CN114964197B - 一种谐振陀螺相位基准自补偿系统及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谐振陀螺相位基准自补偿系统及补偿方法，补偿方法包括：步骤1、根据用户设置的正弦参考信号频率产生正弦参考信号；步骤2、将正弦参考信号与经调制后的陀螺驱动信号叠加；步骤3、通过数模转换器生成混合信号模拟量，并施加于谐振子；步骤4、经缓冲放大器和模数转换器检测得到陀螺响应信号；步骤5、通过信号解调提取陀螺振动模态信号和参考响应信号的正余弦分量；步骤6、根据参考响应信号正余弦分量，计算其与预设参考生成单元生成的原始正弦参考信号相位偏差；步骤7、根据正弦参考信号相位偏差调整陀螺驱动信号基准相位；步骤8、重复步骤1‑7，持续进行相位基准的实时自补偿。本发明提升了谐振陀螺频率控制回路控制效果，降低了冷启动时间，提升了陀螺的稳定性和重复性。

Description

一种谐振陀螺相位基准自补偿系统及补偿方法

技术领域

本发明属于惯性仪表控制技术领域，特别涉及一种谐振陀螺相位基准自补偿系统补偿方法。

背景技术

谐振陀螺仪作为一种基于哥氏效应的固体波动陀螺仪，包括石英半球谐振陀螺、金属筒型谐振陀螺、嵌套环陀螺和微半球陀螺等。其核心部件谐振子可等效为二阶振荡器，并工作于其固有频率附近。为保持谐振态振动，发挥其高品质因数和稳定性特性，采用频率追踪控制回路保持驱动信号频率锁定谐振子固有频率。

通常采用锁相环或自激振荡回路实现驱动频率追踪谐振子固有频率。锁相环方式通过鉴相器检测获取谐振子振动信号相位，控制其维持在-π/2大小，通过环路滤波器生成驱动频率。自激振荡方式，通过将谐振子振动信号移相放大后，生成驱动信号。

然而，由于陀螺电极、电子器件、阻容、晶振等因素，频率控制回路中存在时间延迟环节，使得回路存在额外的信号相移。该相移的存在使得频率控制回路产生了控制误差，致使谐振子偏离谐振工作点，影响控制效果。同时，温度等因素变化时，由器件参数改变，该相移随之变化，进一步影响陀螺工作状态，进而影响陀螺的稳定性。尤其对于冷启动和重复上电过程，相移达到稳定的时间制约了陀螺快速启动，重复上电的相位偏差影响陀螺的重复性。

发明内容

本发明针对对固体波/谐振陀螺相位基准误差及其变化，引发陀螺性能下降的问题，提出了一种能够自主感知相位基准误差并进行在线自补偿的谐振陀螺相位基准自补偿系统。

本发明的上述目的之一通过如下技术方案来实现：

一种谐振陀螺相位基准自补偿系统，其特征在于：包括缓冲放大器、模数转换器、信号解调单元、陀螺控制单元、相位计算单元、信号基准生成单元、信号调制单元、预设参考生成单元、信号合成单元、数模转换器；

所述缓冲放大器，用于将电极上由谐振子振动引起的电流信号转换为电压信号；

所述模数转换器，用于将缓冲放大器得到的含陀螺振动信息的电压信号转变为数字量信号；

所述信号解调单元，用于通过数学运算得到陀螺振动模态信号和参考响应信号的正余弦分量；

所述陀螺控制单元，用于根据信号解调单元获取的陀螺振动模态信号，计算驻波方位角θ

以及控制回路的控制量，控制回路的控制量包括驱动频率ω ₀ 、稳幅控制信号C _a 、正交控制信号C _q 、速率控制信号C _p ；

所述相位计算单元，用于根据信号解调单元获取的参考响应信号，计算与预设参考生成单元生成的原始正弦参考信号间的相位偏差；

所述信号基准生成单元，用于根据陀螺控制单元提供的驱动频率和相位计算单元提供的相位偏差，生成基准正余弦；

所述预设参考生成单元，用于根据用户设置的正弦参考信号频率，生成正弦参考信号；

所述信号调制单元，用于根据陀螺控制单元提供的控制量和信号基准生成单元提供的基准正余弦，调制生成陀螺驱动信号；

所述信号合成单元，用于将陀螺驱动信号和正弦参考信号通过加法器进行叠加合成，形成混合信号；

所述数模转换器，用于合成的混合信号转变为模拟信号，并施加于谐振子的响应电极上。

进一步的：所述信号解调单元采用最小二乘估计，计算陀螺振动模态信号和参考响应信号的正余弦分量，分别为S _x 和C _x 、S _r 和C _r ；最小二乘估计的计算公式为：

