彈載地磁測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)*

白 松,曹紅松*,張憲國(guó),才曉峰

(1.中北大學(xué)彈箭模擬仿真研究中心,太原 030051;2.中國(guó)人民解放軍91851部隊(duì),遼寧 葫蘆島 125001)

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彈載地磁測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)*

白 松1,曹紅松1*,張憲國(guó)1,才曉峰2

(1.中北大學(xué)彈箭模擬仿真研究中心,太原 030051;2.中國(guó)人民解放軍91851部隊(duì),遼寧 葫蘆島 125001)

為了消除彈載地磁測(cè)量系統(tǒng)所受的礦山、電磁、金屬等干擾,本文設(shè)計(jì)了充磁電路,消除強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)磁阻傳感器的干擾;設(shè)計(jì)了濾波電路及合理的布線,消除高頻干擾信號(hào);再提出了誤差識(shí)別補(bǔ)償及看門狗設(shè)置算法,補(bǔ)償了軟硬磁干擾、零位誤差、正交誤差。轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析表明:各組合方法的采用,減少了干擾誤差使姿態(tài)角測(cè)量精度達(dá)到1°以內(nèi),具有一定的工程價(jià)值。

磁阻式傳感器,抗干擾,充磁電路,濾波電路,誤差補(bǔ)償

地磁場(chǎng)是地球的固有特性,為航空、航天、航海提供了天然的坐標(biāo)系[1]。地磁測(cè)姿具有無(wú)源、無(wú)輻射、全天時(shí)、全天候、全地域、能耗低、抗沖擊及過(guò)載能力強(qiáng)和誤差不隨時(shí)間累積的優(yōu)良特質(zhì)。但是地磁場(chǎng)是弱磁場(chǎng),我國(guó)領(lǐng)土范圍內(nèi)的場(chǎng)強(qiáng)在0.4到0.6高斯,使用地磁作為測(cè)量信號(hào)極易受環(huán)境磁場(chǎng)干擾,大大限制了地磁的應(yīng)用范圍。文獻(xiàn)[2]提出了利用形態(tài)濾波和HHT地磁信號(hào)的分析和預(yù)測(cè),這是一種事后處理方法,無(wú)法在彈載環(huán)境下滿足實(shí)時(shí)性的要求。文獻(xiàn)[3]和[4]使用最小二乘法補(bǔ)償軟硬磁干擾對(duì)地磁信號(hào)的影響,在0°～360°之間取24個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試,補(bǔ)償后的測(cè)量值與理論值之間的最大誤差在3°以內(nèi)。本文以工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)針對(duì)霍尼韋爾的HMC系列磁阻傳感器設(shè)計(jì)了充磁電路與濾波電路,并且結(jié)合算法補(bǔ)償使姿態(tài)角測(cè)量精度達(dá)到1°以內(nèi)。

1 干擾特性分析

本文選用霍尼韋爾公司的HMC1052磁阻傳感器測(cè)量地磁信息。從磁阻傳感器的購(gòu)買、使用、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中,不可避免會(huì)偶爾把磁阻傳感器暴露在強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境下[5]。當(dāng)外部磁強(qiáng)過(guò)大時(shí)會(huì)打亂傳感器內(nèi)部磁疇方向,這種改變會(huì)使傳感器的敏感軸所測(cè)磁場(chǎng)不準(zhǔn)。另外,磁阻傳感器會(huì)受環(huán)境溫度和內(nèi)部發(fā)熱的影響,溫度的變化會(huì)導(dǎo)致傳感器內(nèi)部的惠斯通電橋橋臂的阻值發(fā)生變化,使傳感器的輸出產(chǎn)生溫度漂移[6-8]。這種直接作用于磁阻傳感器的干擾統(tǒng)稱為第一類干擾。

根據(jù)物體鐵磁性質(zhì),鐵磁材料可以分為硬磁體和軟磁體[9]。硬磁體主要有永久磁鐵和被磁化的金屬組成,這些干擾磁場(chǎng)會(huì)保持大小恒定,硬磁干擾在磁傳感器的敏感軸上增加了一個(gè)定值輸出。軟磁體本身不帶磁場(chǎng),當(dāng)軟磁體處于磁場(chǎng)中時(shí)會(huì)改變外加磁場(chǎng)的方向與場(chǎng)強(qiáng),扭曲了地磁場(chǎng)的磁力線。扭曲程度取決于測(cè)量平臺(tái)的方位和平臺(tái)的磁特性。這類干擾統(tǒng)稱為第二類干擾。

