CN110865580A - 基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统及控制方法，所述控制系统包括电极驱动检测时分切换模块、传感信号幅相解调模块、误差参量辨识模块、工作模式切换模块、控制参量计算模块、时序周期计算模块、模式切换计算模块、驱动信号调制合成模块、测量输出模块，传感信号幅相解调模块和误差参量辨识模块组成误差信号解算模块；控制参量计算模块、时序周期计算模块和模式切换计算模块组成数据计算单元。本发明通过对驱动检测电极分时切换和两旋转感知模态差分的方式，可抵消抑制陀螺输出误差项，本发明能够保证各控制回路的控制精度和半球谐振陀螺性能的稳定。

Description

基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于惯性仪表控制技术领域，涉及半球谐振陀螺仪控制技术，具体涉及一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统及控制方法。

背景技术

半球谐振陀螺仪是一种具有长寿命、高可靠性、高精度的固体波原理陀螺，具有替代各类光学陀螺的趋势。法国、美国已经将石英半球谐振陀螺应用到航海、航天、兵器等领域。其核心敏感元件谐振子，由于材料、加工、工艺不完美等因素，致使具有质量、刚度分布不均和存在缺陷等非理想特性；同时谐振子几何和物理性质均受外界环境变化影响，产生增益误差、交叉阻尼误差等长时漂移，影响工作状态和陀螺精度。

采用传统的固定电极驱动检测方式，同时刻下电极分工固定，难以消除各电极间增益误差及长时工作下增益的缓慢变化。力反馈工作模式下，通过在敏感模态施加驱动信号，维持驻波位置恒定。但由于回路响应信号中由交叉阻尼引起的两模态耦合同相误差分量与外界角运动进动效应产生的信号相位相同，因而难以从陀螺输出信号中将该误差剔除。当陀螺处于振动环境或温变环境下，同相误差分量发生漂移，导致陀螺零位波动，降低陀螺零偏稳定性。

发明内容

本发明针对固体波/谐振陀螺电极增益误差及交叉阻尼误差导致陀螺在长时工作和外界环境变化时精度下降的问题，提供了一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统及控制方法，本发明通过对驱动检测电极分时切换和两旋转感知模态差分的方式，可抵消抑制陀螺输出误差项，本发明能够保证各控制回路的控制精度和半球谐振陀螺性能的稳定。

本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：

一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统，其特征在于：所述控制系统包括电极驱动检测时分切换模块、传感信号幅相解调模块、误差参量辨识模块、工作模式切换模块、控制参量计算模块、时序周期计算模块、模式切换计算模块、驱动信号调制合成模块、测量输出模块；

所述电极驱动检测时分切换模块用于按照既定时序交替切换成组差分电极工作于驱动或检测工作状态；

所述传感信号幅相解调模块用于按相位信息解调表头两轴传感信号幅值和相位；

所述误差参量辨识模块用于根据两轴传感信号幅值信息辨识频率控制、幅度控制、正交控制、力反馈控制的误差信号；

所述工作模式切换模块用于切换力反馈速率模式/模态差分模式，其按照力反馈速率模式扫频起振，自主判别状态满足稳定切换至模态差分工作模式；

所述控制参量计算模块用于计算控制参量数值，其根据各控制回路误差信号及控制模型计算控制参量矩阵，并根据驻波位置信息分配两模态各电极控制参量；

所述时序周期计算模块用于根据谐振子当前工作频率，计算电极时分切换模块各开关周期和持续时长；

所述模式切换计算模块用于根据当前谐振子工作状态计算工作模式切换模块的使能信号；

所述驱动信号调制合成模块用于将已分配的信号调制并合成为X轴和Y轴驱动信号；

所述测量输出模块用于将陀螺仪测量的外界运载体角运动速率对外输出；其根据当前陀螺所处工作模式，自主选择敏感参量及其相应的标度因数，计算当前运载体角速率并输出；

所述传感信号幅相解调模块和所述误差参量辨识模块组成误差信号解算模块；

所述控制参量计算模块、所述时序周期计算模块和所述模式切换计算模块组成数据计算单元,用于计算整个控制系统内所有控制、时序、切换信号。

一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制方法，其特征在于，基于上述控制系统，包括如下步骤：

S1通过差动电极施加周期性同步驱动信号激励谐振子谐振状态，并且通过差动电极及缓冲电路检测谐振子微振动幅度；

S2通过驱动检测时分切换模块将S1中所述的驱动和检测两种状态根据固定的周期进行时间域上的分隔；该模块将一个工作周期分为4部分，X轴驱动D1，Y轴驱动D2，X轴检测C1，Y轴检测C2；按照时序交替使系统工作在4个部分，并且每次切换过程中停留一个短暂的空闲时间r，循环往复；

