一种谐振陀螺控制方法及控制系统技术方案

本发明专利技术涉及谐振陀螺技术领域，尤其涉及一种谐振陀螺控制方法，通过电极分时切换单元对电极进行分时复用，将电极的驱动控制通道和检测控制通道简化为单通道，基于数字时间转换方法对振动电压信号进行解调，采用单比特Σ

【技术实现步骤摘要】
一种谐振陀螺控制方法及控制系统


[0001]本专利技术涉及谐振陀螺
，尤其涉及一种谐振陀螺控制方法及控制系统。

技术介绍

[0002]谐振陀螺仪作为一种基于哥氏效应的固体波动陀螺仪，包括石英半球谐振陀螺、金属筒型谐振陀螺、嵌套环陀螺和微半球陀螺等。
[0003]谐振陀螺控制系统施加正弦激励信号驱动谐振子持续振动，检测谐振子的振动信号，通过控制算法稳定谐振子振动幅度、频率、驻波角、形状，获取外界载体角运动并输出，因此控制系统的性能直接影响着谐振陀螺整机的精度指标。
[0004]因谐振陀螺的自身特性，理论上其极限精度与谐振子尺寸无关，因而陀螺表头尺寸可大幅缩减，如MEMS陀螺。然而，为实现高精度输出，控制系统至少需要三个回路，包括稳频控制回路、稳幅控制回路和正交控制回路，检测和驱动单元至少两个模态振动，因此控制系统尺寸成为了谐振陀螺整机体积的制约。与此同时，复杂的硬件设计和众多器件组成也将引入额外的不稳定性，影响陀螺的精度。
[0005]早期控制系统采用模拟器件搭建控制回路或在模拟回路的基础上进行改进，如公开号为CN102620726B的专利公开了微机械陀螺的双闭环控制电路，采用基于AGC的自激振荡和6阶带通滤波，构建驱动模态和检测模态的双闭环控制系统。公开号为CN106482723B的专利公开了一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统及控制方法，采用半数字控制系统实现谐振陀螺的力反馈控制，通过数模转换器DA实现驱动信号输出。然而，模拟回路器件众多，难以实现小型化；同时模拟器件的环境适应性难以保证，如温度特性，使得系统的稳定性较差。
[0006]全数字控制系统，采用数字主控芯片完成信号检测、计算、控制和驱动等功能，抗干扰能力强，集成度高，成为现行技术的主流方案。如公开号为CN105716597B的专利公开了采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统和方法、公开号为CN111578923B的专利公开了一种谐振式陀螺闭环控制方法与系统。然而，由于谐振陀螺的多模态特性，需搭建多通道控制回路，在增加硬件的同时，通道间一致性也难以保障，在陀螺回路引入额外误差。
[0007]公开号为CN112506040A的专利公开了一种全角半球谐振陀螺单通道控制系统及方法，通过驱动检测电极时分复用模块，将陀螺控制从双通道转换为单通道，提升了通道一致性并简化了电路组成。然而，现行的数字控制方案，均采用模数转换器进行信号采集，采用数模转换器进行信号输出。模数转换器和数模转换器的转换过程会引入量化噪声，同时存在转换的非线性，混叠的高次谐波会引发额外误差和毛刺，并且模数转换器和数模转换器的自身尺寸及环境特性，同样使得整个系统的体积较大和稳定性较差。

