CN111220139B - 一种微机电多环陀螺力平衡模式测控电路系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微机电多环陀螺力平衡模式测控电路系统，包括信号放大电路等；两路信号放大电路分别与陀螺的两路差分检测电极相连；两路模数转换模块分别与两路信号放大电路相连；数字锁相环电路与第一路模数转换模块相连；数字幅值控制电路与第一路模数转换模块相连；数字正交抑制电路与第二路模数转换模块相连；数字力平衡控制电路与第二路模数转换模块相连；三路数模转换模块与数字幅值控制电路、数字正交抑制电路、数字力平衡控制电路相连，且分别与陀螺的驱动电极、正交抑制电极相连；调谐模块与陀螺的调谐电极相连。本发明可以有效的实现陀螺力平衡工作模式，输出陀螺旋转角速度，提高了陀螺控制精度及稳定性。

Description

一种微机电多环陀螺力平衡模式测控电路系统
技术领域
本发明属于微机电领域，特别是一种微机电多环陀螺力平衡模式测控电路系统。
背景技术
微机电多环陀螺作为固体波动陀螺的一种，采用单晶硅作为主体加工材料，因其采用成熟的微机电技术加工，具有微机电陀螺的大部分优点；同时作为固体波动陀螺的一种，相较于质量块微机电陀螺，具有能量耗散小，机械灵敏度高、质量集中、机械噪声小等等优点。因其具有上述优点，微机电多环陀螺在微机电陀螺领域中占据重要地位。
在实际应用中，大多数微机电多环陀螺控制系统都采用的是全模拟控制或者半数字化控制的方式，其控制电路通过复杂的模拟器件对微机电多环陀螺进行信号读取、调制、解调和反馈控制。这种控制方式存在控制精度低、温度适应性差、抗干扰能力差、调试维护困难、结构复杂等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微机电多环陀螺力平衡模式测控电路系统，以直接输出陀螺旋转角速度。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种微机电多环陀螺力平衡模式测控电路系统，包括第一路信号放大电路、第二路信号放大电路、第一路模数转换模块、第二路模数转换模块、数字锁相环电路、数字幅值控制电路、数字正交抑制电路、力平衡控制电路、第一路数模转换模块、第二路数模转换模块、第三路数模转换模块、调谐模块；
所述第一路信号放大电路、第二路信号放大电路分别与微机电多环陀螺的两路差分检测电极相连，分别用于将微机电多环陀螺谐振子0度电极轴、45度电极轴的振动信号放大；
所述第一路模数转换模块、第二路模数转换模块分别与第一路信号放大电路、第二路信号放大电路相连，用于将相应信号放大电路放大后的模拟电信号转换为数字信号；
所述数字锁相环电路与第一路模数转换模块相连，用于跟踪模数转换模块输出信号的频率和相位，产生两路相位为同相和正交的参考正弦信号，参考信号作用于数字幅值控制电路、数字正交抑制电路、数字力平衡控制电路；
所述数字幅值控制电路与第一路模数转换模块相连，用于控制微机电多环陀螺谐振子0度电极轴振动幅值的稳定；
所述数字正交抑制电路与第二路模数转换模块相连，用于控制微机电多环陀螺谐振子0度和45度电极轴的正交耦合到零；
所述数字力平衡控制电路与第二路模数转换模块相连，用于抑制微机电多环陀螺谐振子45度电极轴的科氏力信号为零，同时输出微机电多环陀螺的角速度；
所述第一路数模转换模块、第二路数模转换模块、第三路数模转换模块分别与数字幅值控制电路、数字正交抑制电路、数字力平衡控制电路相连，分别用于将相应电路输出的数字信号转换为模拟信号；同时第一路数模转换模块、第二路数模转换模块、第三路数模转换模块分别与微机电多环陀螺的驱动电极、正交抑制电极相连；