S3误差信号解算模块将两个检测周期C1和C2中ADC检测所得的X轴和Y轴检测信号分别在极坐标轴上进行解调分解，进一步计算得到表征谐振子状态的误差信号；相敏调模块采用开关解调或乘法解调，其根据DDS产生的解调参考信号获取X轴和Y轴信号中各自的同相和正交分量C_x、S_x、C_y、S_y；误差参量辨识模块按照动力学方程推导的式(1)以C_x、S_x、C_y、S_y四个参量计算，获得表征谐振子工作状态的4个信号，分别为：时延相差

简正模态偏离Q、振动能量E、驻波空间相位θ。分别通过减法器减去设定值

Q₀、E₀、θ_c得到对应为频率控制、正交控制、幅度控制、力反馈控制/模态差分控制的误差变量；

S4数据计算单元实时计算整个控制系统内所有控制、时序、切换信号，并控制各个模块单元按所计算的信号进行操作，具体的，其将S3中获取的误差变量代入控制模型矩阵中，得到相应的回路控制参量，同时根据当前驻波空间相角θ分解各控制参量，得到其在两个驱动周期D1和D2的作用分量；并且，该模块根据谐振子当前工作频率，计算得到切换开关各周期D1、D2、C1、C2、r所需的持续时间长度，并控制驱动检测时分切换模块按照S2进行时序切换；此外，其根据谐振子当前工作状态的稳定性，判断是否满足工作模式切换条件，并生成工作模式切换模块的使能信号；

S5工作模式切换模块根据S4中数据计算模块提供的模式切换使能信号，切换陀螺仪处于力反馈模式或模态差分模式状态；

S6信号调制合成模块根据S5中谐振子工作模式，将S4中计算所得的两驱动周期控制信号的作用分量通过DDS提供的正余弦参考信号进行信号调制及合成，生成S1中作用于对应差分电极对上的同步施力驱动信号；S3中按照式(1)实现了各被控参量交叉耦合解耦，实现各驻波位置下被控参量的稳定独立；因此对经过S4控制矩阵后产生的各控制回路控制信号，按照驻波角θ进行极坐标分解调制，可获得X轴和Y轴施力的正余弦分量，分别对其进行信号合成，得到同步施力驱动信号，通过DAC和切换开关按照S2中时序作用于相应差动电极对；

S7测量输出模块S5中当前所处的工作状态向外界提供当前运载体外界角运动测量值；谐振子工作在不同模式下，反映外界角运动的参量及其相应的标度因数均不相同；该模块接收S5中陀螺仪当前工作状态，自主选择力反馈输出参量或模态差分输出参量，分别按照各自的标度因数计算当前外界运转角速率并发送输出。

而且的，S5中陀螺仪从静止状态启动时，首先使谐振子工作在力反馈模式下进行扫频式启动，此模式与传统力反馈模式相同不再赘述，此时空间相角设定值θ_c为0°；当谐振子工作稳定后，S4中数据计算模块提供切换使能信号；此时改变驻波空间相角设定值θ_c在22.5°附近，完成陀螺仪从力反馈模式工作切换至模态差分模式工作；

