激光陀螺數字機抖電路優化

徐步峰，羅延明，滕曉燕, 馬文宏，鄭 毅

(1.北京自動化控制設備研究所，北京 100074;2.中國航天科工飛航技術研究院，北京 100074)

0 引言

基于Sagnac效應[1]工作的激光陀螺作為高精度捷聯慣性系統的首選傳感器，具有精度高、性能穩定、抗干擾能力強、動態范圍寬、可靠性高、啟動迅速、壽命長等優勢[2-3],如今被應用在航天[4]、航空[5]、航海[6-8]、定位導航[9-11]等各個方面。

閉鎖效應[12]是激光陀螺產生誤差的主要因素之一，為了克服鎖區對激光陀螺的影響，需要讓激光陀螺工作在偏頻狀態。目前，實現偏頻的方法主要有四種，分別為機械抖動偏頻、磁鏡交變偏頻、速度偏頻與四頻差動。其中，機械抖動偏頻[13-14]是最早實際應用的偏頻技術，同時機抖偏頻陀螺也是目前廣泛使用的激光陀螺之一，其核心思想是采用小振幅高速機械抖動裝置強迫環形激光器繞垂直于諧振腔環路平面的軸線來回轉動，為諧振腔內相向行波對提供快速交變偏頻[15]。

傳統的模擬機抖控制系統采用正弦波驅動，該系統規模大、易受溫度影響、可控性與可拓展性差，如今可用數字機抖控制系統代替來克服這些不足。

數字機抖控制[16]采用方波驅動，與正弦驅動相比，兩種驅動模式產生的效果相近，在驅動幅度相等的情況下，方波驅動相較于正弦驅動能夠得到更大的抖動響應，功耗更小。數字機械抖動電路通常由4個基本功能電路單元組成，分別為：鑒相電路單元、鑒幅電路單元、機抖驅動邏輯電路單元和功率放大電路單元。目前采用的數字機抖控制電路為保證電路安全，普遍存在耦合電容器件，導致電路的輸出信號無法及時響應輸入信號的變化，限制了驅動信號占空比的調節范圍，從而限制了數字機抖的精確抖動控制和噪聲注入控制。同時，在電路的實際應用中發現，抖輪的壓電陶瓷上存在反向充電電壓，從而導致抖輪無法工作在理想的自由振蕩狀態，進而達不到最佳的抖動控制效果。針對以上2個目前數字機抖控制電路中存在的不足，本文提出了去除耦合電容器件，添加邏輯保護電路，同時采用雙向放電的改進方案，并對改進方案進行了仿真分析和試驗驗證。

1 數字機械抖動控制原理

數字機抖控制電路的原理框圖如圖1所示。

圖1 數字機抖電路原理框圖Fig.1 Digital dithered control circuit schematic

鑒相電路的功能是從機抖反饋信號中解調出機抖的諧振頻率和過零點，以此作為機抖驅動邏輯控制的依據，確保陀螺能夠在諧振頻率點附近進行抖動。

鑒幅電路用于檢測機抖反饋信號的幅度信息，該信息為機抖幅度的反饋信號，參與幅度的閉環控制。若機抖幅度減小，則增大機抖驅動方波信號的占空比，增加驅動信號的作用時間，機抖幅度將增大；若機抖幅度增大，則減小機抖驅動方波信號的占空比，縮短驅動信號的作用時間，機抖幅度將減小，以此來實現機抖幅度的穩定控制。

機抖控制回路的工作分為起動和閉環2個過程。起動過程中，機抖驅動邏輯電路首先發出驅動信號作為抖輪的激勵信號，頻率接近諧振頻率。在激勵信號的作用下，抖動輪開始抖動，激勵信號的作用時間結束后，抖動輪因慣性作用會保持抖動，這時的抖動為無激勵的自由振蕩，自由振蕩的頻率接近諧振頻率。通過位置傳感器從抖輪上采集機抖反饋信號，經信號調理后輸入鑒相電路與鑒幅電路，機抖驅動邏輯電路通過相位信息和幅度信息計算輸出相應頻率和占空比的數字驅動信號，經功率放大器放大得到機抖驅動信號，作用于抖輪。當抖輪工作在諧振點時，抖動效率最高；當工作點偏離諧振頻率時，抖動效率會急劇降低，該電路可以保證抖動幅度保持穩定，抖動頻率穩定在諧振頻率。

