光纤陀螺在稳定平台伺服系统中的应用

米月星，林 辉

（西北工业大学 自动化学院，陕西 西安710129）

陀螺稳定平台作为高精度伺服控制系统，广泛用于各种精密机载、舰载、车载设备中[1-2]。稳定平台系统需要安装惯性速率传感器，用以感知载体的角速率变化。光纤陀螺以响应快、精度高、稳定性好等优点，作为反馈器件广泛应用于稳定平台伺服系统中。但是光纤陀螺对供电电源要求很苛刻，而且信号输出范围大、频率高、易受干扰。所以，本文就陀螺的供电电路和输出信号调理作了优化设计。

1 光纤陀螺的供电电路设计

1.1 光纤陀螺对供电的特殊要求

系统选用的光纤陀螺VG910为+5 V直流供电，电源要求+5 V±0.25 V，纹波≤10 mV。系统的驱动控制使得开关器件以10 kHz高频的开通关断，在实验室条件下带来一个10 kHz的脉冲干扰，实际工作环境下可能更为恶劣，严重影响陀螺的供电质量。以下通过电源变换电路和共模扼流圈的滤波改善+5 V电源的质量。

1.2 DC-DC电源变换

现有电源模块输出的+12 V直流电压，需要完成+12 V→+5 V的DC-DC变换。考虑到开关电源模块的开关电路会带来更大的电磁干扰[3]，选取线性电源模块LT1117实现DC-DC变换。对于线性电源，输入输出电压之间过大的电压差会带来很大的散热问题。故采用两个LT1117-ADJ进行两级DC-DC变换，第一级将+12 V变换为+8.5 V，然后经过第二级DC-DC变换得到+5 V电压。

1.3 基于共模扼流圈的电源滤波器设计

在稳定平台实际工作环境中，陀螺出现了损坏的情况：实验发现，+5 V的供电电源上出现了频率为10 kHz，幅值最高超过100 mV的毛刺。针对这一情况设计了基于共模扼流圈的电源滤波器，对+5 V电源进行滤波处理，实验结果证明可以很好地消除100 mV的毛刺，取得了很好的效果。

当负载电流流过共模扼流圈时，串联在正线上的线圈所产生的磁力线与串联在地线上的线圈所产生的磁力线方向相反，它们在磁芯中相互抵消，因此即使在大负载电流的情况下，磁芯也不会饱和。而对于共模干扰电流，两个线圈产生的磁场是同方向的，会有较大的电感，从而起到衰减干扰信号的作用[4]。

为了更好地增强滤波效果，设计了两个独立的扼流圈，分别完成共模和差模滤波。实验证明这种方式的滤波性能优于单个的共模扼流圈。由于共模与差模产生原因以及传播途径的不同，分别进行了共、差模滤波器的设计。共、差模合成滤波器如图1所示。

共模滤波器可以等效为LC低通滤波电路。转折频率[4]为：

随着噪声频率的增加，其插入损耗以40 dB/dec的斜率增加[5]，从而达到抑制高频共模干扰信号的目的。

同理，差模滤波器也可等效为LC低通滤波电路。转折频率为：

随着噪声频率的增加，其插入损耗以40 dB/dec的斜率增加，从而达到抑制高频差模干扰信号的目的。

C1、C2选用 4 700 pF的陶瓷电容，并使得两电容中点与大地导通。

根据插入损耗的频率大小可以确定滤波器的元器件参数，针对陀螺供电电源的10 kHz的毛刺，选择 Cx=Cy=10 μF，Lx=Ly=1 mH。 计算得知：fg=fc=1.6 kHz。高于1.6 kHz的干扰信号会得到不同程度的衰减，随着噪声频率的增加，其插入损耗以40 dB/dec的斜率增加，从而可以对10 kHz及更高频率的干扰信号产生很大的衰减，达到抑制高频干扰信号的目的。

2 陀螺输出的信号调理

陀螺VG910输出的是电压信号，输出电压信号与测知的速度值为线性关系，50 mV对应的是1°/s，速度值代表载体速度与电机反方向速度之差。当电机反向速度与载体的速度严格相等时，天线就能保持方向不变，这也是稳定平台伺服系统的控制原理[6]。所以，陀螺信号的精度直接影响系统的工作性能，速度反馈信号的调理显得非常重要。

2.1 信号限幅

VG910的测量范围为±100°/s，远远超过系统所涉及的速度范围。为了提高反馈速度的精度，在信号调理上应限制最大速度，使反馈值的精度得以提高。系统指标提出在最大幅值为15°、周期最小为5 s的正弦摇摆条件下平台保持正常稳定工作。由于平台摇摆角速度为：

陀螺输出信号调理限幅电路如图2所示。稳压管D1 将电压输出信号 G_vol限定在[-20°/s，+20°/s]的速度信号范围内，以提高反馈信号的精度。

2.2 信号传输

在本系统中，陀螺信号需通过长达60 m的双绞屏蔽线传送至CPU控制板。因采取电压信号传输会有一定的衰减，故采用电流信号实现对陀螺信号的传输，具有更强的抗干扰能力[6]。先通过XTR111将电压信号转换为电流信号传送至控制板，电流信号传送至CPU控制板时，采用RCV420完成电流到电压的转化；然后经二阶滤波将信号送至CPU的AD采样口。陀螺信号调理电路如图3所示，图3(a)为陀螺反馈电压信号转化为电流信号电路，由XTR111完成；图3(b)为电流信号转化为电压信号电路，由RCV420完成。

3 实验结果及分析

稳定平台伺服控制系统正常工作时，滤波之前的陀螺电源毛刺如图4所示。陀螺电源的高频毛刺呈正弦波的变化，正负交替，幅值最高超过100 mV。滤波之后的陀螺供电电源如图5所示。

从图5中可以看出，图4中正负交替的高频毛刺被有效地滤除了。实验中纹波最大为9 mV，满足陀螺对供电的苛刻要求，保证了陀螺的正常工作以及输出信号的准确性。

实验中，通过摇摆台做正弦运动来验证陀螺输出信号的准确性。当摇摆台以幅值为15°、周期为5 s的正弦运动时，陀螺反馈电压信号如图6所示。

陀螺反馈信号真实地反映了摇摆台的正弦运动速度，验证了陀螺信号调理的正确有效。

针对光纤陀螺供电电源质量要求高以及模拟输出的特点，详细阐述了光电陀螺在稳定平台系统中作为速率敏感器件的设计和应用。硬件电路简单可靠，且具有很强的抗干扰能力，能够满足一般伺服系统的性能要求，通用性好，可以广泛用于各种高性能伺服系统中。

[1]周璇.陀螺稳定平台数字控制系统设计光电跟踪平台伺服控制系统研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

[2]衣昌明，刘璟，黎莉.光纤陀螺信号的采集与处理[J].舰船电子工程，2009，29(8)：69-71.

[3]Ye Sheng，WILSON E，Liu Yanfei.A novel EMI filterdesign method for switching power supplies[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2004，19(6)：1668-1678.

[4]邵志和.电源输入滤波器的设计及应用[J].电力机车与城轨车辆，2009，32(3)：22-24.

[5]柳春，朱学军，张逸成，等.基于合成扼流圈的开关电源EMI滤波器设计[J].电气传动，2008，38(1)：27-30.

[6]米月星，林辉，高翌阳.天线双轴稳定平台伺服控制器的设计和实现[J].微特电机，2011，39(8)：35-37.