光纖陀螺在穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

米月星，林 輝

（西北工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安710129）

陀螺穩(wěn)定平臺(tái)作為高精度伺服控制系統(tǒng)，廣泛用于各種精密機(jī)載、艦載、車載設(shè)備中[1-2]。穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)需要安裝慣性速率傳感器，用以感知載體的角速率變化。光纖陀螺以響應(yīng)快、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，作為反饋器件廣泛應(yīng)用于穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)中。但是光纖陀螺對(duì)供電電源要求很苛刻，而且信號(hào)輸出范圍大、頻率高、易受干擾。所以，本文就陀螺的供電電路和輸出信號(hào)調(diào)理作了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 光纖陀螺的供電電路設(shè)計(jì)

1.1 光纖陀螺對(duì)供電的特殊要求

系統(tǒng)選用的光纖陀螺VG910為+5 V直流供電，電源要求+5 V±0.25 V，紋波≤10 mV。系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制使得開(kāi)關(guān)器件以10 kHz高頻的開(kāi)通關(guān)斷，在實(shí)驗(yàn)室條件下帶來(lái)一個(gè)10 kHz的脈沖干擾，實(shí)際工作環(huán)境下可能更為惡劣，嚴(yán)重影響陀螺的供電質(zhì)量。以下通過(guò)電源變換電路和共模扼流圈的濾波改善+5 V電源的質(zhì)量。

1.2 DC-DC電源變換

現(xiàn)有電源模塊輸出的+12 V直流電壓，需要完成+12 V→+5 V的DC-DC變換。考慮到開(kāi)關(guān)電源模塊的開(kāi)關(guān)電路會(huì)帶來(lái)更大的電磁干擾[3]，選取線性電源模塊LT1117實(shí)現(xiàn)DC-DC變換。對(duì)于線性電源，輸入輸出電壓之間過(guò)大的電壓差會(huì)帶來(lái)很大的散熱問(wèn)題。故采用兩個(gè)LT1117-ADJ進(jìn)行兩級(jí)DC-DC變換，第一級(jí)將+12 V變換為+8.5 V，然后經(jīng)過(guò)第二級(jí)DC-DC變換得到+5 V電壓。

1.3 基于共模扼流圈的電源濾波器設(shè)計(jì)

在穩(wěn)定平臺(tái)實(shí)際工作環(huán)境中，陀螺出現(xiàn)了損壞的情況：實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，+5 V的供電電源上出現(xiàn)了頻率為10 kHz，幅值最高超過(guò)100 mV的毛刺。針對(duì)這一情況設(shè)計(jì)了基于共模扼流圈的電源濾波器，對(duì)+5 V電源進(jìn)行濾波處理，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明可以很好地消除100 mV的毛刺，取得了很好的效果。

當(dāng)負(fù)載電流流過(guò)共模扼流圈時(shí)，串聯(lián)在正線上的線圈所產(chǎn)生的磁力線與串聯(lián)在地線上的線圈所產(chǎn)生的磁力線方向相反，它們?cè)诖判局邢嗷サ窒虼思词乖诖筘?fù)載電流的情況下，磁芯也不會(huì)飽和。而對(duì)于共模干擾電流，兩個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同方向的，會(huì)有較大的電感，從而起到衰減干擾信號(hào)的作用[4]。

為了更好地增強(qiáng)濾波效果，設(shè)計(jì)了兩個(gè)獨(dú)立的扼流圈，分別完成共模和差模濾波。實(shí)驗(yàn)證明這種方式的濾波性能優(yōu)于單個(gè)的共模扼流圈。由于共模與差模產(chǎn)生原因以及傳播途徑的不同，分別進(jìn)行了共、差模濾波器的設(shè)計(jì)。共、差模合成濾波器如圖1所示。

共模濾波器可以等效為L(zhǎng)C低通濾波電路。轉(zhuǎn)折頻率[4]為：

隨著噪聲頻率的增加，其插入損耗以40 dB/dec的斜率增加[5]，從而達(dá)到抑制高頻共模干擾信號(hào)的目的。

同理，差模濾波器也可等效為L(zhǎng)C低通濾波電路。轉(zhuǎn)折頻率為：

隨著噪聲頻率的增加，其插入損耗以40 dB/dec的斜率增加，從而達(dá)到抑制高頻差模干擾信號(hào)的目的。

C1、C2選用 4 700 pF的陶瓷電容，并使得兩電容中點(diǎn)與大地導(dǎo)通。

根據(jù)插入損耗的頻率大小可以確定濾波器的元器件參數(shù)，針對(duì)陀螺供電電源的10 kHz的毛刺，選擇 Cx=Cy=10 μF，Lx=Ly=1 mH。 計(jì)算得知：fg=fc=1.6 kHz。高于1.6 kHz的干擾信號(hào)會(huì)得到不同程度的衰減，隨著噪聲頻率的增加，其插入損耗以40 dB/dec的斜率增加，從而可以對(duì)10 kHz及更高頻率的干擾信號(hào)產(chǎn)生很大的衰減，達(dá)到抑制高頻干擾信號(hào)的目的。

