测控电路(第5版) 第10章 测控电路设计实例

KPC(s) KPC(s)
D11(s) D12(s) D21(s) D22(s) D(s)
Ix(s)
K(s)
KT
K(s)
KT
Iy(s)
MX(s)
1J
s2 H J 2
H J2
s[s2 H J 2 ]
Φx(s)
β(s)
Kp +
+
MY(s)
H J2
s[s2 H J 2 ]
1J
s2 H J 2
G(s)
陀螺仪
第10章 测控电路设计实例
a
加速度计
3
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 δ
第10章 测控电路设计实例
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10.2.3 校正网络设计及系统仿真
系统开环传函矩阵
P(s) KTG(s)KPD(s)K (s)KPC (s)
1/ Hs2 0
KT KP K (s)KPC (s)
0
1
/
Hs2
超前校正 闭环传函
A(s)
K
p
1
1Ds ( D / KD
)s
(s) (s)
1
1
KP KPC (s)K (s)KT Hs2
1
0
0 1
(
1 s
)
&x &y
(s) (s)
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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
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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
10.2.1 陀螺模型
力矩器
Ix(s) KT
KT Iy(s)
结构部分 Φx(s) 信号器
MX(s)
1J
s2 H J 2
H J2
s[s2 H J 2 ]
1J
s2 H J 2
β(s)
Kp +
+
+
Vx(s)
动力调谐陀陀螺 模型结构
MY(s)
H J2
s[s2 H J 2 ]
G(s)
+
Kp α(s)
-
Φy(s)
模型传函
Vy(s)
1/ J
G(s)
s2 (H / J )2
H / J2
s[s2
(H
/
J
)2
]
H / J 2
s[s2
(H
/
J
)2
]
1/ J
s2 (H / J)2
第10章 测控电路设计实例
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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。
第10章
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
第10章
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。
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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
滚珠轴承
驱动电机
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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 电机。
+
+
Kp α(s)
-
Φy(s)
Vx(s) Vy(s)
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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 超过规定的范围。
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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
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斜坡响应
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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
10.3.1预处理电路
预处理电路的目的：将偏摆信号从信号输出的调幅信号中准确的提取出来， 包括：
• 前置放大 • 带通滤波 • 相敏解调 • 陷波电路
第10章 测控电路设计实例
第10章 测控电路设计实例
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10.1.1 动力调谐陀螺仪再平衡回路
激磁信号 输入角速率
动调陀螺 信号器 陀螺马达 力矩器
前置 放大
带通 滤波
解调基准
相敏 检波
再平衡回路 陷波 网络
功率放大
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第10章
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
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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