技术实现思路

[0008]本专利技术所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种谐振陀螺控
制方法及控制系统。
[0009]本专利技术是通过以下技术方案予以实现：一种谐振陀螺控制方法，包括如下步骤：步骤S10，信号调制单元根据驻波角度θ、驱动频率正弦sinω0t和驱动频率余弦cosω0t，对稳幅控制量Ca、正交控制量Cq、速率控制量Cp矢量合成得到X电极的驱动信号E
X
(t)、Y电极的驱动信号E
Y
(t)，驱动信号由单比特Σ
‑
Δ调制器调制后转为二进制流信号；步骤S20，在驱动周期，时序控制单元切换时序下，由电极分时切换单元将电极置于驱动状态，单比特Σ
‑
Δ调制器生成的二进制流信号经程控放大器功率放大后施加于电极，用于驱动谐振子发生振动；步骤S30，在检测周期，时序控制单元切换时序下，由电极分时切换单元将电极置于检测状态，经I/V转换器获取X电极的振动电压信号D
X
(t)和Y电极的振动电压信号D
Y
(t)；步骤S40，在时序控制单元切换时序下，通过比较器将X电极的振动电压信号D
X
(t)和Y电极的振动电压信号D
Y
(t)与参考正弦信号r(t)相比较，信号解调单元记录产生交叉事件的时间节点，通过数字时间转换方法提取X电极的振动电压信号D
X
(t)所对应交叉事件的正弦分量S
x
和余弦分量C
x
以及Y电极的振动电压信号D
Y
(t)所对应交叉事件的正弦分量S
y
和余弦分量C
y
；步骤S50，根据信号解调单元提取的S
x
、S
y
、C
x
、C
y
，由状态解算单元计算回路误差量，包括时延相位、振动能量E、简正偏离Q、驻波角度θ；步骤S60，根据状态解算单元生成的回路误差量，由控制计算单元计算回路控制量，包括稳频控制量ω0、稳幅控制量Ca、正交控制量Cq、速率控制量Cp；步骤S70，正弦发生单元根据步骤S60得到的稳频控制量ω0，生成驱动频率正弦sinω0t和驱动频率余弦cosω0t，同时生成参考正弦信号r(t)，参考正弦信号r(t)传递至比较器，用于产生下一周期的交叉事件；步骤S80，信号调制单元根据步骤S50得到的驻波角度θ、步骤S70得到的驱动频率正弦sinω0t和驱动频率余弦cosω0t，对步骤S60得到的稳幅控制量Ca、正交控制量Cq、速率控制量Cp矢量合成，用于下一周期驱动谐振子，完成谐振陀螺闭环控制。
[0010]优选地，所述时序控制单元用于产生切换时序信号，将谐振陀螺闭环控制的一个工作周期分为四个工作时段，包括X电极驱动时段C1、Y电极驱动时段C2、X电极的振动电压信号检测时段D1和Y电极的振动电压信号检测时段D2，各工作时段在切换至下一工作时段的过程中停留有空闲时段r。
[0011]优选地，所述步骤S40中信号解调单元通过数字时间转换方法提取X电极的振动电压信号D
X
(t)所对应交叉事件的正弦分量S
x
和余弦分量C
x
的过程包括以下步骤：步骤S411，确定求解周期，所述求解周期小于X电极的振动电压信号检测时段D1的时长，定义固定的非零正整数P和G，且P＞G，使求解周期为参考正弦信号r(t)的时间周期的P倍，且使求解周期为振动电压信号D
X
(t)的时间周期的G倍；步骤S412，在求解周期内，通过比较器对X电极的振动电压信号D
X
(t)与参考正弦信号r(t)进行比较，每当X电极的振动电压信号D
X
(t)变得大于参考正弦信号r(t)的时刻，通过信号解调单元记录产生交叉事件的时间节点，从而得到参考正弦信号r(t)的相位瞬时值；步骤S413，信号解调单元根据步骤S412得到的参考正弦信号r(t)的相位瞬时值计
算得出X电极的振动电压信号D
X
(t)所对应交叉事件的正弦分量S
x
和余弦分量C
x
。
