一種低成本撓性陀螺力平衡電路的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)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(hào)的信號(hào)器，信號(hào)器輸出一個(gè)經(jīng)高頻調(diào)制后的陀螺誤差信號(hào)，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(hào)變換成與交流輸入信號(hào)的峰值成線(xiàn)性關(guān)系的直流輸出信號(hào)，經(jīng)陷波器濾除頻帶干擾信號(hào)后輸出至頻率相位校正環(huán)節(jié)，對(duì)該直流信號(hào)進(jìn)行校正，再由功放電路進(jìn)行功率放大產(chǎn)生電流輸出信號(hào)，加到陀螺力矩器上，使力矩器產(chǎn)生相應(yīng)的力矩與陀螺力矩相平衡。相敏解調(diào)電路采用易采購(gòu)常用器件替代專(zhuān)用集成芯片實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)潔實(shí)用，便于集成組裝，從而降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。具有增益非線(xiàn)性小、增益穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種低成本撓性陀螺力平衡電路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)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(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，通常按照對(duì)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(cè)量力矩器電流，同時(shí)又便于與數(shù)字計(jì)算機(jī)相配合，一般采用精密電阻對(duì)電流信號(hào)進(jìn)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(hào)。數(shù)字脈沖再平衡回路對(duì)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(shí)間上。這樣作用的反饋力矩是脈沖力矩，因此稱(chēng)這種方式為脈沖加矩。
[0003]從20世紀(jì)70年代開(kāi)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(jiǎn)化線(xiàn)路、提高系統(tǒng)帶寬、實(shí)現(xiàn)高精度、提高噪聲抑制能力方面進(jìn)行了改進(jìn)研究。進(jìn)入20世紀(jì)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(jì)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(diǎn)也倍受青睞，但需要復(fù)雜的軟件補(bǔ)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(jì)算時(shí)間的補(bǔ)償、采樣頻率的選擇以及數(shù)字輸出的線(xiàn)性化問(wèn)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(jiǎn)單、可靠性高、體積小、容易實(shí)現(xiàn)高帶寬的特點(diǎn)，尤其適合于對(duì)體積功耗和可靠性要求苛刻的場(chǎng)合。
[0004]撓性陀螺是用于確定方位角的元件，是影響慣導(dǎo)精度的關(guān)鍵部分。單有撓性陀螺是不能感測(cè)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(yīng)用。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0005]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)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(shí)現(xiàn)了增益非線(xiàn)性小、增益穩(wěn)定性高、低零位輸出。
[0006]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)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(hào)的信號(hào)器，所述信號(hào)器輸出一個(gè)經(jīng)高頻調(diào)制后的陀螺誤差信號(hào)，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(hào)變換成與交流輸入信號(hào)的峰值成線(xiàn)性關(guān)系的直流輸出信號(hào)，經(jīng)陷波器濾除頻帶干擾信號(hào)后輸出至頻率相位校正環(huán)節(jié)，對(duì)該直流信號(hào)進(jìn)行校正，再由功放電路進(jìn)行功率放大產(chǎn)生電流輸出信號(hào)，加到陀螺力矩器上，使力矩器產(chǎn)生相應(yīng)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(kāi)關(guān)和兩個(gè)反向比例放大器；
[0008]所述信號(hào)器輸出的誤差信號(hào)依次經(jīng)兩個(gè)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(hào)對(duì)應(yīng)傳輸至模擬開(kāi)關(guān)的兩個(gè)輸入端；
[0009]比較器根據(jù)解調(diào)基準(zhǔn)信號(hào)輸出一邏輯控制信號(hào)至模擬開(kāi)關(guān)邏輯控制端，控制模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與截止，分別選擇兩個(gè)反向比例放大器輸出的交流信號(hào)，并由所述模擬開(kāi)關(guān)輸出端輸出全波相敏輸出信號(hào)。
[0010]所述比較器正向輸入端通過(guò)限流電阻連接解調(diào)基準(zhǔn)信號(hào)，比較器負(fù)向輸入端接地，兩個(gè)微調(diào)端端接；比較器輸出端通過(guò)上拉電阻連接正電源，比較器發(fā)射級(jí)輸出端連接地，從而構(gòu)成集電OC門(mén)輸出同頻率、同相位方波信號(hào)；比較器輸出端同時(shí)連接穩(wěn)壓二極管。
[0011]陀螺信號(hào)器輸出的誤差信號(hào)首先經(jīng)過(guò)隔直電容濾除其直流分量。
[0012]還包含一濾除模擬開(kāi)關(guān)輸出的全波相敏輸出信號(hào)紋波的低通濾波器。
[0013]本實(shí)用新型所達(dá)到的有益效果:
