彈載地磁測量系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計*

白 松,曹紅松*,張憲國,才曉峰

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

?

彈載地磁測量系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計*

白 松1,曹紅松1*,張憲國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.中國人民解放軍91851部隊,遼寧 葫蘆島 125001)

為了消除彈載地磁測量系統(tǒng)所受的礦山、電磁、金屬等干擾,本文設(shè)計了充磁電路,消除強磁場對磁阻傳感器的干擾;設(shè)計了濾波電路及合理的布線,消除高頻干擾信號;再提出了誤差識別補償及看門狗設(shè)置算法,補償了軟硬磁干擾、零位誤差、正交誤差。轉(zhuǎn)臺試驗與數(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)角測量精度達到1°以內(nèi),具有一定的工程價值。

磁阻式傳感器,抗干擾,充磁電路,濾波電路,誤差補償

地磁場是地球的固有特性,為航空、航天、航海提供了天然的坐標(biāo)系[1]。地磁測姿具有無源、無輻射、全天時、全天候、全地域、能耗低、抗沖擊及過載能力強和誤差不隨時間累積的優(yōu)良特質(zhì)。但是地磁場是弱磁場,我國領(lǐng)土范圍內(nèi)的場強在0.4到0.6高斯,使用地磁作為測量信號極易受環(huán)境磁場干擾,大大限制了地磁的應(yīng)用范圍。文獻[2]提出了利用形態(tài)濾波和HHT地磁信號的分析和預(yù)測,這是一種事后處理方法,無法在彈載環(huán)境下滿足實時性的要求。文獻[3]和[4]使用最小二乘法補償軟硬磁干擾對地磁信號的影響,在0°～360°之間取24個點進行測試,補償后的測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)點針對霍尼韋爾的HMC系列磁阻傳感器設(shè)計了充磁電路與濾波電路,并且結(jié)合算法補償使姿態(tài)角測量精度達到1°以內(nèi)。

1 干擾特性分析

本文選用霍尼韋爾公司的HMC1052磁阻傳感器測量地磁信息。從磁阻傳感器的購買、使用、儲存、運輸?shù)冗^程中,不可避免會偶爾把磁阻傳感器暴露在強磁場環(huán)境下[5]。當(dāng)外部磁強過大時會打亂傳感器內(nèi)部磁疇方向,這種改變會使傳感器的敏感軸所測磁場不準(zhǔn)。另外,磁阻傳感器會受環(huán)境溫度和內(nèi)部發(fā)熱的影響,溫度的變化會導(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,這些干擾磁場會保持大小恒定,硬磁干擾在磁傳感器的敏感軸上增加了一個定值輸出。軟磁體本身不帶磁場,當(dāng)軟磁體處于磁場中時會改變外加磁場的方向與場強,扭曲了地磁場的磁力線。扭曲程度取決于測量平臺的方位和平臺的磁特性。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)換后才可以進入數(shù)字信號處理器。這個過程中信號易受到周圍高頻信號的影響,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)而控制電動舵機或者脈噴的瞬時強電流組成。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

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)磁阻傳感器置于強磁環(huán)境中或測量超量程時,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set脈沖后的缺省方向;第三幅圖是在電流帶施加一個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 對磁單元磁場方向的影響

首先,set/reset對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。為了實現(xiàn)set/reset功能,需要對玻莫合金薄層施加一個持續(xù)時間為兩微妙大小3A至4A的電流[10]。但是一個脈沖只能驅(qū)動一個方向,比如,一個+4 A的set脈沖,其衰減就不能低于0。

圖2所示是簡單的充磁電路,set和reset脈沖的波形呈指數(shù)形式衰減,因為采用電容充放電產(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,無法從他們自己的電壓源提供大電流脈沖。因此“Vsr”實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)動的電阻的大小,范圍一般從幾百nF到幾uF。呈指數(shù)衰減的波形由時間常數(shù)Tau控制,由電容(F)與電阻(Ω)的乘積共同決定,測量單位是s。

圖2 簡單的充磁電路原理示意圖

2.2 硬件設(shè)計

圖3是一個使用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,一個由低到高的電平轉(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的過程是給C1C2充電的過程,C1C2對復(fù)位帶放電直到電容的電壓達到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。實際情況,BJT和C1C2的時間常數(shù)會隨著復(fù)位帶的電阻增大而增大,最終時間常數(shù)大于1 μs。

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

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3 mA的脈沖電流。一般微控制器的邏輯狀態(tài)上升時間是10 ns或者更小,與Q1基極流過電流時間相比更短。R3C3的值同時確定,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)斷時間常數(shù)是22 μs,5倍的時間常數(shù)是110 μs驅(qū)使基極關(guān)閉BJT。這個值與C1C2再充電時間相比非常之小,但是與set脈沖時間相比就很大。

典型的峰值電流持續(xù)時間是10 ns到50 ns,那么脈沖峰值電流的持續(xù)時間可以超過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是對圖3的充磁電路仿真后的數(shù)據(jù),分別對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、衰減時間和峰值電流進行了仿真。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算值?？紤]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間

3 濾波電路設(shè)計

3.1 濾波電路參數(shù)設(shè)計

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、契比雪夫濾波器相比,巴特沃斯濾波器在線性相位、衰減斜率和負載特性3個方面具有特性均衡的優(yōu)點,因此在實際使用中,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。對于模擬低通濾波器,其設(shè)計指標(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)

對比式(4)和式(5)可以得到:

(6)

(7)

