CN109682366A - 用于数字激光陀螺的自适应跟踪抖动控制***及实现方法 - Google Patents

用于数字激光陀螺的自适应跟踪抖动控制***及实现方法 Download PDF

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Abstract

用于数字激光陀螺的自适应跟踪抖动控制***及实现方法，***包括：全数字锁相环、加噪电路、PWM脉宽调制驱动电路、谐振腔、抖动轮或者抖动杆、抖动信号检测电路。抖动控制方法包括：调整锁相环中心频率，与常温预先测量的谐振腔固有频率一致；锁相环输出信号加噪、PWM调制后，通过驱动电路加载到抖动轮或者抖动杆，使谐振腔处于谐振状态，从激光陀螺输出的拍频信号中解调出谐振腔抖动信号作为锁相环的输入信号，构成一个闭环***。由于环境温度、谐振腔老化等原因，谐振腔固有频率发生变化，闭环***中锁相环能够自适应跟踪输入信号频率，使驱动信号与谐振腔固有频率一致，处于谐振状态。实现以最小的抖动驱动功率，得到需要的抖动幅度。

Description

用于数字激光陀螺的自适应跟踪抖动控制***及实现方法
技术领域
本发明涉及用于数字激光陀螺的自适应跟踪抖动控制***，在谐振腔固有频率随环境温度变化时，保证谐振腔抖动基本处于谐振状态，提高抖动驱动效率，降低激光陀螺整体功耗。
背景技术
激光陀螺是一个角速度感应装置，是捷联式惯性导行***的关键部件。普遍使用的机抖激光陀螺，是通过抖动杆或者抖动轮，对谐振腔外加机械抖动。谐振腔输出的拍频信号包含载体角速度和抖动引起的角速度。将拍频信号整形为脉冲信号，FPGA采集脉冲信号，采用多种方法，去除抖动、噪声、地球自转引起的输出变化，保留载体真实角速度，通过这种方法可以消除激光陀螺固有的闭锁效应。若能使外加抖动信号的频率与谐振腔固有频率一致，就能以最小驱动功率获得额定抖动幅度。抖动幅度大小由激光陀螺输出的拍频信号偏频量确定。偏频量是陀螺输出信号的平均频率，随抖动幅度变化而变化。
但是，由于环境温度、湿度、谐振腔应力等变化，谐振腔的固有频率随之变化，如何实现抖动驱动信号频率与谐振腔固有频率尽可能接近，出现了多种不同方法，本发明***及方法能够低成本、高实时性、高可靠性地使抖动驱动信号频率自动跟踪谐振腔的固有频率。控制电路全部数字化，克服了模拟控制电路易受环境影响，控制精度变化的问题。
发明内容
本发明目的在于提出用于数字激光陀螺的自适应跟踪抖动控制***及实现方法，在-40°至85°温度范围内，使机抖式激光陀螺谐振腔抖动频率保持与谐振腔固有频率一致，实现以最小驱动功率，使得抖动幅度满足偏频量要求。
用于数字激光陀螺的自适应跟踪抖动控制***，其特征由全数字化锁相环（ADPLL—All Digital Phase Locked Loop）、伪随机序列加噪电路、PWM脉宽调制驱动电路、抖动轮或者抖动杆、抖动信号检测电路构成一个闭环***，其中，谐振腔固定在抖动轮或者抖动杆上，ADPLL、加噪电路、PWM脉宽调制驱动电路和抖动检测电路等由FPGA实现，如图1所示。
自动跟踪抖动控制***控制方法：采用HDL硬件描述语言设计数字锁相环等数字逻辑电路，下载到FPGA中，实现一个以ADPLL（全数字锁相环）为核心的闭环抖动控制回路。调整ADPLL中心频率（数控振荡器DCO中心频率）与谐振腔固有频率一致；ADPLL输出的方波信号经过伪随机序列PWM调制后，通过脉冲驱动电路加载到抖动轮或者抖动杆上，使谐振腔抖动处于谐振状态；再从激光陀螺输出的拍频信号中解调出谐振腔抖动信号（方波）作为ADPLL的输入信号，若谐振腔固有频率有小的变化，该闭环***会自动跟踪，使抖动频率尽可能与谐振腔固有频率一致。