2 陀螺輸出的信號(hào)調(diào)理

陀螺VG910輸出的是電壓信號(hào)，輸出電壓信號(hào)與測(cè)知的速度值為線性關(guān)系，50 mV對(duì)應(yīng)的是1°/s，速度值代表載體速度與電機(jī)反方向速度之差。當(dāng)電機(jī)反向速度與載體的速度嚴(yán)格相等時(shí)，天線就能保持方向不變，這也是穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)的控制原理[6]。所以，陀螺信號(hào)的精度直接影響系統(tǒng)的工作性能，速度反饋信號(hào)的調(diào)理顯得非常重要。

2.1 信號(hào)限幅

VG910的測(cè)量范圍為±100°/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)系統(tǒng)所涉及的速度范圍。為了提高反饋速度的精度，在信號(hào)調(diào)理上應(yīng)限制最大速度，使反饋值的精度得以提高。系統(tǒng)指標(biāo)提出在最大幅值為15°、周期最小為5 s的正弦搖擺條件下平臺(tái)保持正常穩(wěn)定工作。由于平臺(tái)搖擺角速度為：

陀螺輸出信號(hào)調(diào)理限幅電路如圖2所示。穩(wěn)壓管D1 將電壓輸出信號(hào) G_vol限定在[-20°/s，+20°/s]的速度信號(hào)范圍內(nèi)，以提高反饋信號(hào)的精度。

2.2 信號(hào)傳輸

在本系統(tǒng)中，陀螺信號(hào)需通過(guò)長(zhǎng)達(dá)60 m的雙絞屏蔽線傳送至CPU控制板。因采取電壓信號(hào)傳輸會(huì)有一定的衰減，故采用電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺信號(hào)的傳輸，具有更強(qiáng)的抗干擾能力[6]。先通過(guò)XTR111將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)傳送至控制板，電流信號(hào)傳送至CPU控制板時(shí)，采用RCV420完成電流到電壓的轉(zhuǎn)化；然后經(jīng)二階濾波將信號(hào)送至CPU的AD采樣口。陀螺信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示，圖3(a)為陀螺反饋電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)電路，由XTR111完成；圖3(b)為電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)電路，由RCV420完成。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

穩(wěn)定平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)正常工作時(shí)，濾波之前的陀螺電源毛刺如圖4所示。陀螺電源的高頻毛刺呈正弦波的變化，正負(fù)交替，幅值最高超過(guò)100 mV。濾波之后的陀螺供電電源如圖5所示。

從圖5中可以看出，圖4中正負(fù)交替的高頻毛刺被有效地濾除了。實(shí)驗(yàn)中紋波最大為9 mV，滿足陀螺對(duì)供電的苛刻要求，保證了陀螺的正常工作以及輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性。

實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)搖擺臺(tái)做正弦運(yùn)動(dòng)來(lái)驗(yàn)證陀螺輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性。當(dāng)搖擺臺(tái)以幅值為15°、周期為5 s的正弦運(yùn)動(dòng)時(shí)，陀螺反饋電壓信號(hào)如圖6所示。

陀螺反饋信號(hào)真實(shí)地反映了搖擺臺(tái)的正弦運(yùn)動(dòng)速度，驗(yàn)證了陀螺信號(hào)調(diào)理的正確有效。

針對(duì)光纖陀螺供電電源質(zhì)量要求高以及模擬輸出的特點(diǎn)，詳細(xì)闡述了光電陀螺在穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)中作為速率敏感器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。硬件電路簡(jiǎn)單可靠，且具有很強(qiáng)的抗干擾能力，能夠滿足一般伺服系統(tǒng)的性能要求，通用性好，可以廣泛用于各種高性能伺服系統(tǒng)中。

[1]周璇.陀螺穩(wěn)定平臺(tái)數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)光電跟蹤平臺(tái)伺服控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008.

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[5]柳春，朱學(xué)軍，張逸成，等.基于合成扼流圈的開(kāi)關(guān)電源EMI濾波器設(shè)計(jì)[J].電氣傳動(dòng)，2008，38(1)：27-30.

[6]米月星，林輝，高翌陽(yáng).天線雙軸穩(wěn)定平臺(tái)伺服控制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].微特電機(jī)，2011，39(8)：35-37.