(1)

式中——y(k)为陀螺检测信号；

——e(k)为过程的零均值噪声；

——φ _k ^T 为解调参考信号；

——θ ^* 为待辨识信号；

——S _x 为陀螺振动模态信号的正弦分量；

——C _x 为陀螺振动模态信号的余弦分量；

——S _r 为参考响应信号的正弦分量；

——C _r 为参考响应信号的余弦分量；

——M为直流分量；

——ω ₀ 为驱动频率；

——ω _r 为用户设置的正弦参考信号频率。

进一步的：所述相位计算单元根据信号解调单元获得的参考响应信号的正弦分量S _r 和参考响应信号的余弦分量C _r 、用户预设的正弦参考信号频率ω _r 及陀螺控制单元提供的驱动频率ω ₀ ，计算相位偏差值φ ₀ ：

(2)。

进一步的：所述信号基准生成单元根据相位计算单元提供的相位偏差值φ ₀ 和陀螺控制单元提供的驱动频率ω ₀ ，生成基准正余弦信号V _os 和V _oc ：

(3)

式中——V _os 为基准正弦信号；

——V _oc 为基准余弦信号。

进一步的：所述信号调制单元根据信号基准生成单元提供的基准正余弦信号V _os 、V _oc 和陀螺控制单元提供的控制量C _a 、C _q 、C _p ，调制生成驱动信号，计算公式为：

(4)

式中——V为陀螺驱动电压。

进一步的：所述预设参考生成单元根据用户设置的正弦参考信号频率ω _r 生成正弦参考信号V _r ：

(5)

式中：——t为时间

进一步的：所述信号合成单元将信号调制单元生成的驱动信号V和预设参考生成单元生成的正弦参考信号V _r 通过加法器进行叠加合成，获得施加于电极的混合信号

，并作用于谐振子相应电极：

(6)。

本发明的上述目的之二通过如下技术方案来实现：

一种基于上述谐振陀螺相位基准自补偿系统的谐振陀螺相位基准自补偿方法，包括如下步骤：

步骤1、根据用户设置的正弦参考信号频率产生正弦参考信号；

步骤2、将正弦参考信号与经调制后的陀螺驱动信号叠加；

步骤3、通过数模转换器生成混合信号模拟量，并施加于谐振子；

步骤4、经缓冲放大器和模数转换器检测得到陀螺响应信号；

步骤5、通过信号解调提取陀螺振动模态信号和参考响应信号的正余弦分量；

步骤6、根据参考响应信号正余弦分量，计算其与预设参考生成单元生成的原始正弦参考信号相位偏差；

步骤7、根据正弦参考信号相位偏差调整陀螺驱动信号基准相位；

步骤8、重复步骤1-7，持续进行相位基准的实时自补偿。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明谐振陀螺相位基准自补偿系统及补偿方法，通过主动叠加正弦参考的方式，自主感知回路相位延迟，补偿基准相位误差。