不同谐振腔固有频率一般分布在280Hz至750Hz之间，采用专门工具提前测定每个谐振腔常温下的固有频率。***在工作时，当环境温度在-40°至85°变化和（或者）谐振腔老化等原因，谐振腔固有频率变化一般在±12Hz以内。
初始工作状态，锁相环输出方波信号，使输出频率为锁相环中心频率，输出信号频率与谐振腔固有频率一致,从激光陀螺输出的拍频信号中解调出谐振腔抖动信号也为固有频率，锁相环输入信号与反馈信号频率一致，锁相环不用做任何调节。
当谐振腔固有频率缓慢变化时，检测电路检测到变化后的谐振腔抖动输出信号，将其作为锁相环输入，锁相环跟踪输入信号频率变化，使谐振腔抖动处于谐振状态。ADPLL的中心频率可以根据需要调整：初始设计，中心频率为常温下谐振腔固有频率，当环境温度变化比较小，谐振腔固有频率变化也比较小，锁相环跟踪能力可以保证抖动***处于谐振状态；当抖动频率（与固有频率几乎相等）与中心频率偏差比较大时（大于4Hz），适当调整ADPLL内DCO中心频率，使抖动频率与DCO中心频率接近；始终保持ADPLL中心频率与抖动频率在4Hz范围内，这样，ADPLL能够使抖动频率等于或者非常接近谐振腔固有频率，即抖动***处于谐振状态。
ADPLL输出方波信号，加噪电路包含伪随机序列发生器电路，伪随机序列发生器输出串行伪随机序列，伪随机序列最小脉冲宽度是ADPLL输出方波信号周期的倍数；加噪电路用伪随机序列高低电平调制方波宽度，伪随机序列电平为高“1”时，方波宽度相对大，伪随机序列电平为低“0”时，方波宽度相对小，方波宽度相差20%~40%。方波宽度实际值，根据激光陀螺输出拍频信号偏频量决定，可以自动调整或者上位机设定。
抖动驱动电路将FPGA输出的2路脉冲信号转换成±45V的脉冲信号，加载到多个压电陶瓷片上，陶瓷片固定在抖动杆或者抖动轮上，用于杆/轮抖动驱动。
拍频信号包含角速度、激光强度、程长控制等丰富信息，通过整形输入到FPGA，用于解算出载体角速度；通过模数转换器ADC输入到FPGA，用于光强控制、程长控制。在FPGA中，从拍频信号中提取谐振腔抖动信号，频率量作为ADPLL输入信号，幅度量作为PWM调制依据。减少了额外的抖动信号检测电路、降低成本、降低功耗、提高可靠性。
实现本发明的技术路线是：作为闭环抖动控制***核心单元，全数字锁相环(ADPLL)是一种反馈控制电路，由鉴相器（PD，Phase Detector）、K环路计数器（LC，LoopCounter）和数控振荡器（DCO，Digital Controlled Oscillator）3部分组成，如图2所示。其工作原理是鉴相器PD检测输入信号和输出信号的相位差，K环路计数器将检测出的相位差转换为进位/借位信号，控制数控振荡器DCO，使DCO输出方波信号的频率发生变化，DCO输出信号即为锁相环输出；反馈通路把DCO输出信号相位反馈到鉴相器。经过一定时间后，锁相环输出信号频率与输入信号频率一致，实现了输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪。ADPLL采用HDL语言设计，在FPGA中实现。ADPLL输入信号为检测到的谐振腔抖动信号。
激光陀螺的抖动机构数学模型可以近似为一个典型的二阶振荡环节，其传递函数为：
其中，为抖动角度，为抖动激励电压（即驱动电路输出信号），谐振腔固有频率与抖动驱动信号频率的关系：。设谐振腔固有频率=400 Hz，***品质因数Q=1/=100，则***幅频和相频特性如图3所示。说明，驱动信号频率只有等于或者接近谐振腔固有频率时，才能获得最大的抖动幅度。
