测控电路 第10章 测控电路设计实例
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10.1 动力调谐陀螺仪再平衡 10.2 系统建模 10.3 电路设计 10.4 测试实验
10.1 动力调谐陀螺仪再平衡 10.2 系统建模 10.3 电路设计 10.4 测试实验
10.1 动力调谐陀螺仪再平衡
惯性元件是惯性导航系统的基本组成部分，通常是指陀螺仪和加速度计；
陀螺仪用来测量载体的角速度，加速度计用来测量载体的线加速度。重力 仪，重力梯度仪也属惯性元件。
陀螺仪
加速度计
a
10.1 动力调谐陀螺仪再平衡
动力调谐陀螺仪是继液浮陀螺仪、气浮陀螺仪之后的第三代惯性级精密陀螺 仪。是一种利用挠性元件对高速旋转转子构成支撑的两自由度陀螺仪。60年 代中期开始被研制，现已广泛应用于民用和军用飞机、各种战术导弹以及中
远程导弹上。
挠性接头
陀螺转子 力矩器 传感器
10.2.3 校正网络设计及系统仿真
频域特性分析
校正前Bode图
校正后Bode图
10.2.3 校正网络设计及系统仿真
时域特性分析
单位阶跃响应
斜坡响应
10.1 动力调谐陀螺仪再平衡 10.2 系统建模 10.3 电路设计 10.4 测试实验
10.3.1预处理电路
预处理电路的目的：将偏摆信号从Hale Waihona Puke Baidu号输出的调幅信号中准确的提取出来， 包括：
H J
2
2
s[ s H J ]
+
α(s)
-
G(s ) Φy(s)
模型传函
1/ J 2 2 s ( H / J ) G ( s) H / J2 2 2 s[ s ( H / J ) ]
H / J 2 s[ s 2 ( H / J ) 2 ] 1/ J s 2 ( H / J )2
前置放大 设计要求
• 应用环境中热噪声、电源噪声等在地线中幅值较大，严重影响系统的测量精度。 为减小系统的电子噪声，前置放大器需要足够高的共模抑制比，用于精确放大一个 存在大的共模分量的毫伏级小信号，最大限度的抑制共模噪声信号，放大差模输入 信号 • 惯性导航系统中，累计误差是主要的误差来源，要求前置放大电路中产生的误差尽可 能小，避免误差在再平衡回路的后续各个环节中逐级放大，并输出角速度中随着积分 增长。 要求输入偏置电流、输入失调电流、输入失调电压、交流噪声密度等保持在较小量 级
A( s) K p
1 Ds 1 ( D / K D ) s
( s) 1 ( s) 1 K P K PC ( s) K ( s) KT Hs 2
1 0 1 x (s) ( ) ( s ) 0 1 s y
10.2.1 陀螺模型
力矩器
I x( s ) KT M X( s )
2
结构部分
1J s H J
H J2 s[ s 2 H J ]
2
Φx(s)
-
信号器
Kp Vx(s)
β(s)
2
+ +
1J s H J
2 2
动力调谐陀陀螺 模型结构
Kp Vy(s)
+
2
KT I y( s ) M Y( s )
• 前置放大 • 带通滤波 • 相敏解调 • 陷波电路
前置放大
前置放大：用于对陀螺内部电感传感器输出的微弱电压信号进行测量放大，提高信 噪比，便于阻抗匹配
• 静态指标：
较小的输入偏置电流、输入失调电流、输入失调电压及低的热漂移
较低的交流噪声密度 高共模抑制比 稳定的放大倍数 较好的线性度 阻抗匹配 • 动态指标： 足够大的增益带宽积，保证足够快的响应速度 较高的转换速率AR和较快的建立时间，能够不失真的放大高速信号
电机。
10.1.1 动力调谐陀螺仪再平衡回路
解调基准 动调陀螺 激磁信号 信号器 输入角速率 陀螺马达 力矩器 功率放大 校正 网络 解耦 网络 前置 放大 带通 滤波 相敏 检波 再平衡回路 陷波 网络
至导航计算机
采样 、 AD 转换
10.1 动力调谐陀螺仪再平衡 10.2 系统建模 10.3 电路设计 10.4 测试实验
δ
滚珠轴承
驱动电机