2、本发明谐振陀螺相位基准自补偿系统及补偿方法，通过将正弦参考与陀螺驱动信号错频设计，避免附加正弦参考干扰陀螺正常工作。

3、本发明谐振陀螺相位基准自补偿系统及方法，通过实时补偿基准相位误差，减小冷启动过程器件等引起的相位误差，提升了陀螺的启动性能。

4、本发明谐振陀螺相位基准自补偿系统及方法，通过实时补偿基准相位误差，提升陀螺谐振状态的稳定性，提升陀螺的稳定性、重复性和全温性能。

附图说明

图1是本发明一种谐振陀螺相位基准自补偿系统框图。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。

一种谐振陀螺相位基准自补偿系统，参见图1，该系统中，谐振子1为陀螺核心敏感单元，根据应用需求和精度等级不同，其材质可为石英、硅基和金属等。电极2用于驱动和检测谐振子振动，包括接触式和非接触式，如压电陶瓷、电容等。缓冲放大器3用于提取电极2上获取到的谐振子1的振动信息，起信号转换和隔离放大作用，如电荷放大器等。缓冲放大器3得到的含陀螺振动模态信号的模拟电压信号通过模数转换器4采集转变为数字量。信号解调单元5通过数学运算(如最小二乘等)得到陀螺振动模态信号和参考响应信号的正余弦分量。陀螺控制单元6根据信号解调单元5获取的陀螺振动模态信号的正余弦分量，计算控制回路(频率控制、幅度控制、正交控制、速率控制)的控制量及以及驻波方位角。相位计算单元7根据信号解调单元5获取的参考响应信号，计算与预设参考生成单元生成的原始正弦参考信号间的相位偏差。信号基准生成单元8根据陀螺控制单元6提供的频率信息和相位计算单元7提供的相位偏差，生成基准正余弦。预设参考生成单元9根据用户设置的正弦参考信号频率，生成正弦参考信号。信号调制单元10根据陀螺控制单元6提供的控制量和信号基准生成单元8提供的正余弦基准，调制生成陀螺驱动信号。陀螺驱动信号和正弦参考信号由加法器11进行叠加合成。由加法器11合成后的混合信号数字量通过数模转换器12转变为模拟信号，并施加于谐振子1的相应电极2上。

具体工作过程及原理如下：

（1）信号解调单元

信号解调单元5采用最小二乘估计，计算陀螺振动模态信号和参考响应信号的正余弦分量，分别为S _x 和C _x 、S _r 和C _r ，最小二乘估计的计算公式为：

(1)

式中——y(k)为陀螺检测信号；

——e(k)为过程的零均值噪声；

——φ _k ^T 为解调参考信号；

——θ ^* 为待辨识信号；

——S _x 为陀螺振动模态信号的正弦分量；

——C _x 为陀螺振动模态信号的余弦分量；

——S _r 为参考响应信号的正弦分量；

——C _r 为参考响应信号的余弦分量；

——M为直流分量；

——ω ₀ 为驱动频率；

——ω _r 为用户设置的正弦参考信号频率。

（2）陀螺控制单元

根据信号解调单元5获得的陀螺振动信号，计算驻波方位角θ以及频率控制、幅度控制、正交控制和速率控制的控制量，分别为驱动频率ω ₀ 、稳幅控制信号C _a 、正交控制信号C _q 、速率控制信号C _p ，与传统谐振陀螺控制单元一致，不再赘述。

（3）相位计算单元

根据信号解调单元获得的参考响应信号的正弦分量S _r 和参考响应信号的余弦分量C _r 、用户预设的正弦参考信号频率ω _r 及陀螺控制单元提供的驱动频率ω ₀ ，计算相位偏差值φ ₀ ：

(2)。

（4）信号基准生成单元

所述信号基准生成单元根据相位计算单元提供的相位偏差值φ ₀ 和陀螺控制单元提供的驱动频率ω ₀ ，生成基准正余弦信号V _os 和V _oc ：

(3)

式中——V _os 为基准正弦信号；

——V _oc 为基准余弦信号；

——t为时间。

（5）信号调制单元

所述信号调制单元根据信号基准生成单元提供的基准正余弦信号V _os 、V _oc 和陀螺控制单元6提供的控制量C _a 、C _q 、C _p ，调制生成陀螺驱动信号，计算公式为：

(4)

式中——V为陀螺驱动信号。

（6）预设参考生成单元

所述预设参考生成单元根据用户设置的正弦参考信号频率ω _r 生成正弦参考信号V _r ：

(5)

通过将用户设置的正弦参考信号频率ω _r 与驱动频率ω ₀ 错频设计，可避免正弦参考信号V _r 对陀螺正常工作的干扰。通常需相距100kHz以上，如驱动频率5kHz，参考频率1MHz。

（7）信号合成单元

所述信号合成单元将信号调制单元生成的陀螺驱动信号V和预设参考生成单元生成的正弦参考信号V _r 通过加法器进行叠加合成，获得施加于电极的混合信号

，并作用于谐振子相应电极：

(6)

