激光陀螺數(shù)字機(jī)抖電路優(yōu)化

徐步峰，羅延明，滕曉燕, 馬文宏，鄭 毅

(1.北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京 100074;2.中國(guó)航天科工飛航技術(shù)研究院，北京 100074)

0 引言

基于Sagnac效應(yīng)[1]工作的激光陀螺作為高精度捷聯(lián)慣性系統(tǒng)的首選傳感器，具有精度高、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)范圍寬、可靠性高、啟動(dòng)迅速、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)[2-3],如今被應(yīng)用在航天[4]、航空[5]、航海[6-8]、定位導(dǎo)航[9-11]等各個(gè)方面。

閉鎖效應(yīng)[12]是激光陀螺產(chǎn)生誤差的主要因素之一，為了克服鎖區(qū)對(duì)激光陀螺的影響，需要讓激光陀螺工作在偏頻狀態(tài)。目前，實(shí)現(xiàn)偏頻的方法主要有四種，分別為機(jī)械抖動(dòng)偏頻、磁鏡交變偏頻、速度偏頻與四頻差動(dòng)。其中，機(jī)械抖動(dòng)偏頻[13-14]是最早實(shí)際應(yīng)用的偏頻技術(shù)，同時(shí)機(jī)抖偏頻陀螺也是目前廣泛使用的激光陀螺之一，其核心思想是采用小振幅高速機(jī)械抖動(dòng)裝置強(qiáng)迫環(huán)形激光器繞垂直于諧振腔環(huán)路平面的軸線來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)，為諧振腔內(nèi)相向行波對(duì)提供快速交變偏頻[15]。

傳統(tǒng)的模擬機(jī)抖控制系統(tǒng)采用正弦波驅(qū)動(dòng)，該系統(tǒng)規(guī)模大、易受溫度影響、可控性與可拓展性差，如今可用數(shù)字機(jī)抖控制系統(tǒng)代替來(lái)克服這些不足。

數(shù)字機(jī)抖控制[16]采用方波驅(qū)動(dòng)，與正弦驅(qū)動(dòng)相比，兩種驅(qū)動(dòng)模式產(chǎn)生的效果相近，在驅(qū)動(dòng)幅度相等的情況下，方波驅(qū)動(dòng)相較于正弦驅(qū)動(dòng)能夠得到更大的抖動(dòng)響應(yīng)，功耗更小。數(shù)字機(jī)械抖動(dòng)電路通常由4個(gè)基本功能電路單元組成，分別為：鑒相電路單元、鑒幅電路單元、機(jī)抖驅(qū)動(dòng)邏輯電路單元和功率放大電路單元。目前采用的數(shù)字機(jī)抖控制電路為保證電路安全，普遍存在耦合電容器件，導(dǎo)致電路的輸出信號(hào)無(wú)法及時(shí)響應(yīng)輸入信號(hào)的變化，限制了驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比的調(diào)節(jié)范圍，從而限制了數(shù)字機(jī)抖的精確抖動(dòng)控制和噪聲注入控制。同時(shí)，在電路的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，抖輪的壓電陶瓷上存在反向充電電壓，從而導(dǎo)致抖輪無(wú)法工作在理想的自由振蕩狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)不到最佳的抖動(dòng)控制效果。針對(duì)以上2個(gè)目前數(shù)字機(jī)抖控制電路中存在的不足，本文提出了去除耦合電容器件，添加邏輯保護(hù)電路，同時(shí)采用雙向放電的改進(jìn)方案，并對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 數(shù)字機(jī)械抖動(dòng)控制原理

數(shù)字機(jī)抖控制電路的原理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字機(jī)抖電路原理框圖Fig.1 Digital dithered control circuit schematic

鑒相電路的功能是從機(jī)抖反饋信號(hào)中解調(diào)出機(jī)抖的諧振頻率和過(guò)零點(diǎn)，以此作為機(jī)抖驅(qū)動(dòng)邏輯控制的依據(jù)，確保陀螺能夠在諧振頻率點(diǎn)附近進(jìn)行抖動(dòng)。

鑒幅電路用于檢測(cè)機(jī)抖反饋信號(hào)的幅度信息，該信息為機(jī)抖幅度的反饋信號(hào)，參與幅度的閉環(huán)控制。若機(jī)抖幅度減小，則增大機(jī)抖驅(qū)動(dòng)方波信號(hào)的占空比，增加驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用時(shí)間，機(jī)抖幅度將增大；若機(jī)抖幅度增大，則減小機(jī)抖驅(qū)動(dòng)方波信號(hào)的占空比，縮短驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用時(shí)間，機(jī)抖幅度將減小，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)抖幅度的穩(wěn)定控制。