10.1.1 动力调谐陀螺仪再平衡回路
再平衡回路主要完成系统闭环、信号调理、控制解耦等功能
• 跟踪、锁定的控制回路；
• 闭环、间接的测量回路 反馈回路中的力矩电流反应输入角速度的大小，从而实现对角速度的间接测量
在结构上主要包括信号器（差动式电容传感器）、前置放大、带通滤波、相 敏解调、陷波网络、解耦网络、校正网络、功率放大电路、力矩器以及陀螺
2
β(s)
2
+ +
Kp
Vx(s)
D 21( s ) KPC(s) D22(s) D(s) K(s) I y( s ) KT M Y( s )
H J2 s[ s 2 H J ]
2
+ +
1J s2 H J
2
α(s)
-
Kp
Vy(s)
G(s) Φy(s)
10.2.3 校正网络设计及系统仿真
对再平衡回路的基本要求可以归纳为：
1）闭环稳定，并具有一定的幅值和相角稳定裕度。
2）满足规定的动、静态指标。静态指标是指系统在角度常值、速率和角加速度输入信号 下的稳态偏差；良好的动态指标是指系统及时跟踪角速率变化的能力，具有足够的带宽。
3）能提供足够的加矩电流，平衡最大的输入角速度，在承受最大角加速度时转子偏角不
10.2.2 解耦网络模型
由于陀螺仪机械结构上的原因，两个测量轴之间总是存在交叉耦合。为了消 除这种耦合，需要在两条回路之间加入“解耦”网络。
Φx(s)
-
KPC(s)
D11(s) D12(s)
K(s)
I x( s )
KT
M X( s )
1J s2 H J
H J2 s[ s 2 H J ]
前置放大 设计要求
• 动调陀螺电感传感器输出信号为较高频率（10~20kHz）的调幅信号 要求放大电路有足够的带宽、稳定的增益 • 放大倍数不能太大，防止输出饱和 • 足够高的共模、差模输入阻抗，很低的输出阻抗
超过规定的范围。
10.2.3 校正网络设计及系统仿真
系统开环传函矩阵
P( s ) KT G ( s ) K P D( s ) K ( s ) K PC ( s ) 1/ Hs 2 0 KT K P K ( s ) K PC ( s ) 2 0 1/ Hs
超前校正 闭环传函
10.1 动力调谐陀螺仪再平衡 10.2 系统建模 10.3 电路设计 10.4 测试实验
10.1 动力调谐陀螺仪再平衡
惯性元件是惯性导航系统的基本组成部分，通常是指陀螺仪和加速度计；
陀螺仪用来测量载体的角速度，加速度计用来测量载体的线加速度。重力 仪，重力梯度仪也属惯性元件。
陀螺仪
加速度计
a
10.1 动力调谐陀螺仪再平衡
动力调谐陀螺仪是继液浮陀螺仪、气浮陀螺仪之后的第三代惯性级精密陀螺 仪。是一种利用挠性元件对高速旋转转子构成支撑的两自由度陀螺仪。60年 代中期开始被研制，现已广泛应用于民用和军用飞机、各种战术导弹以及中
远程导弹上。
挠性接头
陀螺转子 力矩器 传感器
10.2.3 校正网络设计及系统仿真
频域特性分析
校正前Bode图
校正后Bode图
10.2.3 校正网络设计及系统仿真
时域特性分析
单位阶跃响应
斜坡响应
10.1 动力调谐陀螺仪再平衡 10.2 系统建模 10.3 电路设计 10.4 测试实验
10.3.1预处理电路
预处理电路的目的：将偏摆信号从Hale Waihona Puke Baidu号输出的调幅信号中准确的提取出来， 包括：
H J
2
2
s[ s H J ]
+
α(s)
-
G(s ) Φy(s)
模型传函
1/ J 2 2 s ( H / J ) G ( s) H / J2 2 2 s[ s ( H / J ) ]
H / J 2 s[ s 2 ( H / J ) 2 ] 1/ J s 2 ( H / J )2
前置放大 设计要求
• 应用环境中热噪声、电源噪声等在地线中幅值较大，严重影响系统的测量精度。 为减小系统的电子噪声，前置放大器需要足够高的共模抑制比，用于精确放大一个 存在大的共模分量的毫伏级小信号，最大限度的抑制共模噪声信号，放大差模输入 信号 • 惯性导航系统中，累计误差是主要的误差来源，要求前置放大电路中产生的误差尽可 能小，避免误差在再平衡回路的后续各个环节中逐级放大，并输出角速度中随着积分 增长。 要求输入偏置电流、输入失调电流、输入失调电压、交流噪声密度等保持在较小量 级