磁傳感器輸出的電壓值僅幾毫伏,所以需要合理的放大并且AD轉(zhuǎn)換后才可以進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理器。這個(gè)過(guò)程中信號(hào)易受到周圍高頻信號(hào)的影響,影響方式分輻射耦合和傳導(dǎo)耦合兩種。輻射耦合以電磁波的形式將電磁能量從干擾源耦合到電磁敏感設(shè)備,干擾源主要由射頻接收系統(tǒng)和彈上控制電路為修正姿態(tài)而控制電動(dòng)舵機(jī)或者脈噴的瞬時(shí)強(qiáng)電流組成。傳導(dǎo)耦合利用干擾源與電磁敏感設(shè)備之間的電路連接線進(jìn)行傳遞,包括直接傳導(dǎo)耦合與公共阻抗耦合。這類干擾統(tǒng)稱為第三類干擾。

2 充磁電路設(shè)計(jì)

2.1 充磁電路原理

霍尼韋爾生產(chǎn)的磁阻傳感器上有一個(gè)片上電流帶可以執(zhí)行恢復(fù)磁性的操作。這種電流帶可以避免龐雜的外部線圈。當(dāng)磁阻傳感器置于強(qiáng)磁環(huán)境中或測(cè)量超量程時(shí),導(dǎo)致磁阻傳感器上的鎳鐵合金層缺省方向發(fā)生混亂。如圖1第一幅圖所示;第二副圖是在電流帶施加一個(gè)set脈沖后的缺省方向;第三幅圖是在電流帶施加一個(gè)reset脈沖后的缺省方向。磁單元的方向在set和reset脈沖沖擊后相位差為180°,磁單元出廠方向與set脈沖復(fù)位后的方向一致。

圖1 對(duì)磁單元磁場(chǎng)方向的影響

首先,set/reset對(duì)傳感器的影響是相同的,兩者唯一的不同是傳感器輸出的方向不同。為了實(shí)現(xiàn)set/reset功能,需要對(duì)玻莫合金薄層施加一個(gè)持續(xù)時(shí)間為兩微妙大小3A至4A的電流[10]。但是一個(gè)脈沖只能驅(qū)動(dòng)一個(gè)方向,比如,一個(gè)+4 A的set脈沖,其衰減就不能低于0。

圖2所示是簡(jiǎn)單的充磁電路,set和reset脈沖的波形呈指數(shù)形式衰減,因?yàn)椴捎秒娙莩浞烹姰a(chǎn)生大電流脈沖。多數(shù)的電子器件,尤其是消耗式電源設(shè)備,無(wú)法從他們自己的電壓源提供大電流脈沖。因此“Vsr”實(shí)際上指的是電容充電后的電壓。電容的取值取決于所要驅(qū)動(dòng)的電阻的大小,范圍一般從幾百nF到幾u(yù)F。呈指數(shù)衰減的波形由時(shí)間常數(shù)Tau控制,由電容(F)與電阻(Ω)的乘積共同決定,測(cè)量單位是s。

圖2 簡(jiǎn)單的充磁電路原理示意圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

圖3是一個(gè)使用BJT的充磁電路原理圖。為了提高電路的可靠性,本文采用的是多次觸發(fā)set脈沖給磁阻傳感器充磁使其內(nèi)部磁單元方向恢復(fù)到出廠狀態(tài)。使用微控制器控制邏輯電平時(shí),一個(gè)由低到高的電平轉(zhuǎn)換在BJT上產(chǎn)生偏置,使集電極下降到0.2 V。這種集電極突然從VCC下降到0.2 V的過(guò)程是給C1C2充電的過(guò)程,C1C2對(duì)復(fù)位帶放電直到電容的電壓達(dá)到BJT的飽和電壓。在復(fù)位帶電壓作用下產(chǎn)生尖峰電流衰減,和C1C2并聯(lián)放電的效果相同。