具体度数根据陀螺不同需进行先验标定，原理及过程如下：

其两模态轴运动方程为：

其中，k为布莱恩常数，d_xx＝2/τ+△(1/τ)cos2(θ-θ_τ)为X轴衰减系数，2/τ＝1/τ₁+1/τ₂，△(1/τ)＝1/τ₁-1/τ₂，τ₁为谐振子最小衰减时间，τ₂为谐振子最大衰减时间，d_xy＝△(1/τ)sin2(θ-θ_τ)为交叉耦合阻尼，k_xx＝ω₁ ²-ω△ωcos2(θ-θ_ω)为沿X轴归一化谐振子质量刚度，ω△ω＝(ω₁ ²-ω₂ ²)/2，ω₁、ω₂为最大和最小谐振子频率，k_xy＝-ω△ωsin2(θ-θ_ω)为交叉耦合刚度，d_yy＝2/τ-△(1/τ)cos2(θ-θ_τ)为Y轴衰减系数，k_yy＝ω₂ ²+ω△ωcos2(θ-θ_ω)为沿Y轴归一化谐振子质量刚度，f_x、f_y为归一化控制信号，θ_ω为驻波轴与最小频率轴夹角，θ_τ为驻波轴与最小阻尼轴夹角；

正交控制条件下

求方程(2)的标准解为：

其中，z_x、z_y、D_x、D_y分别为X轴和Y轴检测电信号和压电转换系数。当驻波角θ不等于45°整数倍时，可得：

此时两轴的标度因数分别为：

当

可见在两轴标度因数相等的情况下，交叉耦合阻尼差分抵消，此时驻波角θ＝θ^*；在实际过程中，通过标定两轴标度因数相等，此时驻波角即为模态差分工作模式位相锁定点。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明的一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统和控制方法，通过时分交替电极工作模式，能够有效均衡各电极间增益的不一致性，抑制长时运行或环境变化引起的增益变化误差。

2、一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统和控制方法，在单一时刻使全体电极工作在驱动或者检测状态，能够有效增强半球谐振子静电驱动效率，降低驱动高压要求。能够增加谐振子微振动检测信号的信噪比，提升信号测量质量。

3、一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统和控制方法，采用差分电极驱动检测方式，能够有效抑制共模误差的表达，增加谐振子微振动检测信号的信噪比。

4、一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统和控制方法，采用力反馈速率模式扫频启动，自主判别状态切换至模态差分工作模式，保证陀螺起电工作的稳定性和可靠性，维持陀螺输出连续可靠。

5、一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统和控制方法，采用模态差分工作模式，抵消由交叉阻尼引起的两模态耦合同相误差信号，减小陀螺输出零位。

6、一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统和控制方法，采用模态差分工作模式，能够有效抑制例如外界振动、温度变化等因素引起的零偏变化，强化陀螺环境适应性，提升陀螺精度。

7、一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统和控制方法，采用模态差分工作模式，能够使陀螺输出信号差动放大，有效提升陀螺标度因素，提升陀螺零偏稳定性。

附图说明

图1是本发明的方案框图；

其中，1、谐振子，2、差动电极对，3、通道切换开关，4、驱动通道，5、检测通道，6、信号调制合成模块，7、误差信号解算模块，8、数据计算模块，9、模式切换模块，10、通道切换时序，11、测量输出模块，12、反相器，13、外电极极板，14、模数转换器，15、相敏解调模块，16、误差参量辨识模块，17、减法器，18、控制参量计算分配模块，19、直接数字频率合成器，20、信号调制模块，21、信号合成模块，22、数模转换器，23、控制参量。