2 功率放大電路

機抖控制電路中，功率放大電路的功能是將機抖驅動邏輯電路輸出的驅動信號電平放大為±65V。功率放大電路由推挽式放大電路實現，目前普遍采用的功率放大電路如圖2所示。

圖2 功率放大電路Fig.2 Power amplifier circuit

從圖2中可以看出，OUTH、OUTL和MUTE信號路徑上都存在一個耦合電容，使3個信號均在邊沿時有效，這樣可以防止上電后OUTH、OUTL和MUTE信號的狀態不固定導致誤導通。電路采用的是兩級放大形式，三極管Q3與Q4實現一級放大，三極管Q5與Q6實現二級放大。從圖2中可知，當OUTH信號與OUTL信號都為高時，三極管Q3導通，三極管Q4截止，機抖驅動輸出信號為+65V；當OUTH信號與OUTL信號都為低時，三極管Q4導通，三極管Q3截止，此時輸出為-65V。抖輪上貼有壓電陶瓷，與電片的正負極相連，通電后壓電陶瓷將發生伸縮變形，以此來實現抖輪的抖動。要使抖輪工作在自由振蕩的狀態，需要將壓電陶瓷上存儲的電荷進行釋放，故功率放大電路中需要加入放電回路。圖2中，三極管Q1與Q2組成了放電回路。三極管Q1構成正向電荷放電回路，三極管Q2構成負向電荷放電回路。控制信號時序如圖3所示。

圖3 控制信號時序圖Fig.3 Control signal timing diagram

在實際的方波驅動中，因機抖驅動信號通路上采用了電容耦合[17]，限制了機抖驅動信號占空比的調節范圍，無法適應隨機噪聲注入等需要大范圍調整占空比的應用場合。同時，由于抖輪采用壓電陶瓷驅動，使電路在實際工作中輸出的驅動存在反向充電的現象，同樣會影響占空比的精確調節，實測波形如圖4所示。

圖4 實測機抖驅動輸出信號Fig.4 Waveform of actual dithered driving output

3 優化設計

為了解決機抖驅動信號存在反向充電的問題，首先分析該現象產生的原因。由于電路中的放電回路是分時工作的，當電壓由+65V變為0V時，正向電荷放電回路工作，釋放正向電荷；當電壓由-65V變為0V時，負向電荷放電回路工作，釋放負向電荷。當壓電陶瓷[18-19]在工作中產生反向電荷時，沒有釋放途徑，因此產生了該現象。若2個放電回路同時工作，當壓電陶瓷出現反向電荷時，通過放電回路可將其釋放，這就可以避免反向充電現象的產生。用2個信號分別控制2個放電回路，正向電荷放電回路由MUTEH信號控制，負向電荷放電回路由MUTEL信號控制。優化后的電路圖與時序圖分別如圖5與圖6所示。

圖5 優化后的數字機抖電路Fig.5 Improved dithered circuit

圖6 優化后控制信號時序圖Fig.6 Improved signal timing diagram

4 仿真分析和試驗驗證

在Multisim仿真平臺上對數字機抖電路進行了建模仿真。圖7和圖8所示分別為放電回路優化前后的仿真波形， 圖中通道1皆為機抖驅動輸出信號，圖7的通道2為MUTE信號，圖8的通道2為MUTEH信號。

圖7 優化前機抖驅動輸出信號波形Fig.7 Waveform of the original dithered driving circuit output

圖8 優化后機抖驅動輸出信號波形Fig.8 Improved dithered driving circuit output waveform

圖7中，機抖驅動輸出信號存在明顯的反向充電現象。對比圖7與圖8的機抖驅動輸出波形可以看出，優化后兩路放電電路同時工作可有效避免反向充電的發生。

圖9與圖10所示分別為優化前后機抖控制信號占空比較小時機抖驅動的輸出信號波形。圖中通道1為機抖驅動輸出信號，通道2為機抖控制信號OUTH。從圖9中可以看出，優化前由于耦合電容的作用，機抖驅動輸出信號不能與機抖控制信號同步，無法實現小占空比的機抖控制。

圖9 優化前機抖驅動電路小占空比輸出波形Fig.9 Waveform of the original dithed driving circuit output with small duty cycle

圖10 優化后機抖驅動電路小占空比輸出波形圖Fig.10 Improved dithered driving circuit output waveform with small duty

從圖10中可以看出，優化后的電路由于不存在耦合電容的影響，當機抖控制信號占空比較小時，機抖驅動輸出信號也能夠很好地與機抖控制信號同步，可以實現小占空比的機抖控制。

圖11所示為優化后數字機抖電路的實測輸出波形。與仿真結果一致，進一步證明了優化方法的有效性。

圖11 優化后的實測機抖驅動輸出波形Fig.11 Measured dithered driving output waveform after optimization

5 結論

1)通過去掉耦合電容同時增加防共態導通保護邏輯的方式，解決了機抖驅動信號占空比調節范圍窄的問題，可以實現精確的機抖控制和數字噪聲注入控制。

2)通過采用雙向放電的控制方式，解決了機抖驅動壓電陶瓷存在反向充電電壓的問題，使陀螺抖動可以達到比較理想的自由振蕩狀態。

3)仿真和試驗結果證明，本文提出的優化設計方法可行，效果明顯。通過系統級試驗表明，精確的機抖控制和數字噪聲注入控制能夠將激光陀螺精度提高3倍以上，可應用于高精度的激光陀螺機抖控制。