專利名稱：撓性陀螺再平衡回路板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種與撓性陀螺表頭相配套的陀螺再平衡回路板。
背景技術(shù)：
陀螺儀是慣導(dǎo)系統(tǒng)中最重要的測(cè)量元件，它敏感著載體的角速率。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)所用撓性陀螺儀的關(guān)鍵就是運(yùn)用再平衡力矩來(lái)連續(xù)不斷地恢復(fù)陀螺轉(zhuǎn)子軸的位置。當(dāng)撓性陀螺儀在感受外來(lái)角速度作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與角速度成正比的電信號(hào)。通常這個(gè)微弱的電信號(hào)(直流或交流)是毫伏級(jí)的，無(wú)法直接加在力矩器線圈上，這就需要在陀螺儀的信號(hào)器與力矩器之間，設(shè)計(jì)一個(gè)再平衡回路，以獲得足夠大的再平衡力矩。由于陀螺儀輸入角速度直接由流經(jīng)力矩器的電流所反映，因此，再平衡回路性能的好壞就直接關(guān)系到捷聯(lián)系統(tǒng)的性能。原技術(shù)采用的是模擬分立式元器件，涉及元器件種類、數(shù)量都比較多，調(diào)試不方便，可靠性不高，一旦出現(xiàn)問(wèn)題不好維護(hù)。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型提供一種撓性陀螺再平衡回路板，它采用模塊化設(shè)計(jì)，性能穩(wěn)定，調(diào)試方便。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是它包括信號(hào)預(yù)處理模塊包括帶通濾波器、相敏解調(diào)器和陷波器；帶通濾波器用于濾掉陀螺信號(hào)以外的噪聲信號(hào)；相敏解調(diào)器由模擬開(kāi)關(guān)和低通濾波器組成，相敏解調(diào)器從信號(hào)器輸出信號(hào)取樣，使其輸出變?yōu)槿ㄕ餍盘?hào)，后經(jīng)低通濾波器得到全波相敏解調(diào)的輸出； 陷波器用于對(duì)信號(hào)器輸出的偏角信號(hào)的一倍轉(zhuǎn)子頻率進(jìn)行陷波；解耦、校正模塊解耦模塊包括積分器與加法器，適應(yīng)不同參數(shù)的陀螺儀，消除軸間耦合；校正模塊設(shè)計(jì)了超前校正模塊，以保證回路穩(wěn)定，并滿足動(dòng)態(tài)性能，提供足夠的幅值、相位裕量；加矩模塊校正后的電壓信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)陀螺儀力矩器，加矩模塊將其轉(zhuǎn)換為電流，并實(shí)現(xiàn)功率放大；陀螺信號(hào)輸出模塊流經(jīng)力矩器的電流經(jīng)過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換成與角速度成正比的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)二階低通濾波器輸出，同時(shí)這個(gè)低通濾波器還具有減法器作用，輸出信號(hào)與基準(zhǔn)電壓相減可以調(diào)整零位偏差值，使其達(dá)到要求的零位值；陀螺電源模塊采用CPLD (可編程邏輯器件)來(lái)控制正弦波產(chǎn)生芯片(ML2035) 產(chǎn)生4. SkHz的單相激磁信號(hào)，同時(shí)CPLD還產(chǎn)生500Hz的三相激磁方波，經(jīng)過(guò)數(shù)字隔離器 ADuM1200將其變換成雙極性方波，再經(jīng)過(guò)由三極管與MOS管組成的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)陀螺電機(jī)。本實(shí)用新型在高低溫環(huán)境下都能達(dá)到性能指標(biāo)，性能穩(wěn)定，在調(diào)試電路板時(shí)也不需要知道陀螺儀的內(nèi)部參數(shù)，可根據(jù)不同型號(hào)的陀螺稍加調(diào)整電路板的參數(shù)即可，為調(diào)試提供了方便，其電源的激磁頻率也可根據(jù)需要調(diào)整，為撓性陀螺再平衡回路板的研制提供了新的思路。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。

圖1為本實(shí)用新型方塊圖；圖2為本實(shí)用新型帶通濾波器原理圖；圖3為本實(shí)用新型相敏解調(diào)電路原理圖；圖4為本實(shí)用新型陷波器電路原理圖；圖5為本實(shí)用新型解耦模塊原理圖；圖6為本實(shí)用新型校正模塊原理圖；圖7為本實(shí)用新型加矩模塊原理圖；圖8為本實(shí)用新型陀螺信號(hào)輸出模塊原理圖；圖9為本實(shí)用新型單相激磁電路原理圖；圖10為本實(shí)用新型電機(jī)A相激磁電路原理圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的工作原理?yè)闲酝勇輧x的轉(zhuǎn)子相對(duì)于其殼體只有幾十角分的“自由度”，因此它必須借助于再平衡回路工作于鎖定狀態(tài)。這是因?yàn)楫?dāng)載體沿參考坐標(biāo)系的一個(gè)軸作角運(yùn)動(dòng)時(shí)，撓性陀螺儀將圍繞另一參考軸進(jìn)動(dòng)，且進(jìn)動(dòng)角隨時(shí)間積累，惡化了陀螺儀的性能，為此必須將陀螺儀信號(hào)器產(chǎn)生的與陀螺儀進(jìn)動(dòng)角成比例的電壓信號(hào)變換成電流信號(hào)通入力矩器，產(chǎn)生繞輸出軸的力矩，迫使陀螺儀繞輸入軸進(jìn)動(dòng)。