CN105547272A - 压电半球谐振陀螺仪的全角度控制信号检测系统 - Google Patents

压电半球谐振陀螺仪的全角度控制信号检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种压电半球谐振陀螺仪的全角度控制信号检测系统，包括：半球谐振陀螺、两个锁相环、解调器模块、参数计算器模块、PI控制器模块和调制器模块，其中：所述半球谐振陀螺的X轴和Y轴分别为0度电极轴和45度电极轴，所述0度电极轴和45度电极轴分别与锁相环连接；所述锁相环与解调器模块相连接；所述解调器模块解调由两个锁相环输出的同向与正交参考信号；所述参数计算器模块与解调器模块连接，所述PI控制器与参数计数器连接；所述调制器分别与PI控制器与半球谐振陀螺连接。本发明通过对半球谐振陀螺的闭环电路的设计与控制，从而实现对半球谐振陀螺的全角度的检测与控制。

Description

压电半球谐振陀螺仪的全角度控制信号检测系统
技术领域
本发明涉及微机电系统技术领域，具体地，涉及一种压电半球谐振陀螺仪的全角度控制信号检测系统。
背景技术
微机械电子系统(MEMS)主要包括微机构、微传感器、微执行器以及相关的电路等几部分。MEMS是近年来发展起来的一种新型多学科交叉的技术，它对21世纪的人类产生了巨大而深远的影响。
半球谐振微陀螺仪采用压电材料作为主体部件，采用全角度控制技术，具有稳定性高、抗冲击能力强、精度高、误差小等优越特性，在航空航天、惯性导航以及民用消费电子等领域等具有广泛的应用前景。这种陀螺利用反馈电路中的锁相环模块及参数计算模块，将产生的信号经过各种处理之后，较为精确地得到半球谐振陀螺的总角度的变化。
无论是半球谐振微陀螺仪的全角度控制还是检测，都是它本身工作的重要环节。对一些文献进行检索，哈尔滨工程大学自动化学院高胜利等人在2006年传感技术学报上发表的文章“全角模式半球谐振陀螺的信号检测法研究”文献中提到，半球谐振陀螺的信号检测的电路图由采样保持工具对半球谐振陀螺的输出信号进行采样，然后经过除法器的逻辑判断对信号进行处理，从而检测出谐振子振型的进动角度。但是，文献中所述的工作方式并没有给出具体的电路实施方案，而且这种方式无法对半球谐振陀螺的频率与相位进行跟踪，振型进动角的检测精度也不是很高。
在实际中，压电半球谐振陀螺仪的全角度控制信号检测系统给出了完整且可切实实施的电路系统；且使用压电的半球谐振陀螺进行信号检测，由于压电半球谐振陀螺可以准确的检测出电荷信号，所以采用压电的半球陀螺比文献中的信号检测要较为准确；相较于一般的检测谐振陀螺角度需要用积分器，本电路图完全省去了积分器，从而少一级时间误差，响应的速度也更快。并且该电路装置还可以实现对输出信号的频率自动跟踪，所述控制信号系统能够较为精细准确地得到半球谐振陀螺的总的角度变化情况。
基于此，迫切需要一种半球谐振陀螺仪的全角度控制信号检测系统，使其避免或减小上述影响因素，同时扩展其应用范围。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种压电半球谐振陀螺仪的全角度控制信号检测系统，所述系统进行闭环设计与控制，从而实现对半球谐振陀螺的全角度的检测与控制。
为实现以上目的，本发明提供一种压电半球谐振陀螺仪的全角度控制信号检测系统，所述系统包括：半球谐振陀螺、两个锁相环、解调器模块、参数计算器模块、PI控制器模块和调制器模块，其中：
所述半球谐振陀螺的X轴和Y轴分别为0度电极轴和45度电极轴，0度电极轴和45度电极轴分别与一个锁相环连接，从而分别产生同向与正交参考信号；
所述锁相环与解调器模块相连接，锁相环向解调器模块输出同向与正交参考信号，解调器模块解调由两个锁相环输出的同向与正交参考信号；
所述参数计算器模块与解调器模块连接，参数计算器模块根据解调器模块解调出的信号，计算出压电半球谐振陀螺整体运动能量E、与正交参考信号成比例的能量Qu和半球谐振陀螺的总的角度变化的总和Θ；
所述PI控制器模块与参数计数器模块连接，用于使所得到的变化信号E、Qu、Θ保持稳定，减少所述系统的偏差信号；
