所示:陀螺誤差信號經(jīng)過前置高阻抗交流電壓放大后，信號進行相敏解調(diào)，輸出具有正負極性的直流誤差信號。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定的工作，再次對該直流信號進行相位網(wǎng)絡(luò)校正，最后功率放大，加到陀螺力矩器上，以獲得足夠大的再平衡力矩來確?；謴兔舾性D(zhuǎn)子軸的位置處于零位工作狀態(tài)。從而把陀螺拉回并鎖定在它的傳感器零位上，使系統(tǒng)達到再平衡。
[0028]本實用新型的陀螺力平衡電路的功能實現(xiàn):
[0029]陀螺信號器本質(zhì)為一個信號調(diào)制器，本電路以16kHZ的正弦信號為載波，并且載波信號幅值被陀螺偏角調(diào)制，該載波信號的包絡(luò)線即為實際陀螺信號調(diào)制還原。因此利用相敏解調(diào)電路將正弦交流調(diào)幅信號變換成與交流輸入信號的峰值成線性關(guān)系的直流輸出信號，恢復轉(zhuǎn)子偏角信息。現(xiàn)有陀螺儀通常采用國產(chǎn)集成電路LB8023/5或者AD公司生產(chǎn)AD598,價格比較貴，本電路設(shè)計的相敏解調(diào)電路采用比較器、模擬開關(guān)、運算放大器構(gòu)成。如圖2所示，比較器采用高速比較器，模擬開關(guān)是相敏解調(diào)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，采用四路單刀雙置導通電阻參數(shù)小的模擬開關(guān)。運算放大器采用高共模抑制比、低失調(diào)電壓的運算放大器。
[0030]比較器NI正向輸入端通過限流電阻R16連接解調(diào)基準信號，比較器NI負向輸入端接地，微調(diào)端(比較器NI的管腳5和管腳6)端接。比較器NI輸出端通過上拉電阻R17連接正電源V+，比較器NI發(fā)射級輸出端(管腳I)連接地，從而構(gòu)成集電OC門輸出同頻率、同相位方波信號，比較器NI輸出端(管腳7)連接穩(wěn)壓二極管，用于方波信號限幅，以滿足邏輯控制信號電平要求。
[0031]比較器NI輸出信號連接模擬開關(guān)N3邏輯控制端(管腳10和管腳15)，用于選通模擬開關(guān)N3輸入信號(管腳6和管腳8)。模擬開關(guān)N3在電源端(管腳11和管腳14)需連接高可靠濾波電容C15、C16，模擬開關(guān)N3輸出端(管腳5或管腳9)接小容值電容C6，用于濾除模擬開關(guān)切換產(chǎn)生的尖峰干擾。
[0032]陀螺信號器誤差輸入信號經(jīng)過隔直電容C5濾除其直流分量；電阻R18、R19、運算放大器N2B構(gòu)成反向比例放大器，交流放大比例系數(shù)Kl= 一 R19/R18。前置交流放大器增益Kl不宜過大，要求陀螺轉(zhuǎn)子剛好接觸限動器放大器輸出不飽和，通常設(shè)置增益Kl范圍5?
10。比例增益電阻R21、R22、運算放大器N2C構(gòu)成反向比例放大器，放大器增益K2= — R22/R21，此電路比例系數(shù)K2 =-1。此時運算放大器N2B和N2C輸出頻率幅值相等、相位相反的交流信號對應至模擬開關(guān)N2輸入端(管腳8和管腳6)，比較器NI輸出邏輯控制方波信號控制模擬開關(guān)的導通與截止，分別選擇運算放大器N2B和N2C輸出交流信號，此時模擬開關(guān)N2輸出(管腳5或管腳9)全波相敏輸出信號。
[0033]全波相敏輸出信號一般存在載波的倍頻紋波信號，本電路選用二階MFB低通濾波器將此紋波濾除。為了最大限度衰減采樣信號的噪聲，截止頻率應盡可能的低，但過低會影響系統(tǒng)帶寬。所以截止頻率設(shè)置應綜合帶寬和系統(tǒng)噪聲考慮來設(shè)置。其中二階MFB低通濾波器增益K3= - R4/R5，電阻R6可以改變?yōu)V波器截止頻率。
[0034]為消除陀螺儀轉(zhuǎn)子倍頻干擾和章動效應，電路采用二階陷波器(帶阻濾波器)，由運算放大器財8、電阻冊16、冊17、冊23、電容(:和CY組成。如圖3所示，電阻HR16、HR17、HR23采用厚膜電阻集成，使電路中電阻具有較好溫度一致性，從而減少溫度對中心頻率的影響。電容C采用外接，方便用戶靈活使用。電容CY為外接補償電容，用于微調(diào)，從而有效改善了撓性陀螺組件輸出特性。
