CN104515516A - 一种基于力平衡模式的半球谐振陀螺数字控制电路 - Google Patents

一种基于力平衡模式的半球谐振陀螺数字控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于力平衡模式的半球谐振陀螺数字控制电路，该电路包括陀螺表头等，第一信号检测电路、第二信号检测电路都与陀螺表头连接，第一模数转换电路与第二信号检测电路连接，第二模数转换电路与第一信号检测电路连接，数字频率跟踪电路、数字幅度控制电路都与第一模数转换电路连接，数字力反馈控制电路、数字正交控制电路都与第二模数转换电路连接，第一数模转换电路连接在第一高压驱动电路和数字幅度控制电路之间，第二数模转换电路连接在第二高压驱动电路和数字力反馈控制电路之间。本发明能够有效地提高陀螺的控制精度及其稳定性，并且温度环境的变化对数字控制电路的精度影响小，并能减小控制电路的质量和体积。

Description

一种基于力平衡模式的半球谐振陀螺数字控制电路
技术领域
本发明涉及一种数字控制电路，具体地，涉及一种基于力平衡模式的半球谐振陀螺数字控制电路。
背景技术
现有卫星用的半球谐振陀螺及半球谐振陀螺组合，主要采用全模拟控制或半数字化控制方式，其控制电路通过复杂的模拟器件对半球陀螺谐振子进行信号读取、调理、解调与反馈控制。使用模拟或半数字化方式对半球谐振陀螺进行控制有以下不足：
一，控制精度低；由于半球谐振陀螺控制方式复杂，采用模拟方式进行解调控制时需要使用数量众多的模拟器件，而每个模拟器件都会引入噪声，从而使得系统噪声较大。
二，温度适应性差；使用模拟方式对半球谐振子进行信号解调与控制，由于每个模拟器件都会受到温度的影响，使得控制效果在不同的温度下不一致，容易使系统产生较大的温度漂移。
三，抗干扰能力差；模拟器件易受到除温度外的各种因素的影响，如电场、磁场等，且模拟电路中易产生模拟信号的串扰，使陀螺输出受到影响。
四，调试维护困难；模拟系统通过调节电阻电容值调整系统关键参数值，此种调节方式不能覆盖所有参数值，给调试维护带来难度。
五，设计复杂、周期长且灵活性差；用模拟器件来实现陀螺信号的解调与反馈控制，电路设计较为复杂，且电路功能及性能验证需要制作实际电路才能进行验证，导致设计周期长，若需改变系统结构则需重新对电路进行设计制作及验证，灵活性差。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种基于力平衡模式的半球谐振陀螺数字控制电路，其能够有效地提高陀螺的控制精度及其稳定性，并且温度环境的变化对数字控制电路的精度影响小，并能减小控制电路的质量和体积。
根据本发明的一个方面，提供一种基于力平衡模式的半球谐振陀螺数字控制电路，其特征在于，包括陀螺表头、第一信号检测电路、第二信号检测电路、第一模数转换电路、第二模数转换电路、数字频率跟踪电路、数字幅度控制电路、数字力反馈控制电路、数字正交控制电路、第一数模转换电路、第二数模转换电路、第三数模转换电路、第一高压驱动电路、第二高压驱动电路、第三高压驱动电路、数字扫频电路、数字起振电路，第一信号检测电路、第二信号检测电路都与陀螺表头连接，第一模数转换电路与第二信号检测电路连接，第二模数转换电路与第一信号检测电路连接，数字频率跟踪电路、数字幅度控制电路都与第一模数转换电路连接，数字力反馈控制电路、数字正交控制电路都与第二模数转换电路连接，第一数模转换电路连接在第一高压驱动电路和数字幅度控制电路之间，第二数模转换电路连接在第二高压驱动电路和数字力反馈控制电路之间，第三数模转换电路连接在第三高压驱动电路和数字正交控制电路之间，数字扫频电路、数字起振电路都与数字幅度控制电路连接。