根據(jù)地磁測量信號的頻率特點,確定ap,ωp,as和ωs。最后算得的N值帶有小數(shù)位,采用進一法確定濾波器的階數(shù)N。

設(shè)計一個通帶截止頻率為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

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個一階巴特沃斯低通濾波器和(n-1)/2個二階振蕩環(huán)節(jié)的乘積,在電路實現(xiàn)上為1個一階巴特沃斯低通濾波網(wǎng)絡(luò)和(n-1)/2個二階濾波網(wǎng)絡(luò)的級聯(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個二階振蕩環(huán)節(jié)的乘積,在電路實現(xiàn)上為n/2個二階濾波網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)[11]。圖4是一個五階巴特沃斯低通有源濾波器的原理圖,第1級是一個一階低通濾波器,第2級和第3級是二階低通濾波器,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,C1=22 nF,Q1=0.5。R1=1/(2πC1fc)=14.468 kΩ

第2級,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,使運放的輸出出現(xiàn)飽和,設(shè)計電路按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 軟件補償

HMC1052輸出的是差分電壓信號,經(jīng)過儀表放大器AD623放大后成為單值信號,最后AD轉(zhuǎn)換后成為一個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進行姿態(tài)解算,需要對磁傳感器的誤差模型求解補償系數(shù)[13-14]。

采用擬合法需要先將地磁測量系統(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量值(Hsx,Hsy)通過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算方法和磁傳感器的測量值的較正方法如下式所示。經(jīng)過補償?shù)牡卮泡敵鋈鐖D6所示,兩軸地磁輸出數(shù)據(jù)介于正負820之間。

圖6 軟件補償后地磁數(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鐘信號或其他情況下進入死循環(huán)后看門狗程序會立即對控制器復(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 試驗結(jié)果與分析

試驗工具:樣機電路、雙軸轉(zhuǎn)臺、具有實時顯示功能的上位機。

所使用轉(zhuǎn)臺為北京航天計量測試技術(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是樣機電路安裝在轉(zhuǎn)臺上,該電路板上有控制芯片、片外flash、AD等。

先將樣機電路板在實驗室環(huán)境下放置兩個月左右,期間不對其供電,模擬地磁芯片長期儲存的環(huán)境。然后上電測量地磁數(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HMC1052充磁后的實測數(shù)據(jù),圖中兩軸的峰峰值都達到了1 600,與實際情況符合,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)臺為平臺,采用本文方法測量樣機電路輸出滾轉(zhuǎn)角速度精度。輸出頻率為200 Hz,分別測量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個測量點,對這些點分別與2 880、3 240、3 600求絕對誤差如圖10所示,高動態(tài)下滾轉(zhuǎn)角速度精度達到1°以內(nèi)。

圖7 樣機電路板

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)角速度絕對誤差

6 結(jié)論

本文以彈載為應(yīng)用平臺,采用充磁電路使磁阻傳感器工作在最佳狀態(tài),提高傳感器測量磁場強度的線性度和重復(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。綜合實驗和仿真來看,本文設(shè)計的方法可以很好的提高整個磁測系統(tǒng)抗干擾性能,在工程實踐中具有可行性。

[1] 郭才發(fā),胡正東,張士峰,等.地磁導(dǎo)航綜述[J].宇航學(xué)報,2009,30(4):1314-1319.

[2]李季,潘孟春,唐鶯,等.基于形態(tài)濾波和HHT的地磁信號分析與預(yù)處理[J].儀器儀表學(xué)報,2012,33(10):2175-2180.

[3]邵婷婷,馬建倉,胡士峰,等.電子羅盤的傾斜及羅查補償算法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2007,20(6):1335-1337.

[4]秦濤,馬建倉,王彤,等.電子羅盤最佳橢圓誤差補償方法[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2013,26(11):1499-1503.

[5]于靖,卜雄洙,葉健.帶傾斜修正的電子磁羅盤傾角測量誤差補償算法[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報,2013,21(6):721-725.

[6]Du Guangtao,Chen Xiangdong.MEMS Magnetometer Based on Magnetorheological Elastomer[J].Measurement,2012(45):54-58.

[7]Xiang Chao,Bu Xiongzhu,Yang Bo.Three Different Attitude Measurements of Spinning Projectile Based on Magnetic Sensors[J].Measurement,2014(47):331-340.

[8]徐建.鐵磁材料對地磁測量的干擾分析[D].南京:南京理工大學(xué),2013.

[9]趙鑫爐,張曉明,白渚銓,等.基于磁阻傳感器的航姿測量系統(tǒng)羅差補償技術(shù)研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2013,26(11):1504-1507.

[10]孔慶新,張朝暉,藍金輝,等.磁阻傳感器中SET/RESET充磁電路的分析[J].儀器儀表學(xué)報,2005,26(8):118-119.

[11]李鐘慎.高階Butterworth低通濾波電路的快速設(shè)計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2007(4):27-29.

[12]劉鑫,劉琪芳,高文華.有源低通濾波器仿真設(shè)計教學(xué)研究[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報,2013,35(3):59-61.

[13]Caruso M J.Applications of Magnetic Sensors for Low Cost Compass Systems[C]//IEEE 2000 Position Locations and Navigation Symposium,2000:178-184.

[14]Li Xisheng,Kang Ruiqing,Shu Xiongying.Tilt-Induced-Error Compensation for 2-Axis Magnetic Compass with 2-Axis Accelerometer[C]//World Congress on Computer Science and Information Engineering,2009:122-125.

白松(1990-),男,中北大學(xué)碩士研究生,研究方向為彈體姿態(tài)探測,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,主要研究方向為制導(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

項目來源: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