當(dāng)這一進(jìn)動(dòng)的角速度與輸入角速度方向相同、大小相等時(shí)，動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀主軸達(dá)到新的平衡狀態(tài)，由原來(lái)的靜止平衡狀態(tài)過(guò)渡到新的運(yùn)動(dòng)平衡狀態(tài)，稱這一平衡為再平衡，其力反饋回路稱為“再平衡回路”。撓性陀螺儀的再平衡回路組成框圖如圖1所示。由于陀螺儀轉(zhuǎn)子主軸的定軸性，陀螺殼體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，陀螺主軸相對(duì)于殼體會(huì)產(chǎn)生偏角。再平衡回路的目標(biāo)是控制陀螺的轉(zhuǎn)子偏角趨近于零。陀螺儀的信號(hào)器用來(lái)檢測(cè)主軸偏角，并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，基于控制系統(tǒng)反饋理論，可將偏角電壓信號(hào)進(jìn)行一定的控制調(diào)節(jié)，然后轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)通入陀螺儀力矩器，力矩器產(chǎn)生力矩使陀螺產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)以跟隨陀螺殼體的運(yùn)動(dòng)，這樣可使陀螺閉環(huán)穩(wěn)定，從而達(dá)到鎖定狀態(tài)。為了提高信號(hào)器的靈敏度和線性度，撓性陀螺儀內(nèi)部的信號(hào)器采用差動(dòng)方式輸出，并將偏角信號(hào)調(diào)制在4. SkHz的單相激磁信號(hào)上，陀螺工作時(shí)轉(zhuǎn)子偏角很小，一般只有幾個(gè)角分，信號(hào)器輸出電壓信號(hào)十分微弱，因此在陀螺儀內(nèi)部用一個(gè)儀表放大器來(lái)提高信號(hào)電平，減小共模信號(hào)干擾。然后輸出的信號(hào)通過(guò)中心頻率為4. SkHz的帶通濾波器，可抑制雜波干擾并進(jìn)行一定的放大，接著利用相敏解調(diào)電路將陀螺轉(zhuǎn)子的偏角信號(hào)解調(diào)出來(lái)。陀螺轉(zhuǎn)子由三相磁滯同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，陀螺電機(jī)會(huì)在陀螺殼體產(chǎn)生特定頻率的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，信號(hào)器感應(yīng)到這一磁場(chǎng)信號(hào)，從而產(chǎn)生誤差輸出，此誤差信號(hào)頻率固定分別為一倍轉(zhuǎn)子頻率和陀螺章動(dòng)頻率。因此，需要設(shè)計(jì)兩級(jí)陷波器將誤差信號(hào)衰減。[0031]撓性陀螺儀特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致兩軸間存在交叉耦合，這種耦合將給系統(tǒng)帶來(lái)很大的誤差，因此設(shè)計(jì)了解耦電路消除軸間耦合。為了使系統(tǒng)具有一定的動(dòng)靜態(tài)指標(biāo)，回路設(shè)計(jì)了校正電路以保證回路的穩(wěn)定，滿足動(dòng)態(tài)性能，并提供足夠的幅值、相位裕量。校正后的電壓信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)陀螺力矩器，這就要求對(duì)此信號(hào)進(jìn)行功率放大實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩器的電流控制。力矩器產(chǎn)生使轉(zhuǎn)子反方向的偏角，從而使陀螺穩(wěn)定工作在零偏角或偏角很小的穩(wěn)定狀態(tài)。[0032]帶通濾波器[0033]陀螺儀輸出的偏角信號(hào)被信號(hào)器調(diào)制在4. SKHz的正弦激磁信號(hào)上，為了防止噪聲干擾，使系統(tǒng)能夠更好的復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)的規(guī)律，在電路中設(shè)計(jì)一個(gè)帶通濾波器，以濾掉陀螺信號(hào)以外的噪聲信號(hào)。其電路如圖2所示。[0034]相敏解調(diào)電路[0035]通過(guò)帶通濾波器以后的信號(hào)是調(diào)制在激磁信號(hào)上的偏角信號(hào)，為了獲得偏角信號(hào)，需要將這一信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，將這一偏角信號(hào)恢復(fù)。[0036]相敏解調(diào)電路由模擬開(kāi)關(guān)和低通濾波器組成。其電路如圖3所示。相敏解調(diào)器從信號(hào)器輸出信號(hào)取樣，基準(zhǔn)信號(hào)f_FB控制模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)同步解調(diào)，使其輸出變?yōu)槿ㄕ餍盘?hào)。后經(jīng)低通濾波器便可得到全波相敏解調(diào)的輸出。這里采用CPLD來(lái)產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)乙 FB。