优选地，所述数字频率跟踪电路、数字幅度控制电路、数字力反馈控制电路、数字正交控制电路、数字扫频电路、数字起振电路都位于一个FPGA芯片内。
优选地，所述数字频率跟踪电路使用数字解调方式对x路信号进行解调，并用数字控制方式使驱动信号的频率跟踪半球谐振子本身的谐振频率变化。
优选地，所述数字幅度控制电路使用数字解调方式对x路信号进行解调，并用数字控制方式保持半球谐振陀螺振动幅度稳定。
优选地，所述数字力反馈控制电路使用数字解调方式对y路信号进行解调，并用数字控制方式维持半球谐振子的振型不变，得到陀螺输出。
优选地，所述数字正交控制电路使用数字解调方式对y路信号进行解调，并用数字控制方式保持半球谐振陀螺驱动与检测模态谐振频率差在零附近。
优选地，所述数字扫频电路和数字起振电路用于自动寻找半球谐振陀螺谐振频率点并驱动半球陀螺起振。
优选地，所述数字频率跟踪电路、数字幅度控制电路、数字力反馈控制电路、数字正交控制电路、数字扫频电路、数字起振电路的工作流程如下：首先由外部命令控制电路进行上电复位开始工作步骤十八；然后进入扫频需求判断步骤十九，判断是否需要扫描半球谐振陀螺的谐振频率点；如果需要，则进入数字频率扫描步骤二十一，进行半球谐振陀螺的谐振频率扫描；然后进入谐振频率获取判断步骤二十二，判断谐振频率是否已经获取，如果没有获取则继续进行数字频率扫描步骤二十一，如果已经获取，则进入数字起振步骤二十；在扫频需求判断步骤十九中如果不需要扫描半球谐振陀螺的谐振频率点，则直接进入数字起振步骤二十，从数字起振步骤二十进入起振完成判断步骤二十三，判断数字起振是否完成，未完成时重复进行数字起振步骤二十，如果数字起振完成则进入正常工作步骤二十四；从正常工作步骤二十四进入工作异常判断步骤二十五，判断是否工作异常，如果正常工作，不需要结束工作则继续重复正常工作步骤二十四，如果工作异常，需要结束工作，则进入掉电结束工作步骤二十六，对控制电路进行掉电，结束控制电路工作。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：一，本发明采用全数字化设计，将现有的陀螺模拟控制中除陀螺敏感器件、数模/模数转换外的所有模拟控制电路替代为可编程的数字电路。二，使用数字解调与控制的方式进行频率跟踪、幅度控制、力反馈控制、正交控制环路的设计与实现，提高了系统控制精度，避免了模拟电路中器件的漂移带来的控制误差。三，数字控制环路受温度、磁场等影响小，提高了系统的抗干扰能力。四，简化了陀螺控制回路设计，设计成本低，设计周期短，易维护调试。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明基于力平衡模式的半球谐振陀螺数字控制电路的原理框图。
图2为本发明中FPGA芯片的工作流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明基于力平衡模式的半球谐振陀螺数字控制电路包括陀螺表头1、第一信号检测电路2、第二信号检测电路3、第一模数转换电路4、第二模数转换电路5、数字频率跟踪电路6、数字幅度控制电路7、数字力反馈控制电路8、数字正交控制电路9、第一数模转换电路10、第二数模转换电路11、第三数模转换电路12、第一高压驱动电路13、第二高压驱动电路14、第三高压驱动电路15、数字扫频电路16、数字起振电路17，第一信号检测电路2、第二信号检测电路3都与陀螺表头1连接，第一模数转换电路4与第二信号检测电路3连接，第二模数转换电路5与第一信号检测电路2连接，数字频率跟踪电路6、数字幅度控制电路7都与第一模数转换电路4连接，数字力反馈控制电路8、数字正交控制电路9都与第二模数转换电路5连接，第一数模转换电路10连接在第一高压驱动电路13和数字幅度控制电路7之间，第二数模转换电路11连接在第二高压驱动电路14和数字力反馈控制电路8之间，第三数模转换电路12连接在第三高压驱动电路15和数字正交控制电路9之间，数字扫频电路16、数字起振电路17都与数字幅度控制电路7连接。