图2是谐振子振动示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统，请参见图1，其发明点为：

所述控制系统包括电极驱动检测时分切换模块、传感信号幅相解调模块、误差参量辨识模块、工作模式切换模块、控制参量计算分配模块、驱动信号调制合成模块、测量输出模块。

所述电极驱动检测时分切换模块用于按照既定时序交替切换成组差分电极工作于驱动或检测工作状态；

所述传感信号幅相解调模块用于按相位信息解调表头两轴传感信号幅值；

所述误差参量辨识模块用于根据两轴传感信号幅值信息辨识频率控制、幅度控制、正交控制、力反馈控制的误差信号；

所述工作模式切换模块力反馈速率模式/模态差分模式切换模块，其用于按力反馈速率模式扫频起振，自主判别状态满足稳定切换至模态差分工作模式；

所述控制参量计算模块用于计算控制参量数值，其根据各控制回路误差信号及控制模型计算控制参量矩阵，并根据驻波位置信息分配两模态各电极控制参量；

所述时序周期计算模块用于根据谐振子当前工作频率，计算电极时分切换模块各开关周期和持续时长；

所述模式切换计算模块用于根据当前谐振子工作状态计算工作模式切换模块的使能信号；

所述驱动信号调制合成模块用于将已分配的信号调制并合成为X轴和Y轴驱动信号。

所述测量输出模块用于将陀螺仪测量的外界运载体角运动速率对外输出。其根据当前陀螺所处工作模式，自主选择敏感参量及其相应的标度因数，计算当前运载体角速率并输出。

所述传感信号幅相解调模块和所述误差参量辨识模块组成误差信号解算模块。

所述控制参量计算模块、所述时序周期计算模块和所述模式切换计算模块组成数据计算单元。用于计算整个控制系统内所有控制、时序、切换信号。

采用上述控制系统，谐振子1与外电极13组成驱动传感电容器。在空间上相差90°的两个电容器，其中一路经过反相器12，形成差动电极2。四对差动电极接到切换开关3，由通道切换模块10控制改变各电极对的工作状态。误差信号解算模块7用于解调经由检测通道5获取的谐振子1两模态轴上振动信号的同相和正交分量S_x、C_x、S_y、C_y，并根据此四个中间信号解算出各控制回路(频率控制、幅度控制、正交控制、力反馈控制)的误差信号。数据计算模块8根据误差信号计算得到各控制信号，并根据驻波方位角计算各控制信号在X轴和Y轴电极上的分量。同时根据谐振子工作状态判断工作模态状态切换，控制模式切换模块9的使能状态；根据谐振子当前工作频率，提供通道切换的时序切换信号。模式切换模块9根据数据计算模块的使能信号，自动切换陀螺工作于力反馈模式或模态差分模式，并且根据工作模式，将分配好的各控制信号传递给信号调制合成模块6，调制合成的驱动信号经由驱动通道4，按照切换开关控制时序施加在谐振子1的差动电极2上。测量输出模块11根据陀螺工作模式，计算相应情况下外界角运动的测量信号并输出。

该全差分控制方法具体工作过程如下：

(1)通过差动电极施加周期性同步驱动信号激励谐振子谐振状态，并且通过差动电极及缓冲电路检测谐振子微振动幅度。在谐振子上施加接近其二阶振动频率的驱动力时，谐振子会激发出二阶振动模态，其模态阵型为四波幅振动。按照空间相差90°布置的两个电极的振动时刻保持振动方向相反幅度相等，因而其二者可以组成差动电极对2。当差动电极对2工作于驱动状态时，经由DAC22产生的驱动信号经过反相器12产生大小相等符号相反的两个同步驱动信号，作用于谐振子1可共同贡献同一方向的模态振动，有效提高驱动效率，降低直流高压的要求。当其工作于检测状态时，其周期性微振动信号经由电荷放大器产生大小相等符号相反的两个信号，将其进行差分通过ADC14检测，可在保持有效信号的同时抑制信号产生和传递过程中的共模干扰，有效提高信号信噪比。

(2)通过驱动检测时分切换模块将步骤(1)中所述的驱动和检测两种状态根据固定的周期进行时间域上的分隔。该模块将一个工作周期分为4部分，X轴驱动D1，Y轴驱动D2，X轴检测C1，Y轴检测C2。按照时序交替使系统工作在4个部分，并且每次切换过程中停留一个短暂的空闲时间r。工作状态可诸如：C1-r-D1-r-C2-r-D2-r，循环往复。通过状态切换可使得每对差动电极2时间轴上均匀的工作在驱动或检测状态，有效抑制了各电极增益不均和增益变化对谐振子工作状态带来的漂移影响。单一时刻下，谐振子1仅工作在驱动或者检测状态，并且状态切换中放置了空闲节拍，有效抑制驱动通道和检测通道之间的耦合干扰。并且在单一时刻下，谐振子1工作模态下的全部电极均用于驱动或者检测状态，有效提高的检查信号信噪比和驱动效率。

