CN115235443A - 轴对称型哥氏振动陀螺仪虚拟进动转速稳定性提升方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供轴对称型哥氏振动陀螺仪虛拟进动转速稳定性提升方法，在常规幅度、正交、锁频控制方式与虚拟进动方式下，陀螺谐振子正常工作，本技术利用解调信号对常规全角与虚拟进动控制方式下输出的角度进动信号以及幅度控制电压信号进行解调，将解调后的两路幅值信号进行处理，得到所需提取的增益，将提取的增益补偿给外界控制虚拟进动的激励电压，对影响转速的激励电压进行在线补偿，从而提高虚拟进动转速的稳定性。本发明在不影响哥氏振动陀螺仪正常虚拟进动的前提下，实时提取回路增益，并进行在线补偿，从而使虚拟进动下，哥氏振动陀螺仪转速的稳定性得到提高。

Description

轴对称型哥氏振动陀螺仪虚拟进动转速稳定性提升方法

技术领域

发明属于陀螺仪技术领域；尤其涉及轴对称型哥氏振动陀螺仪虚拟进动转速稳定性提升方法。

背景技术

轴对称型哥氏振动陀螺由于环境适应性好、体积小、质量轻等优点，在军用方面被广泛采用，在实战中也已经过校验，实现了以轴对称陀螺的“中高精度，低成本，高可靠，大批量，中端军用”应用设想，在美国、欧洲等许多国家的军工企业得到广泛应用。在国内，也已经有企业开展了对轴对称型哥氏振动陀螺的研制，并通过原理样机、初样试制和型号应用等各种静态和动态试验考核，具备小批量生产水平，轴对称型哥氏振动陀螺是未来高端陀螺研制的一个重要方向。

该类陀螺仪在全角模式下存在阈值效应，无法敏感到较小的转速。为了解决这一问题，广泛采用了虚拟进动技术，利用外界给定的激励电压驱动陀螺谐振子产生虚拟进动，克服阈值的影响。实际研究表明，通过虚拟进动的方式可以大大减小哥氏振动陀螺仪的外界输入转速阈值。

当实际应用中，发现在常规虚拟进动方式下，由于回路增益的变化，导致虚拟进动下哥氏振动陀螺转速不稳定，从而产生较大误差。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了轴对称型哥氏振动陀螺仪虛拟进动转速稳定性提 升方法，通过谐振子在常规全角与虚拟进动控制方式下工作，输出角度值θ以及激励电压值V_fas到改进部分，其中改进部分对两路信号处理后进行解调，通过对解调后的幅值信号进行比较，得到需要提取的回路增益1/K，与外界给定的控制虚拟进动的激励电压V_fqs相乘后输出到常规全角与虚拟进动控制方式中，即用V_fqs/K控制虚拟进动，从而提升转速的稳定性。

具体步骤为：

步骤(1)：轴对称型哥氏振动陀螺谐振子在常规全角与虚拟进动控制方式下工作，输出角度信号θ以及激励电压信号V_fas到改进部分；

步骤(2)：在改进部分中，将角度信号θ输入微分器得到角度进动信号

将V_fas经过解调后得到相位误差信号，利用控制器进行控制，将控制后的电压输入压控振荡器II得到两路解调信号sin2α和cos2α，其中α＝θ-θτ；

步骤(3)：在改进部分中，得到两路解调信号后，用sin2α对

进行解调，经过乘法器乘2后得到幅值信号-Δ(1/τ)；用cos2α对V_fas进行解调，得到幅值信号-Δ(1/τ)/K；

步骤(4)：对解调后的两路幅值信号相除，得到需要提取的回路增益信号1/K，与外界给定的控制虚拟进动的激励电压V_fqs相乘，相乘后输出到常规全角与虚拟进动控制方式中，实现增益的在线补偿，提高虚拟进动下陀螺谐振子转速的稳定性。

本发明进一步改进在于：

所述步骤(1)中所述常规全角与虚拟进动控制方式包括C/V转换，解调模块I，解算模块I，解算模块II，压控振荡器I，第一PID控制器，第二PID控制器，第三PID控制器，电压转换模块以及调制模块；轴对称型哥氏振动陀螺检测电极输出检测信号经过C/V转换后得到对应的电压信号V_x，V_y；将电压信号进行解调后，得到计算量C_x，C_y，S_x，S_y；经过解算模块I开展计算，得到控制量E，Q，L，R，S；R和S用于计算角度输出值，经过解算模块II进行计算：

θ＝1/2arctan(R/S)