所述调谐模块与微机电多环陀螺的调谐电极相连，输出直流电压，直流电压加载在调谐电极上，改变电极轴的频率，使之频率一致。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明基于幅值控制电路、正交抑制电路、力平衡控制电路可以实现实时的驱动闭环、正交抑制闭环和力平衡闭环，实现微机电多环陀螺旋转角速度的检测。
(2)本发明采用全数字化方案，除陀螺、前置放大电路、数模转换和模数转换之外的电路全部采用数字电路，且基于FPGA芯片内，设计成本低、设计周期短、易维护调试。
(3)本发明中使用数字解调和控制的方式进行锁相、幅度控制、正交抑制、力平衡控制环路的设计与实现，系统精度因此大大提高，同时受温度、磁场等环境的干扰变小。
附图说明
图1为本发明测控电路系统框图。
图2为本发明测控电路系统中幅值控制电路框图。
图3本发明测控电路系统中正交抑制电路框图。
图4本发明测控电路系统中力平衡控制电路框图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
所述系统适用的微机电多环陀螺拥有两个电极轴，即0度电极轴和45度电极轴，0度电极轴包含1个驱动电极DB，2个差分检测电极(SB-、SB+)，1个调谐电极(DTB)；45度电极轴包含1个驱动电极DA，2个差分检测电极(SA-、SA+)，1个调谐电极(DTA)。微机电多环陀螺还存在两组正交抑制电极(QTA，QTB)，用于抑制0度和45度电极轴的正交耦合。由于微机电多环陀螺存在因加工工艺误差造成的结构不对称性以及阻尼以及刚度的不对称性，因而微机电多环陀螺的角速度输出，是由实际旋转角度和时间延迟造成的衰减时间常数不匹配的误差和两个电极轴频差Δω，以及实际环路中存在的相位失配误差等因素综合作用的结果。
结合图1，本发明的一种微机电多环陀螺力平衡模式测控电路系统，包括第一路信号放大电路1、第二路信号放大电路2、第一路模数转换模块3、第二路模数转换模块4、数字锁相环电路5、数字幅值控制电路6、数字正交抑制电路7、力平衡控制电路8、第一路数模转换模块9、第二路数模转换模块10、第三路数模转换模块11、调谐模块12；
所述第一路信号放大电路1与微机电多环陀螺的差分检测电极SB-、SB+相连，用于将微机电多环陀螺谐振子0度电极轴的振动信号放大。信号放大电路为电荷检测电路，可以检测出微机电多环陀螺内因内部谐振子的振动而引起的电极电荷变化。
所述第二路信号放大电路2与微机电多环陀螺的差分检测电极SA-、SA+相连，用于将微机电多环陀螺谐振子45度电极轴的振动信号放大。信号放大电路为电荷检测电路，可以检测出微机电多环陀螺内因内部谐振子的振动而引起的电极电荷变化。
所述第一路模数转换模块3与第一路信号放大电路1相连，用于将第一路信号放大电路1放大后的模拟电信号转换为数字信号。
所述第二路模数转换模块4与第二路信号放大电路2相连，用于将第二信号放大电路2放大后的模拟电信号转换为数字信号。
所述数字锁相环电路5与第一路模数转换模块3相连，用于跟踪模数转换模块3输出信号的频率和相位，产生两路相位为同相和正交的参考正弦信号，参考信号作用于数字幅值控制电路6、数字正交抑制电路7、数字力平衡控制电路8。
所述数字幅值控制电路6与第一路模数转换模块3相连，用于对模数转换模块3输出信号进行解调和滤波，控制微机电多环陀螺谐振子0度电极轴振动幅值的稳定。
所述数字正交抑制电路7与第二路模数转换模块4相连，用于对模数转换模块4输出信号进行解调和滤波，控制微机电多环陀螺谐振子0度和45度电极轴的正交耦合到零。