[0014]本實(shí)用新型所述的力平衡電路是撓性陀螺在穩(wěn)定的激勵(lì)信號(hào)下(加到差動(dòng)傳感器上)，將信號(hào)傳感器所輸出的方位誤差信號(hào)進(jìn)行放大處理，得出方位信號(hào)。同時(shí)，將處理后的信號(hào)按一定比例反饋到陀螺信號(hào)的力矩器上，使撓性陀螺處于零位，并對(duì)撓性陀螺一些誤差進(jìn)行補(bǔ)償，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性。
[0015]1、與現(xiàn)有常見(jiàn)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(xiàn)性集成電路，特別是相敏解調(diào)電路采用易采購(gòu)常用器件替代專(zhuān)用集成芯片實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)潔實(shí)用，便于集成組裝，從而降低設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本。
[0017]3、電路具有增益非線(xiàn)性小、增益穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。電路選用精密低噪聲運(yùn)算放大器，且其小信號(hào)帶寬和功率帶寬足夠大，解決微弱信號(hào)容易受噪聲等干擾的影響的精度問(wèn)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(duì)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(guó)內(nèi)外不同廠(chǎng)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(lái)滿(mǎn)足陀螺系統(tǒng)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)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(jì)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(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
[0025]本實(shí)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(dāng)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(shí)，傳感器(信號(hào)器)與檢測(cè)電路所搭成的橋路失去平衡，輸出一個(gè)經(jīng)高頻調(diào)制后的誤差信號(hào)Λ u(信號(hào)器上加有高頻激磁電壓)，這個(gè)微弱的誤差信號(hào)通常是毫伏級(jí)交流信號(hào)，不能直接作為控制信號(hào)直接加在陀螺力矩器線(xiàn)圈上。因此需要對(duì)其進(jìn)行解調(diào)，得到與其幅值成正比的直流信號(hào)，為消除陀螺儀轉(zhuǎn)子倍頻干擾和章動(dòng)效應(yīng)，在電路設(shè)計(jì)中增加帶阻濾波器(陷波器)，以濾除不需要的頻帶干擾信號(hào)。為了使陀螺儀獲得良好動(dòng)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(hào)驅(qū)動(dòng)能力很差，電路后端必須經(jīng)過(guò)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(yīng)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(hào)經(jīng)過(guò)前置高阻抗交流電壓放大后，信號(hào)進(jìn)行相敏解調(diào)，輸出具有正負(fù)極性的直流誤差信號(hào)。為保證系統(tǒng)穩(wěn)定的工作，再次對(duì)該直流信號(hào)進(jìn)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(lái)確保恢復(fù)敏感元件轉(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(dá)到再平衡。
[0028]本實(shí)用新型的陀螺力平衡電路的功能實(shí)現(xiàn):
[0029]陀螺信號(hào)器本質(zhì)為一個(gè)信號(hào)調(diào)制器，本電路以16kHZ的正弦信號(hào)為載波，并且載波信號(hào)幅值被陀螺偏角調(diào)制，該載波信號(hào)的包絡(luò)線(xiàn)即為實(shí)際陀螺信號(hào)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(hào)變換成與交流輸入信號(hào)的峰值成線(xiàn)性關(guān)系的直流輸出信號(hào)，恢復(fù)轉(zhuǎn)子偏角信息?，F(xiàn)有陀螺儀通常采用國(guó)產(chǎn)集成電路LB8023/5或者AD公司生產(chǎn)AD598,價(jià)格比較貴，本電路設(shè)計(jì)的相敏解調(diào)電路采用比較器、模擬開(kāi)關(guān)、運(yùn)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(kāi)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(dǎo)通電阻參數(shù)小的模擬開(kāi)關(guān)。運(yùn)算放大器采用高共模抑制比、低失調(diào)電壓的運(yùn)算放大器。
[0030]比較器NI正向輸入端通過(guò)限流電阻R16連接解調(diào)基準(zhǔn)信號(hào)，比較器NI負(fù)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(guò)上拉電阻R17連接正電源V+，比較器NI發(fā)射級(jí)輸出端(管腳I)連接地，從而構(gòu)成集電OC門(mén)輸出同頻率、同相位方波信號(hào)，比較器NI輸出端(管腳7)連接穩(wěn)壓二極管，用于方波信號(hào)限幅，以滿(mǎn)足邏輯控制信號(hào)電平要求。
[0031]比較器NI輸出信號(hào)連接模擬開(kāi)關(guān)N3邏輯控制端(管腳10和管腳15)，用于選通模擬開(kāi)關(guān)N3輸入信號(hào)(管腳6和管腳8)。模擬開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)切換產(chǎn)生的尖峰干擾。