抖动***为一个闭环***，抖动驱动信号是谐振腔抖动机构的激励源，若将锁相环中心频率设置为400Hz，激励源频率与谐振腔固有频率一致，闭环***处于谐振状态。若随着环境温度变化，谐振腔固有频率缓慢变化，相当于锁相环输入信号变化，根据锁相环工作原理，锁相环输出信号会跟踪输入信号，确保激励源与固有频率一致。
ADPLL全数字锁相环中心频率可以由上位机设定，可以根据环境变化自动调节。当环境温度变化比较小时，谐振腔固有频率变化相对比较小，闭环***基本处于谐振状态；当环境温度变化比较大，使得中心频率与抖动频率偏差比较大时（4Hz左右），调整中心频率为此时的抖动频率，锁相环输出频率快速达到固有频率，闭环***处于谐振状态。若中心频率不对调整，在温度引起固有频率变化与常温时固有频率偏差达到10Hz以上时，抖动频率与固有频率相差接近2Hz，根据图3特性，抖动***处于亚谐振状态，需要增加驱动功率，才能达到额定抖动幅度。
用于数字激光陀螺的自适应跟踪抖动控制***实现方法，包括如下步骤：
抖动控制回路属于激光陀螺一个组成部分，由全数字锁相环ADPLL、伪随机序列加噪电路、PWM脉宽调制驱动电路、抖动轮或者抖动杆、抖动信号检测电路构成一个闭环***，其中，谐振腔固定在抖动轮或者抖动杆上；全数字锁相环ADPLL、伪随机序列加噪电路、PWM脉宽调制电路、抖动信号检测电路采用HDL设计，在FPGA实现。提前测定谐振腔固有频率，调整锁相环中心频率，使其输出的方波频率与常温预先测量的谐振腔固有频率一致；方波有两种宽度值，两种宽度度相差20~40%，并可调；依据加噪电路输出的伪随机序列“0”、“1”变化，取不同值，即叠加噪声；再通过驱动电路加载到抖动轮或者抖动杆的压电陶瓷片上，使抖动轮或者抖动杆抖动运动，带动谐振腔抖动在谐振状态，加到抖动轮或者抖动杆压电陶瓷片上的方波实际宽度值，由抖动驱动电路中放大电路根据偏频量确定；抖动轮或者抖动杆在抖动运动时，抖动频率和抖动幅度都会体现在拍频信号中，模拟数字转换器ADC将拍频信号转换为数字信号送到FPGA，在FPGA中检测到抖动频率，作为ADPLL输入信号，检测到抖动幅度，用于调整抖动脉冲宽度，如图1所示。
由于环境温度、谐振腔老化等原因，谐振腔固有频率会缓慢变化，抖动闭环***中ADPLL能够自动跟踪输入信号，使驱动信号尽可能与谐振腔固有频率一致，处于谐振状态。达到一定驱动能量获得最大抖动幅度或者抖动幅度一定时，所需抖动能量最小。
与现有技术相比本发明的优点。
现有抖动闭环控制***一般采用单片机通过数字模拟转换器DAC输出正弦波，通过抖动驱动电路驱动抖动轮或者抖动杆，再通过单片机检测抖动频率，形成闭环。缺点：电路复杂，成本高，单片机软件受干扰易“跑飞”造成***不稳定。本发明可以克服上述缺点。
本发明前期采用模拟锁相环，虽然比1有优势，但是，各种模拟器件参数易受温度变化影响，不宜做到精确控制；特别是，锁相环中心频率不可调，在环境温度变化比较大时，抖动频率与固有频率差别相对比较大，需要更大驱动能力才能满足抖动幅度要求，造成功耗比较大。
本发明能够快速跟踪谐振腔固有频率。
本发明采用HDL和FPGA技术数字化设计，控制参数可以上位机配置，灵活性高、受环境影响小，成本低，可靠性高。
与现有技术相比本发明在此类应用是一个理想方案。
附图说明:
借助于附图可以详细描述并理解本发明；
图1为抖动驱动结构示意图;
图2为全数字锁相环ADPLL原理示意图;
图3为抖动***的幅频和相频特性示意图。
其他说明：
谐振腔：激光陀螺内部由棱镜/反射镜、石英晶体、激光发生器等构成的光回路空间物体；
拍频信号：谐振腔输出正反方向的两路光信号在光电转换器上产生干涉条纹，经过光电转换、放大后的电信号，其包含载体角速度、地球自转速度、主动抖动驱动引起的角速度和电路噪声引起的角速度；
偏频量：激光陀螺输出拍频信号的平均频率，反映抖动幅度大小。是衡量去除激光陀螺闭锁效应的重要参数。