圖3 充磁電路原理圖

在器件選擇方面,BJT(Q1)的選擇標(biāo)準(zhǔn)為較高的電流增益,較大的容電流能力(Ic=800 mA),小體積,低功耗等。選擇兩個(gè)0.1 μF的電容作為電容的有效并聯(lián)容值,使電容的損耗相對(duì)于復(fù)位帶4 Ω的電阻更少些。本文選用HMC1052各向異性雙軸磁阻傳感器,其復(fù)位電流帶內(nèi)阻是4 Ω。在0.2 μF的電容,4 Ω的復(fù)位帶電阻這樣的條件下,Tau是0.8 μs,接近于1 μs。實(shí)際情況,BJT和C1C2的時(shí)間常數(shù)會(huì)隨著復(fù)位帶的電阻增大而增大,最終時(shí)間常數(shù)大于1 μs。

電路重復(fù)執(zhí)行set功能的時(shí)間由R4C1C2確定,在上圖所選用的參數(shù)下重復(fù)執(zhí)行set脈沖時(shí)間間隔為220 ms。這種情況下峰值電流最大為14 mA,對(duì)于鋰電池來(lái)說(shuō)提供14 mA的電流不成問(wèn)題。

C3R3的值由微控制器的接口和BJT所需輸入電流決定。2N2222的增益值是200,在集電極600 mA的尖峰脈沖電流下,2N2222的基極需要一個(gè)3 mA的脈沖電流。一般微控制器的邏輯狀態(tài)上升時(shí)間是10 ns或者更小,與Q1基極流過(guò)電流時(shí)間相比更短。R3C3的值同時(shí)確定,保證在set脈沖之后關(guān)閉BJT。R3選擇220 Ω C3選擇0.1 μF則關(guān)斷時(shí)間常數(shù)是22 μs,5倍的時(shí)間常數(shù)是110 μs驅(qū)使基極關(guān)閉BJT。這個(gè)值與C1C2再充電時(shí)間相比非常之小,但是與set脈沖時(shí)間相比就很大。

典型的峰值電流持續(xù)時(shí)間是10 ns到50 ns,那么脈沖峰值電流的持續(xù)時(shí)間可以超過(guò)50 ns或者保持50 ns的95%就可以滿足充磁電路的性能需求。表1是對(duì)圖3的充磁電路仿真后的數(shù)據(jù),分別對(duì)3 V、3.5 V、4 V、4.5 V、5 V 5種充電電壓環(huán)境下脈沖衰減幅值、衰減時(shí)間和峰值電流進(jìn)行了仿真。由于集電極和發(fā)射極之間的壓差,以及C1C2上的損耗,造成在電流帶的放電電壓小于計(jì)算值。考慮到set功能的可靠性以及供電電壓的通用性,VCC宜采用5 V。

表1 不同供電電壓下有效衰減時(shí)間

3 濾波電路設(shè)計(jì)

3.1 濾波電路參數(shù)設(shè)計(jì)

巴特沃斯濾波器是一種具有最大平坦幅度響應(yīng)的低通濾波器,它在通信領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用。與貝塞爾、契比雪夫?yàn)V波器相比,巴特沃斯濾波器在線性相位、衰減斜率和負(fù)載特性3個(gè)方面具有特性均衡的優(yōu)點(diǎn),因此在實(shí)際使用中,巴特沃斯濾波器已被列為首選N階巴特沃斯低通濾波器的振幅和頻率關(guān)系可用如下的公式表示:

(1)

ωC是-3 dB截止頻率階數(shù)N的大小主要影響幅度特性下降的速度,它應(yīng)該由技術(shù)指標(biāo)確定。對(duì)于模擬低通濾波器,其設(shè)計(jì)指標(biāo)有ap,ωp,as和ωs。其中ωp和ωs分別稱為通帶截止頻率和阻帶截止頻率,ap是通帶中的最大衰減系數(shù),as是阻帶的最小衰減系數(shù),as和ap一般用dB數(shù)表示。對(duì)于單調(diào)下降的幅度特性,可表示成:

(2)

(3)

將ω=ωp代入幅度平方函數(shù)(1)的平方式,再將幅度平方函數(shù)代入式(2):

(4)

令ω=ωs,

(5)

對(duì)比式(4)和式(5)可以得到:

(6)

(7)

根據(jù)地磁測(cè)量信號(hào)的頻率特點(diǎn),確定ap,ωp,as和ωs。最后算得的N值帶有小數(shù)位,采用進(jìn)一法確定濾波器的階數(shù)N。

