CN113063409B - 振动陀螺三倍频参数激励方法和系统 - Google Patents

振动陀螺三倍频参数激励方法和系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种振动陀螺三倍频参数激励方法和系统。振动陀螺包括：驱动电极、检测电极和谐振结构；驱动电极用于接收振动陀螺在转动时激发产生的检测模态的运动信息；检测电极用于在接收到外部角速度作用下激发振动陀螺的检测模态，方法包括：在驱动电极施加激励电压激发振动陀螺的驱动模态，在驱动电极施加反相的参数泵信号，进行振动陀螺的三倍频参数激励；参数泵信号的频率是谐振结构谐振频率的三倍；参数泵信号的相位用于进行参数放大或者参数抑制，参数泵信号的幅值用于调节参数放大的增益系数。采用本方法能够进行三倍频激励。

Description

振动陀螺三倍频参数激励方法和系统
技术领域
本申请涉及陀螺仪技术领域，特别是涉及一种振动陀螺三倍频参数激励方法和系统。
背景技术
陀螺仪是测量载体相对惯性空间旋转运动的传感器，是运动测量、惯性导航、制导控制等应用的核心器件。振动陀螺仪一般利用高频振动的质量在被基座带动旋转时所产生的科里奥利效应来敏感角运动。振动陀螺一般采用静电力驱动、电容检测，具有响应速度快、灵敏度高等特点，而且可以通过后期调整的方法来改善陀螺性能。
利用参数激励技术可以提升谐振器的等效Q值，降低激励信号的幅值，从而减少由寄生电容导致的陀螺驱动端到检测端的信号串扰。在角速度检测环节应用参数激励则可以直接放大陀螺的科里奥利响应，从而提升陀螺仪的输出；此外，这种放大效应不会增加检测环节中的电路噪声，因此这项技术有利于陀螺仪的灵敏度和信噪比等各方面综合性能的提升。
理论上要实现参数共振，参数激励信号的频率ωp需要满足以下条件：
Figure GDA0003505013550000011
其中ω0是谐振系统的固有频率，n是一个正整数。目前在振动陀螺中参数激励已得到广泛应用，一般在陀螺某个方向的单个电极上施加激励信号二倍频率的参数泵信号，通过对谐振子的刚度产生二倍频率的动态刚度调制，从而实现参数激励和放大的效果。通过改变二倍频信号与激励信号间的相位差可改变参数放大的增益系数。
目前已报道的参数激励和放大普遍采用二倍频参数激励信号实现，并且在我们的实验探索中发现，在一类具有对称结构的环形振动陀螺中，当二倍频参数泵信号与激励信号同样以反相的方式施加在驱动电极上时，参数放大效应几乎消失。此外，参数泵信号与激励信号的频率相差越远，信号间的串扰等不利影响就更容易通过滤波等方式消除，因此我们希望使用更高频率的参数泵信号实现参数激励和参数放大。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种基于三倍频参数泵的振动陀螺参数激励方法和系统。
一种振动陀螺三倍频参数激励方法，所述振动陀螺包括：驱动电极、检测电极和谐振结构；
所述驱动电极用于在激励电压的作用下使得所述谐振结构在驱动模态下振动；
所述检测电极用于接收振动陀螺在转动时激发产生的检测模态的运动信息；所述方法包括：
在驱动电极施加激励电压激发振动陀螺的驱动模态，在驱动电极施加反相的参数泵信号，进行振动陀螺的三倍频参数激励；所述参数泵信号的频率是谐振结构谐振频率的三倍；所述参数泵信号的相位用于进行参数放大或者参数抑制，所述参数泵信号的幅值用于调节参数放大的增益系数。
在其中一个实施例中，还包括：在驱动电极施加的激励电压为反相电压；所述反相电压对谐振结构产生的作用力是推挽驱动力；所述激励电压和所述参数泵信号同时作用于驱动电极。
在其中一个实施例中，还包括:通过锁相环控制激励电压的频率使振动陀螺保持谐振状态；通过控制激励电压的大小使驱动模态的振幅保持恒定。
在其中一个实施例中，在所述检测电极上施加反相的所述参数泵信号，所述检测电极的参数泵信号与驱动电极的参数泵信号频率均为谐振频率的三倍，但是两者的相位和幅值可以根据需求进行分开调节。
一种振动陀螺三倍频参数激励系统，所述系统包括：
振动陀螺，所述振动陀螺包括：驱动电极、检测电极和谐振结构；所述驱动电极用于在激励电压的作用下使得所述谐振结构在驱动模态下振动；所述检测电极用于接收振动陀螺在转动时激发产生的检测模态的运动信息；
电压激励模块，用于在驱动电极施加激励电压激发振动陀螺的驱动模态；
