一种基于DSP的挠性陀螺数字再平衡装置.pdf

本发明公开了一种基于DSP的挠性陀螺数字再平衡装置。包括陀螺组件和数字信号处理器；陀螺组件内包含有陀螺、马达、X力矩器、X传感器、Y力矩器和Y传感器；数字信号处理器内包含有A/D转换器、X-PWM发生器和Y-PWM发生器；陀螺与输入电路连接，X传感器和Y传感器分别经X误差识别电路和Y误差识别电路与数字信号处理器内的A/D转换器连接；数字信号处理器内的X-PWM发生器和Y-PWM发生器分别经X脉冲电流控制电路和Y脉冲电流控制电路与X力矩器和Y力矩器连接；数字信号处理器经马达电源控制电路与陀螺组件中的马达连接；数字信号处理器上设有通讯接口。本发明直接采集陀螺传感器的误差信号，从根本上消除陀螺力矩器的非线性误差。

1.  一种基于DSP的挠性陀螺数字再平衡装置，其特征在于：包括陀螺组件和数字信号处理器；陀螺组件内包含有陀螺、马达、X力矩器、X传感器、Y力矩器和Y传感器；数字信号处理器内包含有A/D转换器、X-PWM发生器和Y-PWM发生器；陀螺与输入电路连接，X传感器和Y传感器分别经X误差识别电路和Y误差识别电路与数字信号处理器(DSP)内的A/D转换器连接；数字信号处理器内的X-PWM发生器和Y-PWM发生器分别经X脉冲电流控制电路和Y脉冲电流控制电路与X力矩器和Y力矩器连接；数字信号处理器(DSP)经马达电源控制电路与陀螺组件中的马达连接；数字信号处理器(DSP)上设有通讯接口。

2.  根据权利要求1所述的基于DSP的挠性陀螺数字再平衡装置，其特征在于：所述X脉冲电流控制电路和Y脉冲电流控制电路中分别包括驱动电路和桥式电子开关；驱动电路接收来自X-PWM发生器和Y-PWM发生器的信号，驱动电路与桥式电子开关连接，控制控制桥式电子开关的导通方向。

3.  根据权利要求2所述的基于DSP的挠性陀螺数字再平衡装置，其特征在于：所述驱动电路包括三极管(T)，三极管(T)的基极经电阻(R1)和电容(C1)並连电路与PWM信号连接；三极管(T)的发射极经电阻(R5)接地；三极管(T)的集电极经电阻(R4)和电阻(R3)接电源；电源与三极管(T)的基极之间並连电阻(R2)；电阻(R4)和电阻(R3)的连接节点为UO1输出端，UO1输出端与地之间並连电阻(R6)；三极管(T)的发射极为UO2输出端。

4.  根据权利要求2所述的基于DSP的挠性陀螺数字再平衡装置，其特征在于：所述桥式电子开关包含电子开关(S1)、电子开关(S2)、电子开关(S3)和电子开关(S4)；四个电子开关按桥接方式连接，在电子开关(S1)与电子开关(S2)的节点和电子开关(S3)与电子开关(S4)的节点之间连接有陀螺；电子开关(S1)与电子开关(S3)的节点接电源(V+)，电子开关(S2)与电子开关(S4)的节点经电阻(Rf)接地。

5.  根据权利要求3所述的基于DSP的挠性陀螺数字再平衡装置，其特征在于：所述输入电路中包括前置放大器，前置放大器的输出端经二极管(D)、电阻(R7)和电阻(R8)接地，在电阻(R7)与电阻(R8)的节点引出检测信号。