機(jī)抖控制回路的工作分為起動(dòng)和閉環(huán)2個(gè)過(guò)程。起動(dòng)過(guò)程中，機(jī)抖驅(qū)動(dòng)邏輯電路首先發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)作為抖輪的激勵(lì)信號(hào)，頻率接近諧振頻率。在激勵(lì)信號(hào)的作用下，抖動(dòng)輪開始抖動(dòng)，激勵(lì)信號(hào)的作用時(shí)間結(jié)束后，抖動(dòng)輪因慣性作用會(huì)保持抖動(dòng)，這時(shí)的抖動(dòng)為無(wú)激勵(lì)的自由振蕩，自由振蕩的頻率接近諧振頻率。通過(guò)位置傳感器從抖輪上采集機(jī)抖反饋信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后輸入鑒相電路與鑒幅電路，機(jī)抖驅(qū)動(dòng)邏輯電路通過(guò)相位信息和幅度信息計(jì)算輸出相應(yīng)頻率和占空比的數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大得到機(jī)抖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，作用于抖輪。當(dāng)抖輪工作在諧振點(diǎn)時(shí)，抖動(dòng)效率最高；當(dāng)工作點(diǎn)偏離諧振頻率時(shí)，抖動(dòng)效率會(huì)急劇降低，該電路可以保證抖動(dòng)幅度保持穩(wěn)定，抖動(dòng)頻率穩(wěn)定在諧振頻率。

2 功率放大電路

機(jī)抖控制電路中，功率放大電路的功能是將機(jī)抖驅(qū)動(dòng)邏輯電路輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)電平放大為±65V。功率放大電路由推挽式放大電路實(shí)現(xiàn)，目前普遍采用的功率放大電路如圖2所示。

圖2 功率放大電路Fig.2 Power amplifier circuit

從圖2中可以看出，OUTH、OUTL和MUTE信號(hào)路徑上都存在一個(gè)耦合電容，使3個(gè)信號(hào)均在邊沿時(shí)有效，這樣可以防止上電后OUTH、OUTL和MUTE信號(hào)的狀態(tài)不固定導(dǎo)致誤導(dǎo)通。電路采用的是兩級(jí)放大形式，三極管Q3與Q4實(shí)現(xiàn)一級(jí)放大，三極管Q5與Q6實(shí)現(xiàn)二級(jí)放大。從圖2中可知，當(dāng)OUTH信號(hào)與OUTL信號(hào)都為高時(shí)，三極管Q3導(dǎo)通，三極管Q4截止，機(jī)抖驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)為+65V；當(dāng)OUTH信號(hào)與OUTL信號(hào)都為低時(shí)，三極管Q4導(dǎo)通，三極管Q3截止，此時(shí)輸出為-65V。抖輪上貼有壓電陶瓷，與電片的正負(fù)極相連，通電后壓電陶瓷將發(fā)生伸縮變形，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)抖輪的抖動(dòng)。要使抖輪工作在自由振蕩的狀態(tài)，需要將壓電陶瓷上存儲(chǔ)的電荷進(jìn)行釋放，故功率放大電路中需要加入放電回路。圖2中，三極管Q1與Q2組成了放電回路。三極管Q1構(gòu)成正向電荷放電回路，三極管Q2構(gòu)成負(fù)向電荷放電回路。控制信號(hào)時(shí)序如圖3所示。

圖3 控制信號(hào)時(shí)序圖Fig.3 Control signal timing diagram

在實(shí)際的方波驅(qū)動(dòng)中，因機(jī)抖驅(qū)動(dòng)信號(hào)通路上采用了電容耦合[17]，限制了機(jī)抖驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比的調(diào)節(jié)范圍，無(wú)法適應(yīng)隨機(jī)噪聲注入等需要大范圍調(diào)整占空比的應(yīng)用場(chǎng)合。同時(shí)，由于抖輪采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)，使電路在實(shí)際工作中輸出的驅(qū)動(dòng)存在反向充電的現(xiàn)象，同樣會(huì)影響占空比的精確調(diào)節(jié)，實(shí)測(cè)波形如圖4所示。

圖4 實(shí)測(cè)機(jī)抖驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)Fig.4 Waveform of actual dithered driving output