三倍激励模块，用于在驱动电极施加反相的参数泵信号，进行振动陀螺的三倍频参数激励；所述参数泵信号的频率是谐振结构谐振频率的三倍；所述参数泵信号的相位用于进行参数放大或者参数抑制，所述参数泵信号的幅值用于调节参数放大的增益系数。
在其中一个实施例中，在驱动电极施加的激励电压为反相电压；所述反相电压对谐振结构产生的作用力是推挽驱动力；所述激励电压和所述参数泵信号同时作用于驱动电极。
在其中一个实施例中，所述电压激励模块还用于通过锁相环控制激励电压的频率使振动陀螺保持谐振状态；通过控制激励电压的大小使驱动模态的振幅保持恒定。
在其中一个实施例中，检测电极激励模块，用于所述检测电极上施加反相的所述参数泵信号，所述检测电极的参数泵信号与驱动电极的参数泵信号频率均为谐振频率的三倍，但是两者的相位和幅值可以根据需求进行分开调节。
上述振动陀螺三倍频参数激励方法和系统，通过施加三倍频的参数泵信号，既能减少由寄生电容导致的陀螺驱动端到检测端的信号串扰，又能提升陀螺仪的检测灵敏度。此外，采用三倍频信号实现参数激励与用二倍频信号相比在滤波消除串扰等环节具有更大的优势。
附图说明
图1为一个实施例中振动陀螺三倍频参数激励方法的流程示意图；
图2为一个实施例中环形振动陀螺的简化模型示意图；
图3为一个实施例中环形振动陀螺模态转换的示意图；
图4为一个实施例中振动陀螺受到推挽驱动力的作用示意图；
图5为一个实施例中在施加不同的参数泵电压的情况下陀螺谐振结构的衰减曲线和等效Q值图；
图6为一个实施例中保持一定的驱动幅值下振动陀螺的激励电压随参数泵电压的变化趋势图；
图7为一个实施例中振动陀螺三倍频参数激励系统的结构框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，提供了一种振动陀螺三倍频参数激励方法，振动陀螺包括：驱动电极、检测电极和谐振结构；驱动电极用于在激励电压的作用下使得谐振结构在驱动模态下振动；检测电极用于接收振动陀螺在转动时激发产生的检测模态的运动信息。包括如下步骤：
步骤102，在驱动电极施加激励电压激发振动陀螺的驱动模态。
步骤104，在驱动电极施加反相的参数泵信号，进行振动陀螺的三倍频参数激励。
参数泵信号的频率是谐振结构谐振频率的三倍；参数泵信号的相位用于进行参数放大或者参数抑制，参数泵信号的幅值用于调节参数放大的增益系数。
上述振动陀螺三倍频参数激励方法中，通过施加三倍频的参数泵信号，既能减少由寄生电容导致的陀螺驱动端到检测端的信号串扰，又能提升陀螺仪的检测灵敏度。此外，采用三倍频信号实现参数激励与用二倍频信号相比在滤波消除串扰等环节具有更大的优势。
具体的，振动陀螺在激励电压的作用下起振，从而激发出驱动模态，反相激励电压可以表示为：
Vd+(t)＝Vdc+Vfsinωft
Vd-(t)＝Vdc-Vfsinωft
其中，Vdc是直流偏置电压，Vf是激励电压的幅值，ωf是激励电压的角频率，t是时间。
在其中一个实施例中，激励电压的频率通过锁相环(Phase-Locked Loop,PLL)自动调节，使陀螺始终工作在谐振状态；通过控制激励电压的大小使陀螺保持恒定的振动幅值。
在其中一个实施例中，在驱动电极上叠加反相的参数泵信号，该参数泵信号的频率是陀螺谐振结构振动频率的三倍。这时，驱动电极上的电压信号可以表示为：Vd+(t)＝Vdc+Vfsinωft+Vpsin(ωpt+φ)，Vd-(t)＝Vdc-Vfsinωft-Vpsin(ωpt+φ)。其中Vp是参数泵信号的幅值，ωp是参数泵信号的角频率且ωp＝3ωf，φ是参数泵信号相对于基频驱动信号的参考相位差。通过在反相的激励电压上叠加反相的三倍频参数泵信号，可以实现对谐振子的二倍频刚度调制，从而实现基于三倍频参数泵信号的振动陀螺参数激励。
具体的，为选取具有最大参数放大增益系数的实际参考相位φ，可以通过以下步骤实现：
步骤一、设定初始参考相位φ＝-π，从0开始逐渐调大参数泵信号的幅值Vp，基频驱动电压Vf的大小发生变化。当基频驱动电压Vf变化一半时(增大或减小均可，不需要太精确)，保持此时参数泵信号的幅值Vp不变；
步骤二、在区间[-π，π]内改变φ的值，基频驱动电压Vf会发生变化。当φ的取值遍历整个区间，基频驱动电压Vf最小时，对应的相位φ即为实际具有最大参数放大增益系数的参考相位φ。