[0035]校正環(huán)節(jié)的作用是改善陀螺儀的動態(tài)品質(zhì)，提高系統(tǒng)的帶寬和相對穩(wěn)定性。如圖4所示，校正環(huán)節(jié)由運算放大器N5C、電容C7、C8和電阻R27、R28網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成超前校正電路，電路簡單可靠。陀螺內(nèi)部參數(shù)很難測定且參數(shù)具有一定差異性，因此根據(jù)系統(tǒng)要求調(diào)整相應的外接阻容器件來適應不同參數(shù)的陀螺儀，以保證伺服回路的穩(wěn)定性和動態(tài)特性。電路設(shè)計中電阻R29、R30、R31、R32用于有源激光調(diào)整阻值，合理設(shè)置保證電路零點補償，從而保證電路低零位輸出。
[0036]為了降低電路的輸出零位，設(shè)計過程中對輸入信號首先進行隔直處理，以消除輸入信號中的直流成分對輸出零位的影響；選用具有低失調(diào)電壓和低失調(diào)電壓溫度系數(shù)的運算放大器構(gòu)成放大、反相、濾波和校正電路；后級電路設(shè)置零位調(diào)整電路，對輸出零位進行調(diào)整。
[0037]為提高電路增益非線性，構(gòu)成放大電路的運算放大器選用精密低噪聲運算放大器，且其小信號帶寬和功率帶寬都足夠大。通過加強濾波、合理布局布線降低噪聲和干擾對增益的影響。選用穩(wěn)定性較好的集成電路和溫度系數(shù)較好的阻容元件構(gòu)成電路，提高電路的增益穩(wěn)定性。
[0038]表1為電路試驗性能參數(shù)，電路輸出零位小于5mV，增益非線性小于2%，增益穩(wěn)定性小于250ppm/°C。通過試驗結(jié)論，可以看出本實用新型的電路具有增益非線性小、增益穩(wěn)定性高、低零位輸出的優(yōu)點。`
[0039]表1電路性能參數(shù)
[0040]
【權(quán)利要求】
1.一種低成本撓性陀螺力平衡電路，其特征是，包括采集陀螺儀敏感外部角速度產(chǎn)生的敏感陀螺殼體與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角信號的信號器，所述信號器輸出一個經(jīng)高頻調(diào)制后的陀螺誤差信號，輸出至相敏解調(diào)電路，利用相敏解調(diào)電路將正弦交流調(diào)幅信號變換成與交流輸入信號的峰值成線性關(guān)系的直流輸出信號，經(jīng)陷波器濾除頻帶干擾信號后輸出至頻率相位校正環(huán)節(jié)，對該直流信號進行校正，再由功放電路進行功率放大產(chǎn)生電流輸出信號，加到陀螺力矩器上，使力矩器產(chǎn)生相應的力矩與陀螺力矩相平衡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本撓性陀螺力平衡電路，其特征是，所述相敏解調(diào)電路包括比較器、模擬開關(guān)和兩個反向比例放大器； 所述信號器輸出的誤差信號依次經(jīng)兩個反向比例放大器后輸出頻率幅值相等、相位相反的兩路交流信號對應傳輸至模擬開關(guān)的兩個輸入端； 比較器根據(jù)解調(diào)基準信號輸出一邏輯控制信號至模擬開關(guān)邏輯控制端，控制模擬開關(guān)的導通與截止，分別選擇兩個反向比例放大器輸出的交流信號，并由所述模擬開關(guān)輸出端輸出全波相敏輸出信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低成本撓性陀螺力平衡電路，其特征是，所述比較器正向輸入端通過限流電阻連接解調(diào)基準信號，比較器負向輸入端接地，兩個微調(diào)端端接；比較器輸出端通過上拉電阻連接正電源，比較器發(fā)射級輸出端連接地，從而構(gòu)成集電OC門輸出同頻率、同相位方波信號；比較器輸出端同時連接穩(wěn)壓二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低成本撓性陀螺力平衡電路，其特征是，陀螺信號器輸出的誤差信號首先經(jīng)過隔直電容濾除其直流分量。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低成本撓性陀螺力平衡電路，其特征是，還包含一濾除模擬開關(guān)輸出的全波相敏輸出信號紋波的低通濾波器。
【文檔編號】G01C19/08GK203550961SQ201320681539
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年10月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月30日
【發(fā)明者】劉鵬, 劉尊建, 周峻霖, 盧劍寒 申請人:中國兵器工業(yè)集團第二一四研究所蘇州研發(fā)中心