設(shè)計(jì)一個(gè)通帶截止頻率為500 Hz,通帶內(nèi)最大衰減為3 dB,阻帶截止頻率為1 500 Hz,阻帶內(nèi)最大衰減為50 dB的低通濾波器。得到N等于4.925,取整后濾波器的階數(shù)最低為五階。

3.2 濾波電路硬件設(shè)計(jì)

奇數(shù)階的巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)可分解為1個(gè)一階巴特沃斯低通濾波器和(n-1)/2個(gè)二階振蕩環(huán)節(jié)的乘積,在電路實(shí)現(xiàn)上為1個(gè)一階巴特沃斯低通濾波網(wǎng)絡(luò)和(n-1)/2個(gè)二階濾波網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)。同樣,偶數(shù)階的巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)可分解為n/2個(gè)二階振蕩環(huán)節(jié)的乘積,在電路實(shí)現(xiàn)上為n/2個(gè)二階濾波網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)[11]。圖4是一個(gè)五階巴特沃斯低通有源濾波器的原理圖,第1級(jí)是一個(gè)一階低通濾波器,第2級(jí)和第3級(jí)是二階低通濾波器,構(gòu)成五階巴特沃斯低通有源濾波器。

圖4 五階巴特沃斯低通有源濾波器原理圖

根據(jù)五階巴特沃斯低通濾波器的歸一化表可以計(jì)算出濾波器的截止頻率和Q值,如表2所示。

表2 五階巴特沃斯低通濾波器的歸一化表

首先取值C1=C2=C4=22 nF。

第1級(jí),C1=22 nF,Q1=0.5。R1=1/(2πC1fc)=14.468 kΩ

第2級(jí),C2=22 nF,Q2=0.618 034,Cf=C2/2Q=17.8 nF,C3=Cf/2Q=14.4 nF,R2=R3=1/(2πCffc)=17.884 kΩ

第3級(jí)同樣的可以得到,C4=22 nF,C5=2.101 nF,R4=R5=46.82 kΩ

為了防止頻率特性出現(xiàn)凸峰,使運(yùn)放的輸出出現(xiàn)飽和,設(shè)計(jì)電路按Q值由小到大的順序排列[12]。

3.3 噪聲分析

按照此參數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器幅頻特性如圖5所示,圖5顯示出在507.033 Hz處衰減為3.321 dB,與設(shè)計(jì)之初技術(shù)要求吻合。

圖5 五階巴特沃斯低通有源濾波器幅頻特性

4 軟件補(bǔ)償

HMC1052輸出的是差分電壓信號(hào),經(jīng)過(guò)儀表放大器AD623放大后成為單值信號(hào),最后AD轉(zhuǎn)換后成為一個(gè)0到216(使用的是16位8通道的AD芯片)的數(shù)字值。為了從這樣的數(shù)字值中還原原始信號(hào)進(jìn)行姿態(tài)解算,需要對(duì)磁傳感器的誤差模型求解補(bǔ)償系數(shù)[13-14]。

采用擬合法需要先將地磁測(cè)量系統(tǒng)在使用環(huán)境中旋轉(zhuǎn)一周,記錄磁傳感器X、Y軸最大值(Hxmax,Hymax)和最小值(Hxmin,Hymin),然后將磁傳感器原始測(cè)量值(Hsx,Hsy)通過(guò)平移和伸縮變換得到磁傳感器的矯正值(Hs,Hs),平移和伸縮因子的計(jì)算方法和磁傳感器的測(cè)量值的較正方法如下式所示。經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)牡卮泡敵鋈鐖D6所示,兩軸地磁輸出數(shù)據(jù)介于正負(fù)820之間。

圖6 軟件補(bǔ)償后地磁數(shù)據(jù)

使用28335的片內(nèi)資源增加看門狗程序,系統(tǒng)在電磁干擾下丟失時(shí)鐘信號(hào)或其他情況下進(jìn)入死循環(huán)后看門狗程序會(huì)立即對(duì)控制器復(fù)位。在關(guān)鍵程序處增加冗余代碼,提高系統(tǒng)工作可靠性。

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)工具:樣機(jī)電路、雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)、具有實(shí)時(shí)顯示功能的上位機(jī)。

