CN106840145A - 一种微机械速率积分环陀螺的控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，涉及高动态惯性导航等领域；包括C/V变换模块、环陀螺表头、信号驱动反馈模块、数字信号微处理器模块；C/V变换模块：将环陀螺表头初始电容信号转换为电压信号；信号驱动反馈模块：将电压信号转换成模拟电压信号，并转换为数字电压信号；数字信号微处理器模块对数字电压信号进行信号解调和参数提取，并生成数字驱动电压信号反馈至信号驱动反馈模块；信号驱动反馈模块将模拟驱动电压信号转换为环陀螺表头的电容信号调节控制信号，对环陀螺表头初始电容信号的稳定性进行调节，保证了环陀螺的输出精度；实现了一个统一的、通用的、易实现的速率积分环陀螺的控制系统，可以实现环陀螺在不同模式之间的切换。
Description
技术领域
本发明涉及一种高动态惯性导航等领域，特别是一种微机械速率积分环陀螺的控制系统。
背景技术
陀螺是一种能测量载体相对惯性空间旋转的装置。它被广泛应用于军事、自动化、导航和民用领域。虽然惯性导航的未来趋势是尺寸更小，可靠性更高，成本更低，精度更高，但在实际应用中，高动态的需求往往被忽略。在实际的弹载应用中，高动态对陀螺提出了更严格的要求。因此，大量程的速率积分陀螺成为最好的解决方案。速率积分陀螺扩大了动态量程，消除了由数字和电子综合引入的累积误差，在实际中具有广泛的应用前景。环陀螺采用谐振环式全对称结构作为敏感结构，方便不同模态之间的匹配，并且大大降低了环境温度、加速度、振动、冲击等外界扰动的影响。
密歇根大学的M.W.Putty最早研究了振动环陀螺的检测原理，并采用在绝缘模型上电镀镍的方法制作了一个电容间隙为7um，深度比约为7的陀螺。这种方法制作的陀螺由于受到制作绝缘模型的材料的影响，品质因数不会很高，限制了陀螺性能的进一步提高。2012年，密歇根大学研制的多筒速率积分陀螺CING(Cylindrical Rate-IntegratingGyroscope)，由于控制系统高度集成化，无法进行扩展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，实现了一个统一的、通用的、易实现的速率积分环陀螺的控制系统，可以实现环陀螺在不同模式之间的切换。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，包括C/V变换模块、环陀螺表头、信号驱动反馈模块、数字信号微处理器模块；
C/V变换模块：接收环陀螺表头传来的初始电容信号，将初始电容信号转换为电压信号，并将电压信号传输至信号驱动反馈模块；
信号驱动反馈模块：接收C/V变换模块传来的电压信号；对电压信号依次进行滤波、放大处理，生成模拟电压信号，将模拟电压信号转换为数字电压信号，并将数字电压信号输出至数字信号微处理器模块；接收数字信号微处理器模块传来的数字驱动电压信号，将数字驱动电压信号转换为模拟驱动电压信号，将模拟驱动电压信号转换为环陀螺表头的电容信号调节控制信号，并将电容信号调节控制信号发送至环陀螺表头；
数字信号微处理器模块：接收信号驱动反馈模块传来的数字电压信号；对数字电压信号进行信号解调和参数提取，得到环路控制参数；对环路控制参数依次进行幅度控制、稳频控制、正交抵消、角度计算和参数调制，生成数字驱动电压信号，将数字驱动电压信号反馈至信号驱动反馈模块；同时将环路控制参数中角度计算的结果输出至外部测试仪器；
环陀螺表头：接收信号驱动反馈模块传来的电容信号调节控制信号，对初始电容信号的稳定性进行调节，保证了环陀螺的输出精度。
在上述的一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，所述信号驱动反馈模块包括滤波放大模块、A/D模数转换模块、高速串行接口、D/A数模转换模块、驱动模块和电压控制器；
滤波放大模块：接收C/V变换模块传来的电压信号，对电压信号依次进行滤波、放大处理，生成模拟电压信号，并将模拟电压信号传输至A/D模数转换模块；
A/D模数转换模块：接收滤波放大模块传来的模拟电压信号，将模拟电压信号转换为数字电压信号，并将数字电压信号经高速串行接口输至数字信号微处理器模块；
D/A数模转换模块：接收环路控制模块传来的数字驱动电压信号，将数字驱动电压信号转换为模拟驱动电压信号，并将模拟驱动电压信号发送至驱动模块；
驱动模块：接收D/A数模转换模块传来的模拟驱动电压信号，将模拟驱动电压信号转换为环陀螺表头的电容信号调节控制信号，并将电容信号调节控制信号输出至环陀螺表头。
在上述的一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，所述数字信号微处理器模块包括环路控制模块、串行外设接口和异步通信接口；
环路控制模块：通过串行外设接口，接收经过高速串行接口从A/D模数转换模块传来的数字电压信号；对数字电压信号进行信号解调和参数提取，得到环路控制参数；对环路控制参数依次进行幅度控制、稳频控制、正交抵消、角度计算和参数调制，生成数字驱动电压信号，将数字驱动电压信号依次通过串行外设接口、高速串行接口反馈至D/A数模转换模块；同时将环路控制参数中角度计算的结果通过异步通信接口输出至外部测试仪器。