基于上述谐振陀螺相位基准自补偿系统，一种谐振陀螺相位基准自补偿方法，包括如下步骤：

步骤1、根据用户设置的正弦参考信号频率产生正弦参考信号；

步骤2、将正弦参考信号与经调制后的陀螺驱动信号叠加；

步骤3、通过数模转换器生成混合信号模拟量，并施加于谐振子；

步骤4、经缓冲放大器和模数转换器检测得到陀螺响应信号；

步骤5、通过信号解调提取陀螺振动模态信号和参考响应信号的正余弦分量；

步骤6、根据参考响应信号正余弦分量，计算其与预设参考生成单元生成的原始正弦参考信号相位偏差；

步骤7、根据正弦参考信号相位偏差调整陀螺驱动信号基准相位；

步骤8、重复步骤1-7，持续进行相位基准的实时自补偿。

实施例：

谐振子形状为半球形，材质为熔融石英，其固有频率约5kHz。电极为由基座与谐振子内表面金属镀层组成的电容。用户设定驱动频率为5kHz，参考频率300kHz。根据参考频率产生正弦参考信号

。回路相移为1°，设定初始基准相位偏差φ ₀ 为0°，基准正余弦信号V _os 和V _oc 为：

(7)

根据基准正余弦V _os 、V _oc 和陀螺控制单元提供的控制量C _a =2 V、C _q =0.1 V、C _p =0.5V，以及驻波方位角θ=5°，调制生成驱动信号V：

(8)

将正弦参考信号V _r 和经调制后的陀螺驱动V叠加，得施加于电极的混合信号

：

(9)

混合信号

经过数模转换器由数字信号转化为模拟信号，并施加于谐振子相应的电极，使谐振子振动。

谐振子固有频率振动，使得电极间距发生正弦运动，使其容值产生同频变化。电极容值的正弦变化等效为电荷源，产生同频（谐振子固有频率）的电流输出；于此同时，正弦参考信号通过电极电容，产生参考频率的电流输出。二者是混叠的，一同由缓冲放大器变为模拟电压信号，经模数转换器变为数字信号。该数字信号即为陀螺响应信号y(k)，其中包含了谐振子的振动模态信息及正弦参考信号的响应信息。

将陀螺响应信号y(k)经过信号解调单元最小二乘估计，计算陀螺振动模态信号和参考响应信号的正余弦分量S _x 和C _x 、S _r 和C _r ：

(10)

计算得到M=0.0098V，S _x =4.9802 V、C _x =0.0869 V、S _r =0.8660 V、C _r =0.5000 V。

根据最小二乘计算得到的参考响应信号正余弦分量S _r 、C _r ，计算与原始正弦参考信号V _r 的相位偏差φ ₀ ：

(11)

根据相位偏差φ ₀ ，调整陀螺驱动信号基准相位，得基准正余弦信号V _os 和V _oc 为：

(12)

可见，经过相位基准自补偿后，通过将基准信号移相的方式，补偿了回路相移引入的相位延迟0.9999°，使陀螺能更好的工作在谐振态，即维持谐振子振动信号相位在-π/2。由于回路时间延迟的产生因素，陀螺电极、电子器件、阻容、晶振等，随时间、温度等会发生改变，因此回路的相位延迟也会外界环境等因素而改变。于是该自补偿过程需要在陀螺的整个工作周期内持续进行，以保证回路相位延迟的有效补偿，因此上述补偿过程（步骤1-7）以循环的方式不断执行，直至陀螺断电停止工作。

本发明通过增添预设信号，流经回路各环节并对其相位进行检测，以此作为回路相移补偿量，对回路相位基准进行在线补偿。该方法能够提升谐振陀螺频率控制回路控制效果，降低了冷启动时间，提升了陀螺的稳定性和重复性。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (3)

1.一种谐振陀螺相位基准自补偿系统，其特征在于：包括缓冲放大器、模数转换器、信号解调单元、陀螺控制单元、相位计算单元、信号基准生成单元、信号调制单元、预设参考生成单元、信号合成单元、数模转换器；