(3)误差信号解算模块7将两个检测周期C1和C2中ADC14检测所得的X轴和Y轴检测信号分别在极坐标轴上进行解调分解，进一步计算得到表征谐振子状态的误差信号。相敏解调模块15可采用开关解调或乘法解调，其根据DDS19产生的解调参考信号获取X轴和Y轴信号中各自的同相和正交分量C_x、S_x、C_y、S_y。误差参量辨识模块16按照动力学方程推导的式(1)以C_x、S_x、C_y、S_y四个参量计算，获得表征谐振子工作状态的4个信号，分别为：时延相差

简正模态偏离Q、振动能量E、驻波空间相位θ。分别通过减法器17减去设定值

Q₀、E₀、θ_c得到对应为频率控制、正交控制、幅度控制、力反馈控制/模态差分控制的误差变量。

(4)数据计算单元实时计算整个控制系统内所有控制、时序、切换信号，并控制各个模块单元按所计算的信号进行操作。其将步骤(3)中获取的误差变量代入控制模型矩阵中，得到相应的回路控制参量，同时根据当前驻波空间相角θ分解各控制参量23，得到其在两个驱动周期D1和D2的作用分量。并且，该模块根据谐振子1当前工作频率，计算得到切换开关各周期D1、D2、C1、C2、r所需的持续时间长度，并控制驱动检测时分切换模块按照步骤(2)进行时序切换。此外，其根据谐振子1当前工作状态的稳定性，判断是否满足工作模式切换条件，并生成模式切换模块9的使能信号。

(5)工作模式切换模块根据步骤(4)中数据计算模块提供的模式切换使能信号，切换陀螺仪处于力反馈模式或模态差分模式状态。

陀螺仪从静止状态启动时，首先使谐振子1工作在力反馈模式下进行扫频式启动，此模式与传统力反馈模式相同不再赘述，此时空间相角设定值θ_c为0°。当谐振子1工作稳定后，步骤(4)中数据计算模块提供切换使能信号。此时改变驻波空间相角设定值θ_c在22.5°附近，完成陀螺仪从力反馈模式工作切换至模态差分模式工作。

具体度数根据陀螺不同需进行先验标定，原理及过程如下：

图2为谐振子振动示意图，其两模态轴运动方程为：

其中，k为布莱恩常数，d_xx＝2/τ+△(1/τ)cos2(θ-θ_τ)为X轴衰减系数，2/τ＝1/τ₁+1/τ₂，△(1/τ)＝1/τ₁-1/τ₂，τ₁为谐振子1最小衰减时间，τ₂为谐振子1最大衰减时间，d_xy＝△(1/τ)sin2(θ-θ_τ)为交叉耦合阻尼，k_xx＝ω₁ ²-ω△ωcos2(θ-θ_ω)为沿X轴归一化谐振子1质量刚度，ω△ω＝(ω₁ ²-ω₂ ²)/2，ω₁、ω₂为最大和最小谐振子1频率，k_xy＝-ω△ωsin2(θ-θ_ω)为交叉耦合刚度，d_yy＝2/τ-△(1/τ)cos2(θ-θ_τ)为Y轴衰减系数，k_yy＝ω₂ ²+ω△ωcos2(θ-θ_ω)为沿Y轴归一化谐振子1质量刚度，f_x、f_y为归一化控制信号，θ_ω为驻波轴与最小频率轴夹角，θ_τ为驻波轴与最小阻尼轴夹角。

正交控制条件下

求方程(2)的标准解为：

其中，z_x、z_y、D_x、D_y分别为X轴和Y轴检测电信号和压电转换系数。当驻波角θ不等于45°整数倍时，可得：

此时两轴的标度因数分别为：

SF_x＝-2kD_ytan2θ,SF_y＝2kD_xcot2θ (5)

式(4)进行差分，可得：

当

可见在两轴标度因数相等的情况下，交叉耦合阻尼差分抵消，此时驻波角θ＝θ^*。在实际过程中，通过标定两轴标度因数相等，此时驻波角即为模态差分工作模式位相锁定点。

(6)信号调制合成模块根据步骤(5)中谐振子工作模式，将步骤(4)中计算所得的两驱动周期控制信号的作用分量通过DDS19提供的正余弦参考信号进行信号调制及合成，生成步骤(1)中作用于对应差分电极对2上的同步施力驱动信号。步骤(3)中按照式(1)实现了各被控参量交叉耦合解耦，实现各驻波位置下被控参量的稳定独立。因此对经过步骤(4)控制矩阵后产生的各控制回路控制信号，按照驻波角θ进行极坐标分解调制，可获得X轴和Y轴施力的正余弦分量。分别对其进行信号合成，得到同步施力驱动信号，通过DAC22和切换开关3按照步骤(2)中时序作用于相应差动电极对2。