在上述的一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，所述环路控制参数包括主轴振动幅度a、正交幅度q、计算得到的角度值θ和陀螺谐振和参考信号之间的相移误差δφ。
在上述的一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，所述计算得到的角度值θ为-90°～90°。
在上述的一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，所述幅度控制为将主轴振动幅度a的幅度值保持稳定；所述稳频控制为保证陀螺谐振和参考信号之间的相移误差δφ的相移值稳定；所述正交抵消为将正交幅度q的幅度值抵消为0；所述角度计算为将计算得到的角度值θ从-90°～90°拓展为全量程。
在上述的一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，所述全量程为-180°-180°。
在上述的一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，所述电容值波动越大，环陀螺的输出角度值误差越大。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用了数字信号微处理器模块对环陀螺表头进行控制，通过串行外设接口传输检测信号和驱动信号，实现了一个统一的、通用的、易实现的速率积分环陀螺的控制系统；
(2)本发明采用了数字电压信号进行环陀螺的参数提取和调制，方便在不同平台之间进行移植；
(3)本发明对控制参数依次进行幅度控制、稳频控制和正交抵消，降低了控制的复杂性，提高了控制的精度。
附图说明
图1为本发明控制系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为控制系统的结构示意图，由图可知，一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，其特征在于：包括C/V变换模块、环陀螺表头、信号驱动反馈模块、数字信号微处理器模块；
C/V变换模块：接收环陀螺表头传来的初始电容信号，将初始电容信号转换为电压信号，并将电压信号传输至信号驱动反馈模块；
信号驱动反馈模块：接收C/V变换模块传来的电压信号；对电压信号依次进行滤波、放大处理，生成模拟电压信号，将模拟电压信号转换为数字电压信号，并将数字电压信号输出至数字信号微处理器模块；接收数字信号微处理器模块传来的数字驱动电压信号，将数字驱动电压信号转换为模拟驱动电压信号，将模拟驱动电压信号转换为环陀螺表头的电容信号调节控制信号，并将电容信号调节控制信号发送至环陀螺表头；
数字信号微处理器模块：接收信号驱动反馈模块传来的数字电压信号；对数字电压信号进行信号解调和参数提取，得到环路控制参数；对环路控制参数依次进行幅度控制、稳频控制、正交抵消、角度计算和参数调制，生成数字驱动电压信号，将数字驱动电压信号反馈至信号驱动反馈模块；同时将环路控制参数中角度计算的结果输出至外部测试仪器；
环陀螺表头：接收信号驱动反馈模块传来的电容信号调节控制信号，对初始电容信号的稳定性进行调节，保证了环陀螺的输出精度。电容值波动越大，环陀螺的输出角度值误差越大。
其中，所述信号驱动反馈模块包括滤波放大模块、A/D模数转换模块、高速串行接口、D/A数模转换模块、驱动模块和电压控制器；
滤波放大模块：接收C/V变换模块传来的电压信号，对电压信号依次进行滤波、放大处理，生成模拟电压信号，并将模拟电压信号传输至A/D模数转换模块；
A/D模数转换模块：接收滤波放大模块传来的模拟电压信号，将模拟电压信号转换为数字电压信号，并将数字电压信号经高速串行接口输至数字信号微处理器模块；
D/A数模转换模块：接收环路控制模块传来的数字驱动电压信号，将数字驱动电压信号转换为模拟驱动电压信号，并将模拟驱动电压信号发送至驱动模块；
驱动模块：接收D/A数模转换模块传来的模拟驱动电压信号，将模拟驱动电压信号转换为环陀螺表头的电容信号调节控制信号，并将电容信号调节控制信号输出至环陀螺表头。
所述数字信号微处理器模块包括环路控制模块、串行外设接口和异步通信接口；
环路控制模块：通过串行外设接口，接收经过高速串行接口从A/D模数转换模块传来的数字电压信号；对数字电压信号进行信号解调和参数提取，得到环路控制参数，环路控制参数包括主轴振动幅度a、正交幅度q、计算得到的角度值θ和陀螺谐振和参考信号之间的相移误差δφ；θ范围为-90°～90°；对环路控制参数依次进行幅度控制、稳频控制、正交抵消、角度计算和参数调制，生成数字驱动电压信号，将数字驱动电压信号依次通过串行外设接口、高速串行接口反馈至D/A数模转换模块；同时将环路控制参数中角度计算的结果通过异步通信接口输出至外部测试仪器。
其中，幅度控制为将主轴振动幅度a的幅度值保持稳定；所述稳频控制为保证陀螺谐振和参考信号之间的相移误差δφ的相移值稳定；所述正交抵消为将正交幅度q的幅度值抵消为0；所述角度计算为将计算得到的角度值θ从-90°～90°拓展为全量程，述全量程为-180°-180°。
幅度控制的主要作用是保证振子振动的幅度恒定。幅度控制主要采用自动增益控制计数(AGC)技术来达到稳幅的目的。自动增益控制可以根据敏感结构幅度的大小自动调整驱动信号的幅度，即可以保持敏感结构振幅的稳定，又可以在上电过程中减少振子达到稳定状态所需的时间。