所述数字力平衡控制电路8与第二路模数转换模块4相连，用于对模数转换模块4输出信号进行解调和滤波，抑制微机电多环陀螺谐振子45度电极轴的科氏力信号为0，同时输出微机电多环陀螺的角速度。
所述第一路数模转换模块9与数字幅值控制电路6相连，用于将数字幅值控制电路6输出的数字信号转换为模拟信号；第一路数模转换模块9与微机电多环陀螺的45度电极轴的驱动电极DA相连。
第二路数模转换模块10与数字正交抑制电路7相连，用于将数字正交抑制电路7输出的数字信号转换为模拟信号；第二路数模转换模块10与微机电多环陀螺的正交抑制电极QTA、QTB相连。
所述第三路数模转换模块11与数字力平衡控制电路8相连，用于将数字力平衡控制电路8输出的数字信号转换为模拟信号；第三路数模转换模块11与微机电多环陀螺的0度电极轴的驱动电极DB相连。
所述调谐模块12与微机电多环陀螺的调谐电极DTA、DTB相连，通过内部的可编程DC电源芯片，输出直流电压，直流电压加载在调谐电极上，改变电极轴的频率，使之频率一致(调谐)。DC电源芯片采用德州仪器公司的TPS7A8300，是一款低噪声、低压降的可编程电源芯片。
进一步的，所述数字幅值控制电路6由第一乘法器、第一滤波器、PID控制器和第二乘法器组成；所述第一乘法器用于锁相环产生的同相参考信号和输入信号相乘；第一滤波器用于将相乘后产生的二倍频信号滤除，保留微机电多环陀螺谐振子0度电极轴振动信号的幅值信息，PID控制器将幅值信息转换为幅值控制信号，第二乘法器将幅值控制信号调制到正交参考信号上用于幅值驱动闭环。
进一步的，所述数字正交抑制电路7由第三乘法器、第二滤波器和第二PID控制器组成；所述第三乘法器用于锁相环产生的同相参考信号和输入信号相乘；第二滤波器用于将相乘后产生的二倍频信号滤除，保留微机电多环陀螺谐振子45度电极轴正交信号的幅值信息，第二PID控制器将正交信号的幅值信息转换为正交控制信号，正交控制信号最后加载在陀螺的正交抑制电极上，将陀螺0度和45度电极轴的正交耦合的正交耦合抑制到零。
进一步的，所述数字力平衡控制电路8由第四乘法器、第三滤波器、第三PID控制器和第五乘法器组成；所述第四乘法器用于锁相环产生的正交参考信号和输入信号相乘；第三滤波器用于将相乘后产生的二倍频信号滤除，保留微机电多环陀螺谐振子45度电极轴因陀螺旋转产生的科氏力信号的幅值信息，第三PID控制器将科氏力信号的幅值信息转换为力平衡控制信号，第五乘法器将力平衡控制信号调制到同相参考信号上用于力平衡控制闭环，将陀螺45度电极轴上产生的科氏力信号抑制到零，同时第三PID控制器的输出为力平衡测控电路的角速度输出kΩ。
本实施例中，数字锁相环电路5、数字幅度控制电路6、数字正交抑制电路7、数字力平衡控制电路8都位于一个FPGA芯片内。
本实施例中，数字锁相环电路5使用数字解调方式对第一路信号进行解调和滤波，利用PI控制器使产生的相位控制信号控制数字振荡器产生参考信号，参考信号跟踪了微机电多环陀螺谐振子0度电极轴的谐振频率和相位变化。数字幅度控制电路6使用数字解调方式对第一路信号进行解调和滤波，利用PI控制器保持微机电多环陀螺谐振子0度电极轴的振动幅度稳定在设定值。数字正交抑制电路7使用数字解调方式对第二路信号进行解调和滤波，利用PI控制器保持微机电多环陀螺谐振子0度和45度电极轴的正交耦合在零。数字力平衡控制电路8使用数字解调方式对第二路信号进行解调和滤波，利用PI控制器保持微机电多环陀螺的内部谐振子45度电极轴产生的科氏力信号为零，同时输出检测的角速度kΩ。调谐模块12与微机电多环陀螺的调谐电极相连，模块包含可编程的DC电源芯片，通过设置不同的电压，可对不同微机电陀螺进行调谐，即通过静电负刚度效应将A、B电极轴的谐振频率降低至一致。本实施例中，若微机电多环陀螺的旋转角速度为Ω，则本发明中力平衡测控电路系统的角速度输出为kΩ，k为标度因数，与实际电路系统有关，需要通过实验来标定。