在其中一个实施例中，可以根据实际需要选择合适的参数放大增益系数。通过调节参数泵信号的幅值Vp可以改变参数放大增益系数，并且参数放大增益系数随着Vp的增大而增大，直至达到该系统参数激励稳定边界条件对应的阈值电压。
在其中一个实施例中，参数泵信号还可以施加在检测电极上，反相参数泵电压可以同时施加在陀螺的检测电极上，从而实现陀螺驱动模态和检测模态的同步参数激励；也可以只施加在陀螺的检测电极上，从而只实现陀螺检测模态的参数激励。陀螺检测电极上的电压信号可以表示为：Vs+(t)＝Vdc+Vp′sin(ωpt+φ′)，Vs-(t)＝Vdc-Vp′sin(ωpt+φ′)，其中Vp′和φ′分别是施加在检测电极上的参数泵信号的幅值和相位。
具体的，陀螺可以通过采用静电修调或其他修调方式实现模态匹配，即尽可能减小驱动模态和检测模态的频率差。
在其中一个实施例中，当陀螺仪发生转动时，由于哥氏力的作用，陀螺的检测模态被激发，其振动幅值与输入角速度的大小成正比，陀螺仪测控系统通过解算检测模态的振动信号即可得到角速度信息。在相同角速度作用下，由于受到参数泵信号的参数放大作用，陀螺的振动幅值会有一定提升，从而陀螺仪的输出提高，这也意味着其灵敏度的提升。
以下以具体的振动陀螺对上述实施例进行清楚的说明。
图2是一种适用于本发明的环形振动陀螺的简化模型示意图。此类陀螺一般工作在2阶面内模态，并且具有两个频率相同、振型不同的简并模态。在陀螺仪工作过程中，谐振结构在激励电压的作用下保持恒幅振动，从而激发出它的第一模态，即驱动模态；当它受到轴向角速度的作用时，谐振结构上的所有运动微元受到哥氏力的作用，其合力在驱动模态的45°方向激发出它的第二简并模态，即检测模态，如图3所示。
第一步，在图1所示环形振动陀螺谐振结构的锚点上施加直流偏置电压Vdc；在4个驱动电极上施加激励电压，其中两个“Drv+”电极施加的电压为Vf(t)＝Vfsinωft，两个“Drv-”电极施加的电压为-Vf(t)＝-Vfsinωft。此时，陀螺仪将受到推挽驱动力的作用，如图4所示。
第二步，在施加激励电压后，通过锁相环调节激励电压的角频率ωf，使陀螺保持工作在谐振状态；通过控制第一步中激励电压Vf的大小使陀螺的驱动模态保持恒定的振幅。
第三步，在陀螺的的驱动电极施加参数泵信号，其中两个“Drv+”电极施加的电压为Vp(t)＝Vpsin(ωpt+φ)，两个“Drv-”电极施加的电压为-Vp(t)＝-Vpsin(ωpt+φ)，其中Vp是参数泵信号的幅值，ωp是参数泵信号的角频率且ωp＝3ωf，φ是参数泵信号相对于基频驱动信号的参考相位差。
如图4所示，这种情况下，陀螺受到的静电驱动力可以表示为：
Figure GDA0003505013550000071
其中，εr是相对介电常数，ε0是真空介电常数，d0是谐振结构与电极间的电容间隙，Aeff是等效电容面积，x是振动位移。在振动位移x远小于电容间隙d0的情况下，上式可以写成：
Figure GDA0003505013550000072
这样，静电驱动力中产生了对陀螺刚度有二倍频率调制作用的项，即上式中的2VdVpcos(2ωf t+φ)，从而实现参数激励和放大。图5是在施加不同的参数泵电压的情况下，陀螺谐振结构的衰减曲线和等效Q值；图6是在保持一定的驱动幅值下，陀螺的激励电压随参数泵电压的变化趋势。
第四步，在陀螺的检测电极施加参数泵信号，其中两个“Sns+”电极施加的电压为Vp′(t)＝Vp′sin(ωpt+φ′)，两个“Drv-”电极施加的电压为-Vp′(t)＝-Vp′sin(ωpt+φ′)，其中Vp′和φ′分别是施加在检测电极上的参数泵信号的幅值和相位。在检测模态实现参数激励和放大的原理与驱动模态类似，三倍频参数泵信号同样能对检测模态的振动进行二倍频刚度调制。
第五步，通过调节参数泵信号的幅值和相位，陀螺仪就能在工作过程中同时实现驱动模态和检测模态的参数激励和放大。
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
在一个实施例中，如图7所示，提供了一种振动陀螺三倍频参数激励系统，包括：振动陀螺702、电压激励模块704和三倍激励模块706，其中：
振动陀螺702，所述振动陀螺包括：驱动电极、检测电极和谐振结构；所述驱动电极用于在激励电压的作用下使得所述谐振结构在驱动模态下振动；所述检测电极用于接收振动陀螺在转动时激发产生的检测模态的运动信息；