所述调制器模块分别与PI控制器模块与半球谐振陀螺连接，用于将稳定的变化信号反馈到半球谐振陀螺中。
优选地，所述半球谐振陀螺为压电半球陀螺，所述压电半球陀螺在给定的信号下被激振或被驱动，并产生检测信号。
优选地，所述半球谐振陀螺的角度变化的总和Θ的变化受到半球谐振陀螺本身的不对称性以及刚度和阻尼不对称性的影响，也受到正交误差以及信号传输过程中时间延迟影响。
优选地，所述PI控制器模块具有比例和积分校正环节，保持Θ稳定，减少偏差。
优选地，所述0度电极轴与45度电极轴的输出信号经由两个锁相环后分别产生同向与正交参考信号。
优选地，所述半球谐振陀螺中半球谐振子的控制幅度是由同相和正交参考信号调制，并应用到半球谐振陀螺0度电极轴和45度电极轴。
本发明中，所述半球谐振陀螺的两个电极轴，即0度电极轴和45度电极轴，输出的参考信号经过锁相环实现参考信号的频率对所述两个电极轴信号频率的自动跟踪；所述输出的参考信号包含振幅信号频率与相位信号，经过所述解调器模块把将0度电极轴和45度电极轴产生的同向与正交参考信号分别解调出来；所述参数计算器模块经过逻辑运算对解调出来的信号进行分析与计算，从而得到半球谐振陀螺的总的角度Θ变化，得到的该变化信号经过PI控制器模块，所述PI控制器模块经过比例和积分控制环节，使所得到的变化信号保持稳定；变化信号经过所述调制器模块反馈到半球谐振陀螺中。
本发明系统能够较为精细准确地得到半球谐振陀螺的总的角度变化情况，实现了对半球谐振陀螺总的旋转角度的检测，可随时对输出信号的频率与相位进行自动跟踪。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明能够实现半球谐振陀螺全角度控制信号的检测；
(2)本发明与其他检测陀螺角度的系统相比，少了一级时间积分，所以对全角度的检测精度比较高，响应速度比较快；
(3)本发明中压电半球谐振陀螺通过解调器解调出的信号通过参数控制器和PI控制器，最终又通过调制器反馈到压电半球谐振陀螺上，构成了一个完整的闭环系统，并通过解调器解调出来的四路信号进行检测与计算，对信号的响应与反馈的能力比较强，对周围环境的适应能力比较强。
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为本发明一较优实施例的系统框图；
图中：1为半球谐振陀螺，2为锁相环，3为解调器模块，4为参数计算器模块，5为PI控制器模块，6为调制器模块。
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，一种压电半球谐振陀螺仪的全角度控制信号检测系统，包括：
一个半球谐振陀螺1；
两个锁相环2；
一个解调器模块3；
一个参数计算器模块4；
一个PI控制器模块5；
一个调制器模块6；
所述半球谐振陀螺1的X轴和Y轴分别为0度电极轴和45度电极轴，0度电极轴和45度电极轴分别与一个锁相环2连接，从而分别产生同向与正交参考信号；
所述锁相环2与解调器模块3相连接，锁相环2向解调器模块3输出同向与正交参考信号，解调器模块3解调由两个锁相环2输出的同向与正交参考信号；
所述参数计算器模块4与解调器模块3连接，参数计算器模块4对经解调器模块3解调出的信号计算出E，Qu和Θ；其中：E为压电半球谐振陀螺整体运动能量，Qu为与正交参考信号成比例的能量，Θ为半球谐振陀螺的总的角度变化的总和；
所述PI控制器模块5与参数计数器模块4连接，用于使所得到的变化信号保持稳定，减少所述系统的偏差信号；
所述调制器模块6分别与PI控制器模块5和半球谐振陀螺1连接，变化信号经过调制器模块6反馈到半球谐振陀螺1中。
图1中：一路与二路信号分别是0度电极轴产生的经解调器模块解调的分别为0度电极轴的同向与正交参考信号，所述三路和四路信号分别是45度电极轴产生的经解调器模块解调的同向与正交参考信号。
本实施例中，所述半球谐振陀螺1的角度变化的总和Θ的变化受到陀螺本身的不对称性以及刚度和阻尼不对称性的影响，也受到正交误差以及信号传输过程中时间延迟的影响；