一种基于DSP的挠性陀螺数字再平衡装置
技术领域
本发明涉及一种再平衡装置，特别是一种基于DSP的挠性陀螺数字再平衡装置。
背景技术
惯性导航是一门重要的技术学科，它是许多飞机、舰船及导弹等载体能顺利完成导航和控制任务的关键技术之一。近几十年来，惯性导航技术获得迅速的发展，我国惯性导航技术已在航空、航天、航海及陆用车辆的导航和定位中得到应用。由于捷联式惯导系统相对于平台式惯导系统有许多优点，它也越来越受到各国的普遍重视。
目前，国内生产的动力调谐陀螺在工艺技术方面已经达到较高水平，但与动力调谐陀螺相配套的再平衡电路还是采用的模拟再平衡电路，众所周知，模拟电路很容易受到温度的影响，造成误差。所以当现有技术的模拟再平衡电路应用于捷联惯性测量装置时，需要经过模拟再平衡、高精度A/D变换、补偿计算三个环节，而现有技术的模拟再平衡电路组成校正环节的电阻电容等元器件的特性易受环境条件影响、难以实现复杂的控制规律等。对于陀螺这样高精度的仪表来说，其性能在很大程度上依赖于再平衡回路。因此，一旦由于电阻、电容值的漂移引起校正环节参数的变化，将会直接影响到整个仪表的性能；由于再平衡电路的工作环境是复杂多变的，其中陀螺力矩器的温度特性和非线性、模拟信号传递的误差、A/D变换的精度都直接影响最终的测量精度，常规的控制方案有时难以满足其性能的要求，再提高精度已经相当困难。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于DSP的挠性陀螺数字再平衡装置，用A/D转换电路直接采集陀螺传感器的误差信号，经数字信号处理器计算后为陀螺力矩器提供幅值恒定、宽度可调的数字信号，从根本上消除陀螺力矩器的非线性误差。
本发明的技术方案：一种基于DSP的挠性陀螺数字再平衡装置，包括陀螺组件和数字信号处理器；陀螺组件内包含有陀螺、马达、X力矩器、X传感器、Y力矩器和Y传感器；数字信号处理器内包含有A/D转换器、X-PWM发生器和Y-PWM发生器；陀螺与输入电路连接，X传感器和Y传感器分别经X误差识别电路和Y误差识别电路与数字信号处理器内的A/D转换器连接；数字信号处理器内的X-PWM发生器和Y-PWM发生器分别经X脉冲电流控制电路和Y脉冲电流控制电路与X力矩器和Y力矩器连接；数字信号处理器经马达电源控制电路与陀螺组件中的马达连接；数字信号处理器上设有通讯接口。
上述的基于DSP的挠性陀螺数字再平衡装置中，所述X脉冲电流控制电路和Y脉冲电流控制电路中分别包括驱动电路和桥式电子开关；驱动电路接收来自X-PWM发生器和Y-PWM发生器的信号，驱动电路与桥式电子开关连接，控制控制桥式电子开关的导通方向。
前述的基于DSP的挠性陀螺数字再平衡装置中，所述驱动电路包括三极管，三极管的基极经电阻和电容並连电路与PWM信号连接；三极管的发射极经电阻接地；三极管的集电极经电阻和电阻接电源；电源与三极管的基极之间並连电阻；电阻和电阻的连接节点为UO1输出端，UO1输出端与地之间並连电阻；三极管的发射极为UO2输出端。
前述的基于DSP的挠性陀螺数字再平衡装置中，所述桥式电子开关包含电子开关、电子开关、电子开关和电子开关；四个电子开关按桥接方式连接，在电子开关与电子开关的节点和电子开关与电子开关的节点之间连接有陀螺；电子开关与电子开关的节点接电源，电子开关与电子开关的节点经电阻接地。
前述的基于DSP的挠性陀螺数字再平衡装置中，所述输入电路中包括前置放大器，前置放大器的输出端经二极管、电阻和电阻接地，在电阻与电阻的节点引出检测信号。
与现有技术相比，现有技术采用的是模拟再平衡电路，因此应用于捷联惯性测量装置时，需要经过模拟再平衡、高精度A/D变换、补偿计算三个环节，这其中陀螺力矩器的温度特性和非线性、模拟信号传递的误差、A/D变换的精度都直接影响最终的测量精度，目前的方式再提高精度已经相当困难。本发明是将控制信号通过能产生PWM控制信号的控制组合模块，用来产生幅值恒定、宽度可调的PWM数字信号；反馈信号也是通过数字信号处理器计算得到的幅值恒定、宽度可调的PWM数字信号反馈给陀螺的X力矩器和Y力矩器，使得从根本上消除陀螺力矩器的非线性误差。调整回路参数用数字方式实现，可以较容易地实现动基座启动和停止的功能，输出电流和时间已知，不必经过A/D变换就可以直接计算得到角速率信号。因此，数字再平衡电路的方案能够有效消除陀螺力矩器非线性、模拟信号传递、A/D变换三个误差环节，应用于捷联惯性测量装置时能减少体积、降低成本、提高精度，并能较容易地实现动基座启停的功能。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是脉冲电流控制电路的结构框图；
图3是驱动电路的原理图；
图4是电子开关的原理图；