(7)测量输出模块根据步骤(5)中当前所处的工作状态向外界提供当前运载体外界角运动测量值。谐振子工作在不同模式下，反映外界角运动的参量及其相应的标度因数均不相同。该模块接收步骤(5)中陀螺仪当前工作状态，自主选择力反馈输出参量或模态差分输出参量，分别按照各自的标度因数计算当前外界运转角速率并发送输出。

本发明的上述调节参数仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制系统，其特征在于：所述控制系统包括电极驱动检测时分切换模块、传感信号幅相解调模块、误差参量辨识模块、工作模式切换模块、控制参量计算模块、时序周期计算模块、模式切换计算模块、驱动信号调制合成模块、测量输出模块；

所述电极驱动检测时分切换模块用于按照既定时序交替切换成组差分电极工作于驱动或检测工作状态；

所述传感信号幅相解调模块用于按相位信息解调表头两轴传感信号幅值和相位；

所述误差参量辨识模块用于根据两轴传感信号幅值信息辨识频率控制、幅度控制、正交控制、力反馈控制的误差信号；

所述工作模式切换模块用于切换力反馈速率模式/模态差分模式，其按照力反馈速率模式扫频起振，自主判别状态满足稳定切换至模态差分工作模式；

所述控制参量计算模块用于计算控制参量数值，其根据各控制回路误差信号及控制模型计算控制参量矩阵，并根据驻波位置信息分配两模态各电极控制参量；

所述时序周期计算模块用于根据谐振子当前工作频率，计算电极时分切换模块各开关周期和持续时长；

所述模式切换计算模块用于根据当前谐振子工作状态计算工作模式切换模块的使能信号；

所述驱动信号调制合成模块用于将已分配的信号调制并合成为X轴和Y轴驱动信号；

所述测量输出模块用于将陀螺仪测量的外界运载体角运动速率对外输出；其根据当前陀螺所处工作模式，自主选择敏感参量及其相应的标度因数，计算当前运载体角速率并输出；

所述传感信号幅相解调模块和所述误差参量辨识模块组成误差信号解算模块；

所述控制参量计算模块、所述时序周期计算模块和所述模式切换计算模块组成数据计算单元,用于计算整个控制系统内所有控制、时序、切换信号。

2.一种基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制方法，其特征在于，基于上述控制系统，包括如下步骤：

S1通过差动电极施加周期性同步驱动信号激励谐振子谐振状态，并且通过差动电极及缓冲电路检测谐振子微振动幅度；

S2通过驱动检测时分切换模块将S1中所述的驱动和检测两种状态根据固定的周期进行时间域上的分隔；该模块将一个工作周期分为4部分，X轴驱动D1，Y轴驱动D2，X轴检测C1，Y轴检测C2；按照时序交替使系统工作在4个部分，并且每次切换过程中停留一个短暂的空闲时间r，循环往复；

S3误差信号解算模块将两个检测周期C1和C2中ADC检测所得的X轴和Y轴检测信号分别在极坐标轴上进行解调分解，进一步计算得到表征谐振子状态的误差信号；相敏调模块采用开关解调或乘法解调，其根据DDS产生的解调参考信号获取X轴和Y轴信号中各自的同相和正交分量C_x、S_x、C_y、S_y；误差参量辨识模块按照动力学方程推导的式(1)以C_x、S_x、C_y、S_y四个参量计算，获得表征谐振子工作状态的4个信号，分别为：时延相差