本实施例中，所述PI控制器模块5具有比例和积分校正环节，保持Θ稳定，减少偏差。
本实施例中，所述半球谐振陀螺1中半球谐振子的控制幅度是由同相和正交参考信号调制，并应用到半球谐振陀螺1的0度电极轴和45度电极轴。
本实施例中，所述半球谐振陀螺1的两个电极轴(即0度电极轴和45度电极轴)，输出的参考信号经过两个锁相环2实现参考信号的频率对两个电极轴信号频率的自动跟踪，其中所述参考信号包含振幅信号频率与相位信号等信号；解调器模块将0度电极轴和45度电极轴产生的同向与正交参考信号分别解调出来，参数计算器模块4经过逻辑运算对这些解调出来的信号进行分析与计算，从而得到半球谐振陀螺1的总的角度变化Θ；得到的该变化信号经过PI控制器模块5，所述PI控制器模块5经过比例和积分控制环节，使所得到的变化信号保持稳定；所述变化信号经过调制器模块6反馈到半球谐振陀螺1中。
事实上，由于半球谐振陀螺1的的工艺误差造成的不对称性以及阻尼以及刚度的不对称性，因而半球谐振陀螺1角度变化的总和，是由实际旋转(-2AgΩ)和由于在衰减时间常数不匹配的错误和共振频率(Δω，ω＝2πF)以及由于相位失配误差等综合作用的结果。
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 (6)

1.一种压电半球谐振陀螺仪的全角度控制信号检测系统，其特征在于，所述系统包括：半球谐振陀螺、两个锁相环、解调器模块、参数计算器模块、PI控制器模块和调制器模块，其中：
所述半球谐振陀螺的X轴和Y轴分别为0度电极轴和45度电极轴，0度电极轴和45度电极轴分别与一个锁相环连接，从而分别产生同向与正交参考信号；
所述锁相环与解调器模块相连接，锁相环向解调器模块输出同向与正交参考信号，解调器模块解调由两个锁相环输出的同向与正交参考信号；
所述参数计算器模块与解调器模块连接，参数计算器模块根据解调器模块解调出的信号，计算出压电半球谐振陀螺整体运动能量E、与正交参考信号成比例的能量Qu和半球谐振陀螺的总的角度变化的总和Θ；
所述PI控制器模块与参数计数器模块连接，用于使所得到的变化信号E、Qu、Θ保持稳定，减少所述系统的偏差信号；
所述调制器模块分别与PI控制器模块与半球谐振陀螺连接，用于将稳定的变化信号反馈到半球谐振陀螺中。
2.根据权利要求1所述的一种压电半球谐振陀螺仪的全角度控制信号检测系统，其特征在于，所述半球谐振陀螺为压电半球陀螺，所述压电半球陀螺在给定的信号下被激振或被驱动，并产生检测信号。
3.根据权利要求1所述的一种压电半球谐振陀螺仪的全角度控制信号检测系统，其特征在于，所述半球谐振陀螺的角度变化的总和Θ的变化受到半球谐振陀螺本身的不对称性以及刚度和阻尼不对称性的影响，也受到正交误差以及信号传输过程中时间延迟影响。
4.根据权利要求1所述的一种压电半球谐振陀螺仪的全角度控制信号检测系统，其特征在于，所述PI控制器模块具有比例和积分校正环节，保持Θ稳定，减少偏差。
5.根据权利要求1所述的一种压电半球谐振陀螺仪的全角度控制信号检测系统，其特征在于，所述半球谐振陀螺中半球谐振子的控制幅度是由同相和正交参考信号调制，并应用到半球谐振陀螺0度电极轴和45度电极轴。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种压电半球谐振陀螺仪的全角度控制信号检测系统，其特征在于，所述半球谐振陀螺的两个电极轴，即0度电极轴和45度电极轴，输出的参考信号经过锁相环实现参考信号的频率对两电极轴信号频率的自动跟踪，其中输出的参考信号包含振幅信号频率与相位信号；解调器模块将0度电极轴和45度电极轴产生的同向与正交参考信号分别解调出来，参数计算器模块经过逻辑运算对解调器模块解调出来的信号进行分析与计算，从而得到半球谐振陀螺的总的角度Θ变化；得到的半球谐振陀螺的总的角度Θ变化信号经过PI控制器模块比例和积分控制环节，使所得到的变化信号保持稳定；所述变化信号经过调制器模块反馈到半球谐振陀螺中。
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