Claims (5)

1.一种微机电多环陀螺力平衡模式测控电路系统，其特征在于，包括第一路信号放大电路、第二路信号放大电路、第一路模数转换模块、第二路模数转换模块、数字锁相环电路、数字幅值控制电路、数字正交抑制电路、力平衡控制电路、第一路数模转换模块、第二路数模转换模块、第三路数模转换模块、调谐模块；
所述第一路信号放大电路、第二路信号放大电路分别与微机电多环陀螺的两路差分检测电极相连，分别用于将微机电多环陀螺谐振子0度电极轴、45度电极轴的振动信号放大；
所述第一路模数转换模块、第二路模数转换模块分别与第一路信号放大电路、第二路信号放大电路相连，用于将相应信号放大电路放大后的模拟电信号转换为数字信号；
所述数字锁相环电路与第一路模数转换模块相连，用于跟踪模数转换模块输出信号的频率和相位，产生两路相位为同相和正交的参考正弦信号，参考信号作用于数字幅值控制电路、数字正交抑制电路、数字力平衡控制电路；
所述数字幅值控制电路与第一路模数转换模块相连，用于控制微机电多环陀螺谐振子0度电极轴振动幅值的稳定；
所述数字正交抑制电路与第二路模数转换模块相连，用于控制微机电多环陀螺谐振子0度和45度电极轴的正交耦合到零；
所述数字力平衡控制电路与第二路模数转换模块相连，用于抑制微机电多环陀螺谐振子45度电极轴的科氏力信号为零，同时输出微机电多环陀螺的角速度；
所述第一路数模转换模块、第二路数模转换模块、第三路数模转换模块分别与数字幅值控制电路、数字正交抑制电路、数字力平衡控制电路相连，分别用于将相应电路输出的数字信号转换为模拟信号；同时第一路数模转换模块、第二路数模转换模块、第三路数模转换模块分别与微机电多环陀螺的驱动电极、正交抑制电极相连；
所述调谐模块与微机电多环陀螺的调谐电极相连，输出直流电压，直流电压加载在调谐电极上，改变电极轴的频率，使之频率一致。
2.根据权利要求1所述测控电路系统，其特征在于，所述数字幅值控制电路由第一乘法器、第一滤波器、PID控制器和第二乘法器组成；所述第一乘法器相乘和第一滤波器滤除，保留微机电多环陀螺谐振子0度电极轴振动信号的幅值信息，PID控制器将幅值信息转换为幅值控制信号，第二乘法器将幅值控制信号调制到正交参考信号上用于幅值驱动闭环。
3.根据权利要求1所述测控电路系统，其特征在于，所述数字正交抑制电路由第三乘法器、第二滤波器和第二PID控制器组成；通过第三乘法器相乘和第二滤波器滤波，保留陀螺45度电极轴的正交信号的幅值信息，第二PID控制器将正交信号的幅值信息转换为正交抑制信号，最终用于陀螺正交耦合的闭环抑制。
4.根据权利要求1所述测控电路系统，其特征在于，所述数字力平衡控制电路由第四乘法器、第三滤波器、第三PID控制器和第五乘法器组成；通过第四乘法器相乘和第三滤波器滤波，保留陀螺45度电极轴的科氏力信号的幅值信息，第三PID控制器将其转换为力平衡控制信号，第五乘法器将力平衡控制信号调制到载波上用于力平衡闭环控制，同时第三PID控制器的输出即为力平衡测控电路的角速度输出。
5.根据权利要求1所述测控电路系统，其特征在于，所述数字锁相环电路、数字幅度控制电路、数字正交抑制电路、数字力平衡控制电路都设置在一个FPGA芯片内。
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