环形激光陀螺仪的机械抖动控制及信号读出的研究

环形激光陀螺仪(RLG)机械抖动偏频是克服闭锁误差行之有效的方法,但随之带来的抖动噪声和动态锁区误差,必须采取抖动去除和引入随机抖动加以克服。在L-1型RLG信号读出电路中采用了整周期采样去除抖动的方法,这种方法在不增加原系统复杂性情况下消除了抖动影响;其不足之处是未能充分发挥RLG潜在的精度,而且对于类似L-1型RLG,由于抖动频率较低,其净信号输出频率较低,不能满足一些姿态更新快的导航系统要求。高频采样和数字信号处理能弥补整周期去除抖动的不足,是抖动去除技术发展方向,但对于L-1型RLG,由于本体内没有安装抖动传感器,目前的数字信号处理方法还不能满足实际应用要求。

在惯性测量组合(IMU)中,为保证寻北精度,至少需要两支高精度的RLG。目前采用俄国L-1型RLG,其整周期采样频率较低,约为154Hz,而且零偏稳定性不能保证寻北精度,其中的重要因素是原RLG的控制和读出系统影响其使用精度。因此有必要自行研制L-1型RLG的抖动及读出电路。

1　抖动控制

RLG抖动驱动需要高精度高稳定性的正弦功率信号。由于L-1型RLG中没有抖动角度传感器,原抖动驱动电路采用开环控制,抖动驱动控制信号幅值不够稳定。测试结果表明,其幅值波动为3%～5%。

在新研制的电路中,抖动的频率和幅值都采用了闭环控制,保证了抖动的频率和幅值的稳定性。由于L-1型RLG中没有抖动角度传感器,采用RLG中抖动电磁铁的电流信号作为反馈信号,实现了抖动幅值闭环控制。L-1型RLG使用的是单E型交流电磁铁,其线圈电感值可近似为

式中W为线圈匝数,S为决定磁导和电磁吸力的衔铁端面面积,K为考虑到磁通从磁极边缘扩散影响的系数,δ为气隙长度。

　　忽略电磁铁线圈电阻,线圈电流

　　由式(2)可知,当U为常数,可以利用I来稳定抖动幅值。

新设计的抖动驱动电路框图如图1所示。新研制的电路中幅值控制的反馈信号采用电流互感器提取,这样有利于保持电磁铁和电路的原有特性。电路中抖动驱动信号频率和幅值可以在一定范围内精密调节。为保证标度因数的稳定性,要求调节抖动驱动电压的幅值使得RLG读出信号频率在50～100kHz范围内,抖动驱动频率需调节到电磁铁谐振曲线的线性中心,约为77Hz。实验结果表明,新研制电路提供的驱动信号频率稳定,幅值波动小于1%(RMS)。

2　读出电路

原有的读出电路只能对RLG的输出信号进行整周期解调,为适应高频采集信号的需要,研制了用于PC机上的RLG读出4倍频采样解调电路。该电路能实现RLG的信号整周期读出,其采样频率最高为23kHz,并具有简单滤波和出错报警功能。在硬件设计上采用了数字系统集成技术,核心器件为用户逻辑门数为9000的类ASIC芯片—高速FPGA产品3195A (XILINX公司器件),速度级-5。