得到角度输出θ；L作为相位判断量，经过第一PID控制器调节参考信号的频率，使L＝0，此时的参考信号频率便与谐振子实际谐振频率相同，实现对频率的跟踪，再经过压控振荡器I后得到两路解调信号 sin(ωt)和cos(ωt)；E作为当前谐振陀螺的总能量，与设定能量值比较，得到的误差信号经过第二PID控制器来控制驱动电压大小；Q作为正交误差，通过第三PID控制器将正交误差压到零；E和Q经过 PID控制器后分别输出激励电压V_fas和V_fqc到电压转换模块，进行如下运算：

其中，V_fac设置为0，经过上面运算后得到x方向与y方向在sin和cos分量上的电压值，分别为V_fxc，V_fyc，V_fxs，V_fys，再利用压控振荡器I 得到的两路调制信号sin(ωt)和cos(ωt)对其进行如下调制：

V_fx＝V_fxccos(ωt)+V_fxssin(ωt)，

V_fy＝V_fyccos(ωt)+V_fyssin(ωt)，

并将V_fx和V_fy作用到陀螺谐振子的激励电极X，Y上，从而实现哥氏振动陀螺谐振子的常规全角与虚拟进动控制。

本发明进一步改进在于：

所述步骤(2)中改进部分包括微分器，解调模块II-1，解调模块II -2，除法器，解调模块II-3，控制器，压控振荡器II，乘法器；将角度θ输入微分器得到角度进动值

将V_fas经过解调后得到相位误差信号，利用控制器进行控制，将控制后的电压输入压控振荡器II得到解调信号sin2α和cos2α，其中α＝θ-θτ。

本发明进一步改进在于：所述步骤(3)中用sin2α对

进行解调，经过乘法器乘2后得到幅值信号-Δ(1/τ)；用cos2α对V_fas进行解调，得到幅值信号-Δ(1/τ)/K；将解调后的两路幅值信号输入除法器；除法器两路输入信号为A和B，输出信号为A/B，除法器输出即为所需提取的回路增益1/K；将增益补偿给V_fqs，输出到常规全角与虚拟进动控制方式中，用V_fqs/K控制虚拟进动，即可抵消

表达式中增益K带来的影响，提高虚拟进动下陀螺转速的稳定性。

本发明进一步改进在于：所述步骤(4)中幅度控制电压V_fas和角度进动值

表达式分别如下：

V_fas＝-Δ(1/τ)cos 2(θ-θτ)/K

其中，Δ(1/τ)代表阻尼失配程度，θ为谐振子振型角，θτ为阻尼轴的角度，η为角进动因数，Ω为外界角速度输入，V_fqs为外界设定的控制虚拟进动的激励电压；改进部分中利用乘法器将提取的回路增益 1/K与V_fqs相乘并替代原先的V_fqs，即用V_fqs/K控制虚拟进动，抵消K对

的影响，实现增益的在线补偿。

本发明的有益效果：

(1)轴对称型哥氏振动陀螺仪虚拟进动时，在给定虚拟进动激励电压情况下，转速误差较大，本发明通过对回路增益进行提取并补偿给激励电压，既不影响哥氏振动陀螺仪正常工作，也能减小回路增益变化对转速的影响。

(2)与普通的增益调节相比，本发明通过在线提取回路增益，实现了实时的增益补偿。

附图说明

图1为本发明的系统实现框图。

图2为本发明的解调模块Ⅰ实现框图。

图3为本发明的解算模块Ⅰ实现框图。

图4为本发明的解调模块Ⅱ-1和Ⅱ-2实现框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1所示，本实施例的轴对称型哥氏振动陀螺仪虛拟进动转速稳定性提升方法，陀螺谐振子虚拟进动下回路的增益在线提取补偿包括如下步骤：

(1)陀螺仪正常工作时，检测电极输出信号经过C/V转换后，经过解调模块I(如图2所示)和解算模块I(如图3所示)后输出控制量E，Q，L，R，S，其中E代表回路总能量，Q为正交误差，L为相位判断量，R和S用于解算角度输出；

(2)在常规全角与虚拟进动控制方式下，R，S进行解算处理得到θ输出到改进部分，L经第一PID控制器以及压控振荡器I得到两路解调信号sin(ωt)和cos(ωt)，E和Q经过第二PID控制器和第三PID控制器后输出电压V_fas和V_fqc，通过电压转换模块得到V_fxc， V_fyc，V_fxs，V_fys，将转换后的电压值经过调制后作用到激励电极，实现常规全角与虚拟进动控制；

(3)在改进部分中，将常规全角与虚拟进动控制方式下输出的θ经过微分器得到

V_fas经过解调模块II-3后，得到相位误差信号，根据相位误差信号的大小，利用控制器进行调节，直至压控振荡器II输出的正弦信号与V_fas解调后输出0，此时压控振荡器II输出的即为两路解调信号sin2α和cos2α，分别对V_fas和