[0037]陀螺信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器、帶通濾波器之后，會(huì)產(chǎn)生附加相移，陀螺信號(hào)器本身也會(huì)引入一定的相移，因此需要在CPLD的程序中實(shí)現(xiàn)移相的功能，使解調(diào)信號(hào)與陀螺信號(hào)具有相同的相位。[0038]陷波器(帶阻濾波器)[0039]由于陀螺儀本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所致，信號(hào)器輸出的偏角信號(hào)會(huì)被頻率為1倍轉(zhuǎn)子頻率的交流信號(hào)所調(diào)制，而且幅值比較大，直接影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和測(cè)試精度。此陷波器的 Q值可調(diào)，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)電位器RPll與RP12來(lái)調(diào)整其Q值，從而達(dá)到最佳的濾波效果。 電路如圖4所示。在電路中設(shè)計(jì)了兩級(jí)陷波器，其中，一級(jí)陷波器為1倍轉(zhuǎn)子頻率陷波器， 其中心頻率為250Hz ；二級(jí)陷波器為章動(dòng)陷波器，其中心頻率為陀螺的固有頻率，一般陀螺儀的章動(dòng)頻率為一倍轉(zhuǎn)子頻率的1. 7 1. 9倍，因而對(duì)二倍轉(zhuǎn)子頻率的干擾成份也有抑制作用。[0040]解耦、校正模塊[0041]陀螺儀機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致兩軸間存在交叉耦合，這種耦合將給回路系統(tǒng)帶來(lái)很大的誤差，通過(guò)解耦電路可以消除軸間耦合，因此設(shè)計(jì)了解耦電路來(lái)消除軸間耦合，解耦矩陣為[0042]
權(quán)利要求1. 一種撓性陀螺再平衡回路板，其特征在于它包括信號(hào)預(yù)處理模塊包括帶通濾波器、相敏解調(diào)器和陷波器；帶通濾波器用于濾掉陀螺信號(hào)以外的噪聲信號(hào)；相敏解調(diào)器由模擬開(kāi)關(guān)和低通濾波器組成，相敏解調(diào)器從信號(hào)器輸出信號(hào)取樣，使其輸出變?yōu)槿ㄕ餍盘?hào)，后經(jīng)低通濾波器得到全波相敏解調(diào)的輸出；陷波器用于對(duì)信號(hào)器輸出的偏角信號(hào)進(jìn)行陷波；解耦、校正模塊解耦電路包括積分器與加法器，適應(yīng)不同參數(shù)的陀螺儀，消除軸間耦合；校正電路設(shè)計(jì)了超前校正電路，以保證回路穩(wěn)定，并滿足動(dòng)態(tài)性能，提供足夠的幅值、相位裕量；加矩模塊校正后的電壓信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)陀螺儀力矩器，加矩模塊將其轉(zhuǎn)換為電流， 并實(shí)現(xiàn)功率放大；陀螺信號(hào)輸出模塊流經(jīng)力矩器的電流經(jīng)過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換成與角速度成正比的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)二階低通濾波器輸出，經(jīng)過(guò)低通濾波后，同時(shí)這個(gè)濾波器還具有減法器作用，輸出信號(hào)與基準(zhǔn)電壓相減可以調(diào)整零位偏差值，使其達(dá)到要求的零位值；和陀螺電源電路采用CPLD來(lái)控制集成正弦波產(chǎn)生芯片產(chǎn)生4. SkHz的單相激磁信號(hào)， CPLD還產(chǎn)生500Hz的三相激磁方波，經(jīng)過(guò)數(shù)字隔離器ADuM1200將其變換成雙極性方波，再經(jīng)過(guò)由三極管與MOS管組成的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)陀螺電機(jī)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種與撓性陀螺表頭相配套的陀螺再平衡回路板。它包括信號(hào)預(yù)處理模塊包括帶通濾波器、相敏解調(diào)器和陷波器；解耦、校正模塊解耦電路包括積分器與加法器，校正電路設(shè)計(jì)了超前校正電路，提供足夠的幅值、相位裕量；加矩模塊校正后的電壓信號(hào)不能直接驅(qū)動(dòng)陀螺儀力矩器，加矩模塊將其轉(zhuǎn)換為電流，并實(shí)現(xiàn)功率放大；陀螺信號(hào)輸出模塊流經(jīng)力矩器的電流經(jīng)過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換成與角速度成正比的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)二階低通濾波器輸出；陀螺電源電路采用CPLD來(lái)產(chǎn)生三相激磁方波，對(duì)它進(jìn)行功率放大后驅(qū)動(dòng)陀螺電機(jī)旋轉(zhuǎn)。CPLD還控制4.8kHz的正弦波的產(chǎn)生。它性能穩(wěn)定，調(diào)試方便。
文檔編號(hào)G01C19/00GK202304840SQ201120443929
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者朱福祥 申請(qǐng)人:河北漢光重工有限責(zé)任公司