简正模态偏离Q、振动能量E、驻波空间相位θ；分别通过减法器17减去设定值

Q₀、E₀、θ_c得到对应为频率控制、正交控制、幅度控制、力反馈控制/模态差分控制的误差变量；

S4数据计算单元实时计算整个控制系统内所有控制、时序、切换信号，并控制各个模块单元按所计算的信号进行操作，具体的，其将S3中获取的误差变量代入控制模型矩阵中，得到相应的回路控制参量，同时根据当前驻波空间相角θ分解各控制参量，得到其在两个驱动周期D1和D2的作用分量；并且，该模块根据谐振子当前工作频率，计算得到切换开关各周期D1、D2、C1、C2、r所需的持续时间长度，并控制驱动检测时分切换模块按照S2进行时序切换；此外，其根据谐振子当前工作状态的稳定性，判断是否满足工作模式切换条件，并生成工作模式切换模块的使能信号；

S5工作模式切换模块根据S4中数据计算模块提供的模式切换使能信号，切换陀螺仪处于力反馈模式或模态差分模式状态；

S6信号调制合成模块根据S5中谐振子工作模式，将S4中计算所得的两驱动周期控制信号的作用分量通过DDS提供的正余弦参考信号进行信号调制及合成，生成S1中作用于对应差分电极对上的同步施力驱动信号；S3中按照式(1)实现了各被控参量交叉耦合解耦，实现各驻波位置下被控参量的稳定独立；因此对经过S4控制矩阵后产生的各控制回路控制信号，按照驻波角θ进行极坐标分解调制，可获得X轴和Y轴施力的正余弦分量，分别对其进行信号合成，得到同步施力驱动信号，通过DAC和切换开关按照S2中时序作用于相应差动电极对；

S7测量输出模块S5中当前所处的工作状态向外界提供当前运载体外界角运动测量值；谐振子工作在不同模式下，反映外界角运动的参量及其相应的标度因数均不相同；该模块接收S5中陀螺仪当前工作状态，自主选择力反馈输出参量或模态差分输出参量，分别按照各自的标度因数计算当前外界运转角速率并发送输出。

3.根据权利要求2所述的基于时分复用的半球谐振陀螺全差分控制方法，其特征在于：S5中陀螺仪从静止状态启动时，首先使谐振子工作在力反馈模式下进行扫频式启动，此模式与传统力反馈模式相同不再赘述，此时空间相角设定值θ_c为0°；当谐振子工作稳定后，S4中数据计算模块提供切换使能信号；此时改变驻波空间相角设定值θ_c在22.5°附近，完成陀螺仪从力反馈模式工作切换至模态差分模式工作；

具体度数根据陀螺不同需进行先验标定，原理及过程如下：

其两模态轴运动方程为：

其中，k为布莱恩常数，d_xx＝2/τ+△(1/τ)cos2(θ-θ_τ)为X轴衰减系数，2/τ＝1/τ₁+1/τ₂，△(1/τ)＝1/τ₁-1/τ₂，τ₁为谐振子1最小衰减时间，τ₂为谐振子1最大衰减时间，d_xy＝△(1/τ)sin2(θ-θ_τ)为交叉耦合阻尼，k_xx＝ω₁ ²-ω△ωcos2(θ-θ_ω)为沿X轴归一化谐振子1质量刚度，ω△ω＝(ω₁ ²-ω₂ ²)/2，ω₁、ω₂为最大和最小谐振子1频率，k_xy＝-ω△ωsin2(θ-θ_ω)为交叉耦合刚度，d_yy＝2/τ-△(1/τ)cos2(θ-θ_τ)为Y轴衰减系数，k_yy＝ω₂ ²+ω△ωcos2(θ-θ_ω)为沿Y轴归一化谐振子1质量刚度，f_x、f_y为归一化控制信号，θ_ω为驻波轴与最小频率轴夹角，θ_τ为驻波轴与最小阻尼轴夹角；

正交控制条件下

求方程(2)的标准解为：

其中，z_x、z_y、D_x、D_y分别为X轴和Y轴检测电信号和压电转换系数；当驻波角θ不等于45°整数倍时，可得：

此时两轴的标度因数分别为：

当

可见在两轴标度因数相等的情况下，交叉耦合阻尼差分抵消，此时驻波角θ＝θ^*；在实际过程中，通过标定两轴标度因数相等，此时驻波角即为模态差分工作模式位相锁定点。

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