图5是输入接口的结构示意图；
图6是挠性陀螺激励信号与传感器信号相位关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种基于DSP的挠性陀螺数字再平衡装置作进一步的详细说明，但并不作为对本发明做任何限制的依据。
实施例。本发明的一种基于DSP的挠性陀螺数字再平衡装置如图1所示，包括陀螺组件和数字信号处理器；陀螺组件内包含有陀螺、马达、X力矩器、X传感器、Y力矩器和Y传感器；数字信号处理器内包含有A/D转换器、X-PWM发生器和Y-PWM发生器，用软件控制X-PWM发生器和Y-PWM发生器产生宽度可调PWM控制信号；陀螺与输入电路连接，X传感器和Y传感器分别经X误差识别电路和Y误差识别电路与数字信号处理器DSP内的A/D转换器连接；数字信号处理器内的X-PWM发生器和Y-PWM发生器分别经X脉冲电流控制电路和Y脉冲电流控制电路与X力矩器和Y力矩器连接；数字信号处理器DSP经马达电源控制电路与陀螺组件中的马达连接；数字信号处理器DSP上设有通讯接口。
所述X脉冲电流控制电路和Y脉冲电流控制电路的原理框图如图2所示，X脉冲电流控制电路和Y脉冲电流控制电路中分别包括驱动电路和桥式电子开关；驱动电路接收来自X-PWM发生器和Y-PWM发生器的信号，驱动电路与桥式电子开关连接，控制控制桥式电子开关的导通方向。
所述驱动电路如图3所示，驱动电路包括三极管T，三极管T的基极经电阻R1和电容C1並连电路与PWM信号连接；三极管T的发射极经电阻R5接地；三极管T的集电极经电阻R4和电阻R3接电源；电源与三极管T的基极之间並连电阻R2；电阻R4和电阻R3的连接节点为UO1输出端，UO1输出端与地之间亚连电阻R6；三极管T的发射极为UO2输出端。其工作原理如下：图3中Uo1用来驱动P沟道型电子开关，Uo2用来驱动N沟道型电子开关。由前置放大器输出的3.3V高电压不能用来同时驱动P、N沟道。当PWM为高电平3.3V输出时，通过上面的电路进行放大后可以得到Uo1为20V，Uo2为10V输出，这样就能同时打开一个P沟道和一个N沟道，使桥电路形成一个完全道通的道。当PWM输出为低电平时，三极管T1关闭，电路通过R3、R6分压可以得到Uo1为30V，Uo2为0V，所以P、N沟道处于夹断状态。从而控制电流的流向。
所述桥式电子开关如图4所示；包含电子开关S1、电子开关S2、电子开关S3和电子开关S4；四个电子开关按桥接方式连接，在电子开关S1与电子开关S2的节点和电子开关S3与电子开关S4的节点之间连接有陀螺；电子开关S1与电子开关S3的节点接电源V+，电子开关S2与电子开关S4的节点经电阻Rf接地。其工作原理如下：图4中S1、S2、S3、S4是集成的桥电路电子开关，A、B是外部提供的PWM控制指令经过功率放大以后的开关驱动信号，用来控制电子开关的导通状态。V+是由功放输出的高精度的电流，L、C、R是陀螺力矩器等效过来的感抗、容抗和阻抗的值。由桥电路的原理图4可以得出，电子开关S1、S4断开，S2、S3接通时，电流的流向由右流向左通过陀螺力矩器。若S2、S3断开，S1、S4接通时电流的流向由左流向右陀螺力矩器，这样就形成了正、负的电流流向来对应陀螺的正转和反转。
所述输入电路中包括前置放大器，前置放大器的输出端设有接口电路如图5所示，接口电路包括二极管D，、二极管D、电阻R7和电阻R8串连后接地，在电阻R7与电阻R8的节点引出检测信号。图6所示为挠性陀螺激励信号与传感器信号相位关系图，本实施例中的挠性陀螺激励信号频率为16KHz，周期为62.5μs，用比较器电路可以把激励信号整形为方波，用数字信号处理器DSP内的捕获单元检测方波的上升沿，然后通过内置在数字信号处理器DSP中的软件延时15.6μs和46.9μs进行采集m和n时刻前置放大器输出信号的值，实现了90°相位和270°相位处的误差信号识别，实际使用时采集两个周期取平均值。本发明所用的A/D转换器是数字信号处理器DSP自带的单极性A/D转换器，使用半波整流将传感器输出信号整理为单极性信号，这样得到了可以被数字信号处理器DSP直接采集到的检测信号1或检测信号2。分别在m、n处采集，得到两个值。其中一个较小值必然为零位(实际值接近零位)，其位置说明了前置放大器信号的极性。而较大值则表征了前置放大器信号的幅值。这样，使用少量器件与数字信号处理器DSP软硬件配合，可以完成陀螺传感器输出信号的识别。
本发明的一种基于DSP的挠性陀螺数字再平衡装置用数字信号处理器DSP解算代替了模拟再平衡电路伺服放大环节，反馈变成了脉冲电流，脉冲反馈电流的功能是在陀螺中产生一个平衡力矩，抵消输入角速率的作用，使陀螺转子回到零位，脉冲电流是由数字信号处理器DSP控制的。