所使用轉(zhuǎn)臺(tái)為北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所為中北大學(xué)研制,滾轉(zhuǎn)軸可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)。角位置測(cè)量分辨率為0.0001°,角位置控制精度±5″,速率范圍±0.01 °/s。圖7是樣機(jī)電路安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上,該電路板上有控制芯片、片外flash、AD等。

先將樣機(jī)電路板在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下放置兩個(gè)月左右,期間不對(duì)其供電,模擬地磁芯片長(zhǎng)期儲(chǔ)存的環(huán)境。然后上電測(cè)量地磁數(shù)據(jù)如圖8所示,從中可以看出HMC1052其中一軸的靈敏度不夠,其峰峰值只有200左右,而且兩軸的數(shù)據(jù)毛刺都很嚴(yán)重。

圖9是對(duì)HMC1052充磁后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),圖中兩軸的峰峰值都達(dá)到了1 600,與實(shí)際情況符合,而且毛刺情況得到了很大的改善,證明充磁步驟必不可少。

以雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)為平臺(tái),采用本文方法測(cè)量樣機(jī)電路輸出滾轉(zhuǎn)角速度精度。輸出頻率為200 Hz,分別測(cè)量2 880 °/s、3 240 °/s、3 600 °/s 3種轉(zhuǎn)速下滾轉(zhuǎn)角速度輸出。滾轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一軸,在2 880 °/s、3 240 °/s、3 600 °/s 3種轉(zhuǎn)速分別輸出23、21、19個(gè)測(cè)量點(diǎn),對(duì)這些點(diǎn)分別與2 880、3 240、3 600求絕對(duì)誤差如圖10所示,高動(dòng)態(tài)下滾轉(zhuǎn)角速度精度達(dá)到1°以內(nèi)。

圖7 樣機(jī)電路板

圖8 充磁前地磁兩軸數(shù)據(jù)

圖9 充磁后地磁兩軸數(shù)據(jù)

圖10 3種轉(zhuǎn)速下滾轉(zhuǎn)角速度絕對(duì)誤差

6 結(jié)論

本文以彈載為應(yīng)用平臺(tái),采用充磁電路使磁阻傳感器工作在最佳狀態(tài),提高傳感器測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度的線性度和重復(fù)性,消除第一類干擾;采用平移和伸縮變換等軟件補(bǔ)償方法削弱第二類干擾;從提高硬件電路的電磁兼容性和采用低通濾波器等方法,全面分析和消除了第三類干擾。綜合實(shí)驗(yàn)和仿真來(lái)看,本文設(shè)計(jì)的方法可以很好的提高整個(gè)磁測(cè)系統(tǒng)抗干擾性能,在工程實(shí)踐中具有可行性。

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白松(1990-),男,中北大學(xué)碩士研究生,研究方向?yàn)閺楏w姿態(tài)探測(cè),baisongqiao@yeah.net;

曹紅松(1967-),女,教授,碩士生導(dǎo)師,現(xiàn)為彈箭模擬仿真研究中心主任,主要研究方向?yàn)橹茖?dǎo)彈藥的彈道理論與技術(shù),彈箭飛行仿真技術(shù),chs@nuc.edu.cn。

TheAntijamDesignofMagneticMeasurementSystemofSpinningMissile*

BAISong1,CAOHongsong1*,ZHANGXianguo1,CAIXiaofeng2

(1.Research Center of Projectiles and Rockets Analog Simulation,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.PLA,No.91851 Troop,Huludao Liaoning 125001,China)

In order to eliminate the rock,electromagnetism field and metal field interference on the spinning missile.This paper design a set/reset cuicurt to protect the MR sensor from the jam of strong magnetic field and design a flitter circuit,rational layout to protect real signal from the jam of high frequency signal and promoted a error compensation and watchdog algorithm to compensate the soft/hard material error,zero error and orthogonal error.The result of rotating platform test and data analysis show that the method of antijam design combination reduce the jam error and the precision of rotation angle measure system can be improved to 1°.It has a certain project value for the roll angle measurement of the spinning projectile.

magneto resistance sensor,antijam,set/reset circuit,flitter circuit,error compensation

項(xiàng)目來(lái)源:兵科院支撐基金(62201070503)

2014-04-24修改日期:2014-06-11

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.07.014

TN973.3

:A

:1004-1699(2014)07-0928-05