稳频控制的作用是使陀螺振子振动在其谐振频率上，由于陀螺敏感结构的谐振频率随温度等实时变化，因此必须采用闭环追踪系统来保证驱动信号的频率与振子的谐振频率完全一致。
正交抵消采用PID控制器来抑制正交幅度值q。PID是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制方案。PID控制器具有结构简单、稳定性好、工作可靠和调整方便等优点，已经成为工业控制的主要技术之一。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分和微分计算出控制量进行控制的。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，其特征在于：包括C/V变换模块、环陀螺表头、信号驱动反馈模块、数字信号微处理器模块；
C/V变换模块：接收环陀螺表头传来的初始电容信号，将初始电容信号转换为电压信号，并将电压信号传输至信号驱动反馈模块；
信号驱动反馈模块：接收C/V变换模块传来的电压信号；对电压信号依次进行滤波、放大处理，生成模拟电压信号，将模拟电压信号转换为数字电压信号，并将数字电压信号输出至数字信号微处理器模块；接收数字信号微处理器模块传来的数字驱动电压信号，将数字驱动电压信号转换为模拟驱动电压信号，将模拟驱动电压信号转换为环陀螺表头的电容信号调节控制信号，并将电容信号调节控制信号发送至环陀螺表头；
数字信号微处理器模块：接收信号驱动反馈模块传来的数字电压信号；对数字电压信号进行信号解调和参数提取，得到环路控制参数；对环路控制参数依次进行幅度控制、稳频控制、正交抵消、角度计算和参数调制，生成数字驱动电压信号，将数字驱动电压信号反馈至信号驱动反馈模块；同时将环路控制参数中角度计算的结果输出至外部测试仪器；
环陀螺表头：接收信号驱动反馈模块传来的电容信号调节控制信号，对初始电容信号的稳定性进行调节，保证了环陀螺的输出精度。
2.根据权利要求1所述的一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，其特征在于：所述信号驱动反馈模块包括滤波放大模块、A/D模数转换模块、高速串行接口、D/A数模转换模块、驱动模块和电压控制器；
滤波放大模块：接收C/V变换模块传来的电压信号，对电压信号依次进行滤波、放大处理，生成模拟电压信号，并将模拟电压信号传输至A/D模数转换模块；
A/D模数转换模块：接收滤波放大模块传来的模拟电压信号，将模拟电压信号转换为数字电压信号，并将数字电压信号经高速串行接口输至数字信号微处理器模块；
D/A数模转换模块：接收环路控制模块传来的数字驱动电压信号，将数字驱动电压信号转换为模拟驱动电压信号，并将模拟驱动电压信号发送至驱动模块；
驱动模块：接收D/A数模转换模块传来的模拟驱动电压信号，将模拟驱动电压信号转换为环陀螺表头的电容信号调节控制信号，并将电容信号调节控制信号输出至环陀螺表头。
3.根据权利要求2所述的一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，其特征在于：所述数字信号微处理器模块包括环路控制模块、串行外设接口和异步通信接口；
环路控制模块：通过串行外设接口，接收经过高速串行接口从A/D模数转换模块传来的数字电压信号；对数字电压信号进行信号解调和参数提取，得到环路控制参数；对环路控制参数依次进行幅度控制、稳频控制、正交抵消、角度计算和参数调制，生成数字驱动电压信号，将数字驱动电压信号依次通过串行外设接口、高速串行接口反馈至D/A数模转换模块；同时将环路控制参数中角度计算的结果通过异步通信接口输出至外部测试仪器。
4.根据权利要求3所述的一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，其特征在于：所述环路控制参数包括主轴振动幅度a、正交幅度q、计算得到的角度值θ和陀螺谐振和参考信号之间的相移误差δφ。
5.根据权利要求4所述的一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，其特征在于：所述计算得到的角度值θ为-90°～90°。
6.根据权利要求5所述的一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，其特征在于：所述幅度控制为将主轴振动幅度a的幅度值保持稳定；所述稳频控制为保证陀螺谐振和参考信号之间的相移误差δφ的相移值稳定；所述正交抵消为将正交幅度q的幅度值抵消为0；所述角度计算为将计算得到的角度值θ从-90°～90°拓展为全量程。
7.根据权利要求6所述的一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，其特征在于：所述全量程为-180°-180°。
8.根据权利要求1所述的一种微机械速率积分环陀螺的控制系统，其特征在于：所述电容值波动越大，环陀螺的输出角度值误差越大。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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