电压激励模块704，用于在驱动电极施加激励电压激发振动陀螺的驱动模态；
三倍激励模块706，用于在驱动电极施加反相的参数泵信号，进行振动陀螺的三倍频参数激励；所述参数泵信号的频率是谐振结构谐振频率的三倍；所述参数泵信号的相位用于进行参数放大或者参数抑制，所述参数泵信号的幅值用于调节参数放大的增益系数。
在其中一个实施例中，在驱动电极施加的激励电压为反相电压；所述反相电压对谐振结构产生的作用力是推挽驱动力；所述激励电压和所述参数泵信号同时作用于驱动电极。
在其中一个实施例中，所述电压激励模块还用于通过锁相环控制激励电压的频率使振动陀螺保持谐振状态；通过控制激励电压的大小使驱动模态的振幅保持恒定。
在其中一个实施例中，包括：检测电极激励模块，用于所述检测电极上施加反相的所述参数泵信号，所述检测电极的参数泵信号与驱动电极的参数泵信号频率均为谐振频率的三倍。
关于振动陀螺三倍频参数激励系统的具体限定可以参见上文中对于振动陀螺三倍频参数激励方法的限定，在此不再赘述。上述振动陀螺三倍频参数激励系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种振动陀螺三倍频参数激励方法，其特征在于，所述振动陀螺包括：驱动电极、检测电极和谐振结构；
所述驱动电极用于在激励电压的作用下使得所述谐振结构在驱动模态下振动；
所述检测电极用于接收振动陀螺在转动时激发产生的检测模态的运动信息；
所述方法包括：
在驱动电极施加激励电压激发振动陀螺的驱动模态，在驱动电极施加反相的参数泵信号，进行振动陀螺的三倍频参数激励；所述参数泵信号的频率是谐振结构谐振频率的三倍；所述参数泵信号的相位用于进行参数放大或者参数抑制，所述参数泵信号的幅值用于调节参数放大的增益系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在驱动电极施加的激励电压为反相电压；所述反相电压对谐振结构产生的作用力是推挽驱动力；所述激励电压和所述参数泵信号同时作用于驱动电极。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在驱动电极施加激励电压激发振动陀螺的驱动模态，包括：
通过锁相环控制激励电压的频率使振动陀螺保持谐振状态；
通过控制激励电压的大小使驱动模态的振幅保持恒定。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述检测电极上施加反相的参数泵信号；所述检测电极的参数泵信号与驱动电极的参数泵信号频率均为谐振频率的三倍。
5.一种振动陀螺三倍频参数激励系统，其特征在于，所述系统包括：
振动陀螺，所述振动陀螺包括：驱动电极、检测电极和谐振结构；所述驱动电极用于在激励电压的作用下使得所述谐振结构在驱动模态下振动；所述检测电极用于接收振动陀螺在转动时激发产生的检测模态的运动信息；
电压激励模块，用于在驱动电极施加激励电压激发振动陀螺的驱动模态；
三倍激励模块，用于在驱动电极施加反相的参数泵信号，进行振动陀螺的三倍频参数激励；所述参数泵信号的频率是谐振结构谐振频率的三倍；所述参数泵信号的相位用于进行参数放大或者参数抑制，所述参数泵信号的幅值用于调节参数放大的增益系数。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，在驱动电极施加的激励电压为反相电压；所述反相电压对谐振结构产生的作用力是推挽驱动力；所述激励电压和所述参数泵信号同时作用于驱动电极。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电压激励模块还用于通过锁相环控制激励电压的频率使振动陀螺保持谐振状态；通过控制激励电压的大小使驱动模态的振幅保持恒定。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括：检测电极激励模块，用于所述检测电极上施加反相的所述参数泵信号，所述检测电极的参数泵信号与驱动电极的参数泵信号频率均为谐振频率的三倍。
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