A( s) K p
1 Ds 1 ( D / K D ) s
( s) 1 ( s) 1 K P K PC ( s) K ( s) KT Hs 2
1 0 1 x (s) ( ) ( s ) 0 1 s y
10.2.1 陀螺模型
力矩器
I x( s ) KT M X( s )
2
结构部分
1J s H J
H J2 s[ s 2 H J ]
2
Φx(s)
-
信号器
Kp Vx(s)
β(s)
2
+ +
1J s H J
2 2
动力调谐陀陀螺 模型结构
Kp Vy(s)
+
2
KT I y( s ) M Y( s )
• 前置放大 • 带通滤波 • 相敏解调 • 陷波电路
前置放大
前置放大：用于对陀螺内部电感传感器输出的微弱电压信号进行测量放大，提高信 噪比，便于阻抗匹配
• 静态指标：
较小的输入偏置电流、输入失调电流、输入失调电压及低的热漂移
较低的交流噪声密度 高共模抑制比 稳定的放大倍数 较好的线性度 阻抗匹配 • 动态指标： 足够大的增益带宽积，保证足够快的响应速度 较高的转换速率AR和较快的建立时间，能够不失真的放大高速信号
电机。
10.1.1 动力调谐陀螺仪再平衡回路
解调基准 动调陀螺 激磁信号 信号器 输入角速率 陀螺马达 力矩器 功率放大 校正 网络 解耦 网络 前置 放大 带通 滤波 相敏 检波 再平衡回路 陷波 网络
至导航计算机
采样 、 AD 转换
10.1 动力调谐陀螺仪再平衡 10.2 系统建模 10.3 电路设计 10.4 测试实验
δ
滚珠轴承
驱动电机
10.1.1 动力调谐陀螺仪再平衡回路
再平衡回路主要完成系统闭环、信号调理、控制解耦等功能
• 跟踪、锁定的控制回路；
• 闭环、间接的测量回路 反馈回路中的力矩电流反应输入角速度的大小，从而实现对角速度的间接测量
在结构上主要包括信号器（差动式电容传感器）、前置放大、带通滤波、相 敏解调、陷波网络、解耦网络、校正网络、功率放大电路、力矩器以及陀螺
2
β(s)
2
+ +
Kp
Vx(s)
D 21( s ) KPC(s) D22(s) D(s) K(s) I y( s ) KT M Y( s )
H J2 s[ s 2 H J ]
2
+ +
1J s2 H J
2
α(s)
-
Kp
Vy(s)
G(s) Φy(s)
10.2.3 校正网络设计及系统仿真
对再平衡回路的基本要求可以归纳为：
1）闭环稳定，并具有一定的幅值和相角稳定裕度。
2）满足规定的动、静态指标。静态指标是指系统在角度常值、速率和角加速度输入信号 下的稳态偏差；良好的动态指标是指系统及时跟踪角速率变化的能力，具有足够的带宽。
3）能提供足够的加矩电流，平衡最大的输入角速度，在承受最大角加速度时转子偏角不
10.2.2 解耦网络模型
由于陀螺仪机械结构上的原因，两个测量轴之间总是存在交叉耦合。为了消 除这种耦合，需要在两条回路之间加入“解耦”网络。
Φx(s)
-
KPC(s)
D11(s) D12(s)
K(s)
I x( s )
KT
M X( s )
1J s2 H J
H J2 s[ s 2 H J ]
前置放大 设计要求
• 动调陀螺电感传感器输出信号为较高频率（10~20kHz）的调幅信号 要求放大电路有足够的带宽、稳定的增益 • 放大倍数不能太大，防止输出饱和 • 足够高的共模、差模输入阻抗，很低的输出阻抗
超过规定的范围。
10.2.3 校正网络设计及系统仿真
系统开环传函矩阵
P( s ) KT G ( s ) K P D( s ) K ( s ) K PC ( s ) 1/ Hs 2 0 KT K P K ( s ) K PC ( s ) 2 0 1/ Hs
超前校正 闭环传函