Claims (7)

1.用于数字激光陀螺的自适应跟踪抖动控制***，其特征在于：由全数字化锁相环（ADPLL）、加噪电路、PWM脉宽调制驱动电路、抖动轮或者抖动杆、抖动信号检测电路构成一个闭环***，其中，谐振腔固定在抖动轮或者抖动杆上；ADPLL、加噪电路、PWM调制电路和抖动检测电路由FPGA实现。
2.如权利要求1所述***，自动跟踪抖动控制***控制方法，其特征在于：控制器件为FPGA，采用HDL硬件描述语言设计***中各种数字电路逻辑；配置ADPLL初始中心频率与谐振腔固有频率一致；锁相环输出方波信号，采用加噪电路产生的伪随机序列进行PWM脉宽调制后，通过脉冲驱动电路加载到抖动轮或者抖动杆上，使谐振腔抖动处于谐振状态；再从激光陀螺输出的拍频信号中解调出谐振腔抖动信号（方波）作为ADPLL的输入信号，若谐振腔固频率有小的变化，该闭环***会自动跟踪，使抖动频率与谐振腔固有频率一致。
3.如权利要求1所述***，其特征在于，不同的谐振腔固有频率一般分布在280Hz至750Hz之间；采用专门工具测定每个谐振腔常温下的固有频率；***在工作时，当环境温度在-40°至85°变化和（或者）谐振腔老化，谐振腔固有频率变化范围一般±12Hz以内。
4.如权利要求1所述***，其特征在于，谐振腔固有频率因环境因素缓慢变化时，闭环***中ADPLL跟踪其变化；同时，将检测到的抖动信号频率与锁相环中心频率实时比较，若绝对值相差大于设定的临界值，自动调整锁相环的中心频率为检测到的抖动频率，使抖动处于谐振状态：保证抖动频率与谐振腔实际固有频率误差最大不超过0.5Hz。
5.如权利要求1所述***，其特征在于，ADPLL输出方波信号，加噪电路输出串行伪随机序列信号，伪随机序列最小脉冲宽度等于ADPLL输出方波信号周期，非最小脉冲宽度是锁相环输出方波信号周期的整倍数；加噪电路用伪随机序列高低电平调制方波宽度；伪随机序列低电平“0”时，方波宽度相对比较窄，伪随机序列高电平“1”时，方波宽度相对比较宽，方波宽度相差20%~40%；方波幅度实际值，根据激光陀螺输出拍频信号的偏频量和脉冲功率驱动电路电压值决定，可以由上位机设定；将调制后的脉冲信号，分别以A/B两路信号输出，方便与驱动电路匹配。
6.如权利要求1所述***，其特征在于，将PWM脉宽调制信号经过驱动电路后加到多个压电陶瓷片上，压电陶瓷片固定在抖动杆或者抖动轮上，驱动杆/轮以ADPLL输出信号的频率抖动。
7.如权利要求1所述***，其特征在于，拍频信号包含角速度、激光强度、程长控制等丰富信息，从拍频信号中提取谐振腔抖动信号，频率量作为ADPLL输入信号，幅度量作为PWM调制依据，
减少了额外检测电路。
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