[0032]陀螺信號(hào)器誤差輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)隔直電容C5濾除其直流分量；電阻R18、R19、運(yùn)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(guò)大，要求陀螺轉(zhuǎn)子剛好接觸限動(dòng)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(yùn)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(shí)運(yùn)算放大器N2B和N2C輸出頻率幅值相等、相位相反的交流信號(hào)對(duì)應(yīng)至模擬開(kāi)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(hào)控制模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與截止，分別選擇運(yùn)算放大器N2B和N2C輸出交流信號(hào)，此時(shí)模擬開(kāi)關(guān)N2輸出(管腳5或管腳9)全波相敏輸出信號(hào)。
[0033]全波相敏輸出信號(hào)一般存在載波的倍頻紋波信號(hào)，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(hào)的噪聲，截止頻率應(yīng)盡可能的低，但過(guò)低會(huì)影響系統(tǒng)帶寬。所以截止頻率設(shè)置應(yīng)綜合帶寬和系統(tǒng)噪聲考慮來(lái)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(dòng)效應(yīng)，電路采用二階陷波器(帶阻濾波器)，由運(yùn)算放大器財(cái)8、電阻冊(cè)16、冊(cè)17、冊(cè)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(duì)中心頻率的影響。電容C采用外接，方便用戶(hù)靈活使用。電容CY為外接補(bǔ)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(dòng)態(tài)品質(zhì)，提高系統(tǒng)的帶寬和相對(duì)穩(wěn)定性。如圖4所示，校正環(huán)節(jié)由運(yùn)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(jiǎn)單可靠。陀螺內(nèi)部參數(shù)很難測(cè)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(yīng)的外接阻容器件來(lái)適應(yīng)不同參數(shù)的陀螺儀，以保證伺服回路的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性。電路設(shè)計(jì)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(diǎn)補(bǔ)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(jì)過(guò)程中對(duì)輸入信號(hào)首先進(jìn)行隔直處理，以消除輸入信號(hào)中的直流成分對(duì)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(yùn)算放大器構(gòu)成放大、反相、濾波和校正電路；后級(jí)電路設(shè)置零位調(diào)整電路，對(duì)輸出零位進(jìn)行調(diào)整。
[0037]為提高電路增益非線(xiàn)性，構(gòu)成放大電路的運(yùn)算放大器選用精密低噪聲運(yùn)算放大器，且其小信號(hào)帶寬和功率帶寬都足夠大。通過(guò)加強(qiáng)濾波、合理布局布線(xiàn)降低噪聲和干擾對(duì)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(yàn)性能參數(shù)，電路輸出零位小于5mV，增益非線(xiàn)性小于2%，增益穩(wěn)定性小于250ppm/°C。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)論，可以看出本實(shí)用新型的電路具有增益非線(xiàn)性小、增益穩(wěn)定性高、低零位輸出的優(yōu)點(diǎn)。`
[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(hào)的信號(hào)器，所述信號(hào)器輸出一個(gè)經(jīng)高頻調(diào)制后的陀螺誤差信號(hào)，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(hào)變換成與交流輸入信號(hào)的峰值成線(xiàn)性關(guān)系的直流輸出信號(hào)，經(jīng)陷波器濾除頻帶干擾信號(hào)后輸出至頻率相位校正環(huán)節(jié)，對(duì)該直流信號(hào)進(jìn)行校正，再由功放電路進(jìn)行功率放大產(chǎn)生電流輸出信號(hào)，加到陀螺力矩器上，使力矩器產(chǎn)生相應(yīng)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(kāi)關(guān)和兩個(gè)反向比例放大器； 所述信號(hào)器輸出的誤差信號(hào)依次經(jīng)兩個(gè)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(hào)對(duì)應(yīng)傳輸至模擬開(kāi)關(guān)的兩個(gè)輸入端； 比較器根據(jù)解調(diào)基準(zhǔn)信號(hào)輸出一邏輯控制信號(hào)至模擬開(kāi)關(guān)邏輯控制端，控制模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與截止，分別選擇兩個(gè)反向比例放大器輸出的交流信號(hào)，并由所述模擬開(kāi)關(guān)輸出端輸出全波相敏輸出信號(hào)。
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(guò)限流電阻連接解調(diào)基準(zhǔn)信號(hào)，比較器負(fù)向輸入端接地，兩個(gè)微調(diào)端端接；比較器輸出端通過(guò)上拉電阻連接正電源，比較器發(fā)射級(jí)輸出端連接地，從而構(gòu)成集電OC門(mén)輸出同頻率、同相位方波信號(hào)；比較器輸出端同時(shí)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(hào)器輸出的誤差信號(hào)首先經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)輸出的全波相敏輸出信號(hào)紋波的低通濾波器。
【文檔編號(hào)】G01C19/08GK203550961SQ201320681539
【公開(kāi)日】2014年4月16日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第二一四研究所蘇州研發(fā)中心