[0012]优选地，所述步骤S413中，定义第一中间量，其中，为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种谐振陀螺控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S10，信号调制单元根据驻波角度θ、驱动频率正弦sinω0t和驱动频率余弦cosω0t，对稳幅控制量Ca、正交控制量Cq、速率控制量Cp矢量合成得到X电极的驱动信号E
X
(t)、Y电极的驱动信号E
Y
(t)，驱动信号由单比特Σ
‑
Δ调制器调制后转为二进制流信号；步骤S20，在驱动周期，时序控制单元切换时序下，由电极分时切换单元将电极置于驱动状态，单比特Σ
‑
Δ调制器生成的二进制流信号经程控放大器功率放大后施加于电极，用于驱动谐振子发生振动；步骤S30，在检测周期，时序控制单元切换时序下，由电极分时切换单元将电极置于检测状态，经I/V转换器获取X电极的振动电压信号D
X
(t)和Y电极的振动电压信号D
Y
(t)；步骤S40，在时序控制单元切换时序下，通过比较器将X电极的振动电压信号D
X
(t)和Y电极的振动电压信号D
Y
(t)与参考正弦信号r(t)相比较，信号解调单元记录产生交叉事件的时间节点，通过数字时间转换方法提取X电极的振动电压信号D
X
(t)所对应交叉事件的正弦分量S
x
和余弦分量C
x
以及Y电极的振动电压信号D
Y
(t)所对应交叉事件的正弦分量S
y
和余弦分量C
y
；步骤S50，根据信号解调单元提取的S
x
、S
y
、C
x
、C
y
，由状态解算单元计算回路误差量，包括时延相位、振动能量E、简正偏离Q、驻波角度θ；步骤S60，根据状态解算单元生成的回路误差量，由控制计算单元计算回路控制量，包括稳频控制量ω0、稳幅控制量Ca、正交控制量Cq、速率控制量Cp；步骤S70，正弦发生单元根据步骤S60得到的稳频控制量ω0，生成驱动频率正弦sinω0t和驱动频率余弦cosω0t，同时生成参考正弦信号r(t)，参考正弦信号r(t)传递至比较器，用于产生下一周期的交叉事件；步骤S80，信号调制单元根据步骤S50得到的驻波角度θ、步骤S70得到的驱动频率正弦sinω0t和驱动频率余弦cosω0t，对步骤S60得到的稳幅控制量Ca、正交控制量Cq、速率控制量Cp矢量合成，用于下一周期驱动谐振子，完成谐振陀螺闭环控制。2.根据权利要求1所述的一种谐振陀螺控制方法，其特征在于，所述时序控制单元用于产生切换时序信号，将谐振陀螺闭环控制的一个工作周期分为四个工作时段，包括X电极驱动时段C1、Y电极驱动时段C2、X电极的振动电压信号检测时段D1和Y电极的振动电压信号检测时段D2，各工作时段在切换至下一工作时段的过程中停留有空闲时段r。3.根据权利要求2所述的一种谐振陀螺控制方法，其特征在于，所述步骤S40中信号解调单元通过数字时间转换方法提取X电极的振动电压信号D
X
(t)所对应交叉事件的正弦分量S
x
和余弦分量C
x
的过程包括以下步骤：步骤S411，确定求解周期，所述求解周期小于X电极的振动电压信号检测时段D1的时长，定义固定的非零正整数P和G，且P＞G，使求解周期为参考正弦信号r(t)的时间周期的P倍，且使求解周期为振动电压信号D
X
(t)的时间周期的G倍；步骤S412，在求解周期内，通过比较器对X电极的振动电压信号D
X
(t)与参考正弦信号r(t)进行比较，每当X电极的振动电压信号D
X
(t)变得大于参考正弦信号r(t)的时刻，通过信号解调单元记录产生交叉事件的时间节点，从而得到参考正弦信号r(t)的相位瞬时值；步骤S413，信号解调单元根据步骤S412得到的参考正弦信号r(t)的相位瞬时值计算得出X电极的振动电压信号D
X
(t)所对应交叉事件的正弦分量S
x
和余弦分量C
x
。
4.根据权利要求3所述的一种谐振陀螺控...

【专利技术属性】
技术研发人员：丛正，赵小明，王泽涛，田欣然，史炯，王宝琛，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七〇七研究所，
类型：发明
国别省市：