数字频率跟踪电路6、数字幅度控制电路7、数字力反馈控制电路8、数字正交控制电路9、数字扫频电路16、数字起振电路17都位于一个FPGA(Field－Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)芯片内。
数字频率跟踪电路使用数字解调方式对x路信号进行解调，并用数字控制方式使驱动信号的频率跟踪半球谐振子本身的谐振频率变化。数字幅度控制电路使用数字解调方式对x路信号进行解调，并用数字控制方式保持半球谐振陀螺振动幅度稳定。数字力反馈控制电路使用数字解调方式对y路信号进行解调，并用数字控制方式维持半球谐振子的振型不变，得到陀螺输出。数字正交控制电路使用数字解调方式对y路信号进行解调，并用数字控制方式保持半球谐振陀螺驱动与检测模态谐振频率差在零附近。数字扫频电路和数字起振电路用于自动寻找半球谐振陀螺谐振频率点并驱动半球陀螺起振。先判断是否需要启动数字扫频电路寻找半球谐振陀螺谐振频率点，如果需要则扫频，则找到谐振频率点后，启动起振电路；如果不需要扫频，则直接启动数字起振电路驱动半球谐振陀螺进入谐振状态；最后进入正常工作状态，并实时判断电路是否工作异常，如果工作异常，则掉电结束工作，如果工作正常，则持续工作。
本发明的工作过程包括以下步骤：陀螺表头1振动产生物理信号，经由第一信号检测电路2和第二信号检测电路3得到与振动对应的电压信号，然后通过第一模数转换电路4和第二模数转换电路5得到相应的数字信号，第一模数转换电路4的数字信号进入数字频率跟踪电路6，数字频率跟踪电路6产生与输入载波频率及相位相同或正交的本地载波信号，并将其输入数字幅度控制电路7、数字力反馈控制电路8、数字正交控制电路9，分别得到幅度控制信号、力反馈控制信号、正交控制信号；数字幅度控制电路7、数字力反馈控制电路8、数字正交控制电路9的三路控制信号分别进入对应的第一数模转换电路10、第二数模转换电路11、第三数模转换电路12得到相应的模块电信号，再分别进入对应的第一高压驱动电路13、第二高压驱动电路14、第三高压驱动电路15得到相应陀螺表头驱动信号输入陀螺表头1，这样完成基于力平衡模式的半球谐振陀螺的整个控制过程。
如图2所示，本发明FPGA芯片(数字频率跟踪电路6、数字幅度控制电路7、数字力反馈控制电路8、数字正交控制电路9、数字扫频电路16、数字起振电路17)的工作流程如下：首先由外部命令控制电路进行上电复位开始工作步骤18；然后进入扫频需求判断步骤19，判断是否需要扫描半球谐振陀螺的谐振频率点；如果需要，则进入数字频率扫描步骤21，进行半球谐振陀螺的谐振频率扫描；然后进入谐振频率获取判断步骤22，判断谐振频率是否已经获取，如果没有获取则继续进行数字频率扫描步骤21，如果已经获取，则进入数字起振步骤20；在扫频需求判断步骤19中如果不需要扫描半球谐振陀螺的谐振频率点，则直接进入数字起振步骤20，从数字起振步骤20进入起振完成判断步骤23，判断数字起振是否完成，未完成时重复进行数字起振步骤20，如果数字起振完成则进入正常工作步骤24；从正常工作步骤24进入工作异常判断步骤25，判断是否工作异常，如果正常工作，不需要结束工作则继续重复正常工作步骤24，如果工作异常，需要结束工作，则进入掉电结束工作步骤26，对控制电路进行掉电，结束控制电路工作。