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了解決機(jī)抖驅(qū)動(dòng)信號(hào)存在反向充電的問(wèn)題，首先分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因。由于電路中的放電回路是分時(shí)工作的，當(dāng)電壓由+65V變?yōu)?V時(shí)，正向電荷放電回路工作，釋放正向電荷；當(dāng)電壓由-65V變?yōu)?V時(shí)，負(fù)向電荷放電回路工作，釋放負(fù)向電荷。當(dāng)壓電陶瓷[18-19]在工作中產(chǎn)生反向電荷時(shí)，沒(méi)有釋放途徑，因此產(chǎn)生了該現(xiàn)象。若2個(gè)放電回路同時(shí)工作，當(dāng)壓電陶瓷出現(xiàn)反向電荷時(shí)，通過(guò)放電回路可將其釋放，這就可以避免反向充電現(xiàn)象的產(chǎn)生。用2個(gè)信號(hào)分別控制2個(gè)放電回路，正向電荷放電回路由MUTEH信號(hào)控制，負(fù)向電荷放電回路由MUTEL信號(hào)控制。優(yōu)化后的電路圖與時(shí)序圖分別如圖5與圖6所示。

圖5 優(yōu)化后的數(shù)字機(jī)抖電路Fig.5 Improved dithered circuit

圖6 優(yōu)化后控制信號(hào)時(shí)序圖Fig.6 Improved signal timing diagram

4 仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證

在Multisim仿真平臺(tái)上對(duì)數(shù)字機(jī)抖電路進(jìn)行了建模仿真。圖7和圖8所示分別為放電回路優(yōu)化前后的仿真波形， 圖中通道1皆為機(jī)抖驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，圖7的通道2為MUTE信號(hào)，圖8的通道2為MUTEH信號(hào)。

圖7 優(yōu)化前機(jī)抖驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)波形Fig.7 Waveform of the original dithered driving circuit output

圖8 優(yōu)化后機(jī)抖驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)波形Fig.8 Improved dithered driving circuit output waveform

圖7中，機(jī)抖驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)存在明顯的反向充電現(xiàn)象。對(duì)比圖7與圖8的機(jī)抖驅(qū)動(dòng)輸出波形可以看出，優(yōu)化后兩路放電電路同時(shí)工作可有效避免反向充電的發(fā)生。

圖9與圖10所示分別為優(yōu)化前后機(jī)抖控制信號(hào)占空比較小時(shí)機(jī)抖驅(qū)動(dòng)的輸出信號(hào)波形。圖中通道1為機(jī)抖驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，通道2為機(jī)抖控制信號(hào)OUTH。從圖9中可以看出，優(yōu)化前由于耦合電容的作用，機(jī)抖驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)不能與機(jī)抖控制信號(hào)同步，無(wú)法實(shí)現(xiàn)小占空比的機(jī)抖控制。

圖9 優(yōu)化前機(jī)抖驅(qū)動(dòng)電路小占空比輸出波形Fig.9 Waveform of the original dithed driving circuit output with small duty cycle

圖10 優(yōu)化后機(jī)抖驅(qū)動(dòng)電路小占空比輸出波形圖Fig.10 Improved dithered driving circuit output waveform with small duty

從圖10中可以看出，優(yōu)化后的電路由于不存在耦合電容的影響，當(dāng)機(jī)抖控制信號(hào)占空比較小時(shí)，機(jī)抖驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)也能夠很好地與機(jī)抖控制信號(hào)同步，可以實(shí)現(xiàn)小占空比的機(jī)抖控制。

圖11所示為優(yōu)化后數(shù)字機(jī)抖電路的實(shí)測(cè)輸出波形。與仿真結(jié)果一致，進(jìn)一步證明了優(yōu)化方法的有效性。

圖11 優(yōu)化后的實(shí)測(cè)機(jī)抖驅(qū)動(dòng)輸出波形Fig.11 Measured dithered driving output waveform after optimization

5 結(jié)論

1)通過(guò)去掉耦合電容同時(shí)增加防共態(tài)導(dǎo)通保護(hù)邏輯的方式，解決了機(jī)抖驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比調(diào)節(jié)范圍窄的問(wèn)題，可以實(shí)現(xiàn)精確的機(jī)抖控制和數(shù)字噪聲注入控制。

2)通過(guò)采用雙向放電的控制方式，解決了機(jī)抖驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷存在反向充電電壓的問(wèn)題，使陀螺抖動(dòng)可以達(dá)到比較理想的自由振蕩狀態(tài)。

3)仿真和試驗(yàn)結(jié)果證明，本文提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可行，效果明顯。通過(guò)系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)表明，精確的機(jī)抖控制和數(shù)字噪聲注入控制能夠?qū)⒓す馔勇菥忍岣?倍以上，可應(yīng)用于高精度的激光陀螺機(jī)抖控制。