所述缓冲放大器，用于将电极上由谐振子振动引起的电流信号转换为电压信号；

所述模数转换器，用于将缓冲放大器得到的含陀螺振动信息的电压信号转变为数字量信号；

所述信号解调单元，用于通过数学运算得到陀螺振动模态信号和参考响应信号的正余弦分量；

所述陀螺控制单元，用于根据信号解调单元获取的陀螺振动模态信号，计算驻波方位角θ

以及控制回路的控制量，控制回路的控制量包括驱动频率ω ₀ 、稳幅控制信号C _a 、正交控制信号C _q 、速率控制信号C _p ；

所述相位计算单元，用于根据信号解调单元获取的参考响应信号，计算与预设参考生成单元生成的原始正弦参考信号间的相位偏差；

所述信号基准生成单元，用于根据陀螺控制单元提供的驱动频率和相位计算单元提供的相位偏差，生成基准正余弦；

所述预设参考生成单元，用于根据用户设置的正弦参考信号频率，生成正弦参考信号；

所述信号调制单元，用于根据陀螺控制单元提供的控制量和信号基准生成单元提供的基准正余弦，调制生成陀螺驱动信号；

所述信号合成单元，用于将陀螺驱动信号和正弦参考信号通过加法器进行叠加合成，形成混合信号；

所述数模转换器，用于合成的混合信号转变为模拟信号，并施加于谐振子的响应电极上；

所述信号解调单元采用最小二乘估计，计算陀螺振动模态信号和参考响应信号的正余弦分量，分别为S _x 和C _x 、S _r 和C _r ；最小二乘估计的计算公式为：

(1)

式中——y(k)为陀螺检测信号；

——e(k)为过程的零均值噪声；

——φ _k ^T 为解调参考信号；

——θ ^* 为待辨识信号；

——S _x 为陀螺振动模态信号的正弦分量；

——C _x 为陀螺振动模态信号的余弦分量；

——S _r 为参考响应信号的正弦分量；

——C _r 为参考响应信号的余弦分量；

——M为直流分量；

——ω ₀ 为驱动频率；

——ω _r 为用户设置的正弦参考信号频率；

所述相位计算单元根据信号解调单元获得的参考响应信号的正弦分量S _r 和参考响应信号的余弦分量C _r 、用户预设的正弦参考信号频率ω _r 及陀螺控制单元提供的驱动频率ω ₀ ，计算相位偏差值φ ₀ ：

(2)

所述信号基准生成单元根据相位计算单元提供的相位偏差值φ ₀ 和陀螺控制单元提供的驱动频率ω ₀ ，生成基准正余弦信号V _os 和V _oc ：

(3)

式中——V _os 为基准正弦信号；

——V _oc 为基准余弦信号；

所述信号调制单元根据信号基准生成单元提供的基准正余弦信号V _os 、V _oc 和陀螺控制单元提供的控制量C _a 、C _q 、C _p ，调制生成驱动信号，计算公式为：

(4)

式中——V为陀螺驱动电压；

所述预设参考生成单元根据用户设置的正弦参考信号频率ω _r 生成正弦参考信号V _r ：

(5)

式中：——t为时间。

2.根据权利要求1所述的谐振陀螺相位基准自补偿系统，其特征在于：所述信号合成单元将信号调制单元生成的驱动信号V和预设参考生成单元生成的正弦参考信号V _r 通过加法器进行叠加合成，获得施加于电极的混合信号

，并作用于谐振子相应电极：

(6)。

3.一种基于权利要求1-2任一所述的谐振陀螺相位基准自补偿系统的谐振陀螺相位基准自补偿方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、根据用户设置的正弦参考信号频率产生正弦参考信号；

步骤2、将正弦参考信号与经调制后的陀螺驱动信号叠加；

步骤3、通过数模转换器生成混合信号，并施加于谐振子；

步骤4、经缓冲放大器和模数转换器检测得到陀螺响应信号；

步骤5、通过信号解调提取陀螺振动模态信号和参考响应信号的正余弦分量；

步骤6、根据参考响应信号正余弦分量，计算其与预设参考生成单元生成的原始正弦参考信号相位偏差；

步骤7、根据正弦参考信号相位偏差调整陀螺驱动信号基准相位；

步骤8、重复步骤1-7，持续进行相位基准的实时自补偿。

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