综上所述，本发明具有控制精度高、抗干扰能力强、电路受环境温度影响小等特点，适用于卫星姿态控制系统的半球谐振陀螺组合。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种基于力平衡模式的半球谐振陀螺数字控制电路，其特征在于，包括陀螺表头、第一信号检测电路、第二信号检测电路、第一模数转换电路、第二模数转换电路、数字频率跟踪电路、数字幅度控制电路、数字力反馈控制电路、数字正交控制电路、第一数模转换电路、第二数模转换电路、第三数模转换电路、第一高压驱动电路、第二高压驱动电路、第三高压驱动电路、数字扫频电路、数字起振电路，第一信号检测电路、第二信号检测电路都与陀螺表头连接，第一模数转换电路与第二信号检测电路连接，第二模数转换电路与第一信号检测电路连接，数字频率跟踪电路、数字幅度控制电路都与第一模数转换电路连接，数字力反馈控制电路、数字正交控制电路都与第二模数转换电路连接，第一数模转换电路连接在第一高压驱动电路和数字幅度控制电路之间，第二数模转换电路连接在第二高压驱动电路和数字力反馈控制电路之间，第三数模转换电路连接在第三高压驱动电路和数字正交控制电路之间，数字扫频电路、数字起振电路都与数字幅度控制电路连接。
2.根据权利要求1所述的基于力平衡模式的半球谐振陀螺数字控制电路，其特征在于，所述数字频率跟踪电路、数字幅度控制电路、数字力反馈控制电路、数字正交控制电路、数字扫频电路、数字起振电路都位于一个FPGA芯片内。
3.根据权利要求1所述的基于力平衡模式的半球谐振陀螺数字控制电路，其特征在于，所述数字频率跟踪电路使用数字解调方式对x路信号进行解调，并用数字控制方式使驱动信号的频率跟踪半球谐振子本身的谐振频率变化。
4.根据权利要求1所述的基于力平衡模式的半球谐振陀螺数字控制电路，其特征在于，所述数字幅度控制电路使用数字解调方式对x路信号进行解调，并用数字控制方式保持半球谐振陀螺振动幅度稳定。
5.根据权利要求1所述的基于力平衡模式的半球谐振陀螺数字控制电路，其特征在于，所述数字力反馈控制电路使用数字解调方式对y路信号进行解调，并用数字控制方式维持半球谐振子的振型不变，得到陀螺输出。
6.根据权利要求1所述的基于力平衡模式的半球谐振陀螺数字控制电路，其特征在于，所述数字正交控制电路使用数字解调方式对y路信号进行解调，并用数字控制方式保持半球谐振陀螺驱动与检测模态谐振频率差在零附近。
7.根据权利要求1所述的基于力平衡模式的半球谐振陀螺数字控制电路，其特征在于，所述数字扫频电路和数字起振电路用于自动寻找半球谐振陀螺谐振频率点并驱动半球陀螺起振。
8.根据权利要求1所述的基于力平衡模式的半球谐振陀螺数字控制电路，其特征在于，所述数字频率跟踪电路、数字幅度控制电路、数字力反馈控制电路、数字正交控制电路、数字扫频电路、数字起振电路的工作流程如下：首先由外部命令控制电路进行上电复位开始工作步骤十八；然后进入扫频需求判断步骤十九，判断是否需要扫描半球谐振陀螺的谐振频率点；如果需要，则进入数字频率扫描步骤二十一，进行半球谐振陀螺的谐振频率扫描；然后进入谐振频率获取判断步骤二十二，判断谐振频率是否已经获取，如果没有获取则继续进行数字频率扫描步骤二十一，如果已经获取，则进入数字起振步骤二十；在扫频需求判断步骤十九中如果不需要扫描半球谐振陀螺的谐振频率点，则直接进入数字起振步骤二十，从数字起振步骤二十进入起振完成判断步骤二十三，判断数字起振是否完成，未完成时重复进行数字起振步骤二十，如果数字起振完成则进入正常工作步骤二十四；从正常工作步骤二十四进入工作异常判断步骤二十五，判断是否工作异常，如果正常工作，不需要结束工作则继续重复正常工作步骤二十四，如果工作异常，需要结束工作，则进入掉电结束工作步骤二十六，对控制电路进行掉电，结束控制电路工作。
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