解调；

(4)对解调后的两路幅值信号处理后相除，得到所需提取的回路增益1/K，将提取的增益补偿到常规全角与虚拟进动控制方式中，实现在线增益补偿。

步骤1：

如图1所示，为本发明的系统框图。其中，检测电极X，Y输出电容检测信号，经过C/V转换后输出电压信号V_fx和V_fy到解调模块I，如图2所示进行解调；将解调后的信号C_x，C_y，S_x，S_y输入解算模块I，如图3所示，解算后分别得到E，Q，L，S，R。

步骤2：

R，S进入解算模块II，进行如下运算：

θ＝1/2arctan(R/S)

得到角度输出θ；L作为相位判断量，经过第一PID控制器调节参考信号的频率，使L＝0，此时的参考信号频率便与谐振子实际谐振频率相同，实现对频率的跟踪，再经过压控振荡器I后得到两路解调信号 sin(ωt)和cos(ωt)，本发明中压控振荡器I与压控振荡器II实现方式相同，是指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路，频率是输入信号电压函数的振荡器，输入信号F为参考相位误差信号，输出为对应频率的两路正余弦信号；E作为当前谐振陀螺的总能量，与设定能量值比较，得到的误差信号经过第二PID控制器来控制驱动电压大小；Q作为正交误差，通过第三PID控制器将正交误差压到零；E 和Q经过PID控制器后分别输出激励电压V_fas和V_fqc到电压转换模块，进行如下运算：

其中，V_fac设置为0，经过上面运算后得到x轴与y轴在sin和cos分量上的电压值，分别为V_fxc，V_fyc，V_fxs，V_fys，再利用压控振荡器I 得到的两路调制信号对其进行如下调制：

V_fx＝V_fxccos(ωt)+V_fxssin(ωt)，

V_fy＝V_fyccos(ωt)+V_fyssin(ωt)，

步骤3：

在改进部分中，将V_fas经过解调后得到相位误差信号，利用控制器进行控制，将控制后的电压输入压控振荡器II得到两路解调信号 sin2α和cos2α，其中α＝θ-θτ，将常规虚拟进动方式下输出的θ经过微分器得到

V_fas和

表达式分别为：

V_fas＝-Δ(1/τ)cos 2(θ-θτ)/K

其中，Δ(1/τ)代表阻尼失配程度，θ为谐振子振型角，θτ为阻尼轴的角度，η为角进动因数，Ω为外界角速度输入，V_fqs为外界设定的控制虚拟进动的激励电压。解调模块II-1中，用sin2α对

进行解调，经过乘法器乘2后得到幅值信号-Δ(1/τ)；解调模块II-2中，cos2α对V_fas进行解调，得到幅值信号-Δ(1/τ)/K，其中，解调模块II-1，解调模块 II-2以及解调模块II-3实现方式相同，如图4所示，包括乘法器和低通滤波器，M为被解调信号，N为解调信号，两者相乘后经过低通滤波，即可得到M中所需提取的幅值信号。

步骤4：

将步骤3中得到的两路幅值信号-Δ(1/τ)和-Δ(1/τ)/K输入进除法器，其中除法器如图1所示，输入信号分别为A和B，输出信号为 A/B，除法器输出所需提取的回路增益1/K，将增益补偿给V_fqs，输出到常规全角与虚拟进动控制方式中的电压转换模块，用V_fqs/K控制虚拟进动，即可抵消

表达式中V_fqs所乘增益K带来的影响，补偿后虚拟进动下的哥氏振动陀螺输出的转速表达式为：

可见输出的转速与回路增益无关，减小了回路增益变化对轴对称型陀螺仪在虚拟进动下转速的影响，提高了虚拟进动下转速的稳定性。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (4)

1.轴对称型哥氏振动陀螺仪虛拟进动转速稳定性提升方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤(1)：轴对称型哥氏振动陀螺谐振子在常规全角与虚拟进动控制方式下工作，输出角度信号θ以及激励电压信号V_fas到改进部分；

步骤(2)：在改进部分中，将角度信号θ输入微分器得到角度进动信号

将V_fas经过解调后得到相位误差信号，利用控制器进行控制，将控制后的电压输入压控振荡器Ⅱ得到两路解调信号sin2α和cos2α，其中α＝θ-θτ；

步骤(3)：在改进部分中，得到两路解调信号后，用sin2α对

进行解调，经过乘法器乘2后得到幅值信号-Δ(1/τ)；用cos2α对V_fas进行解调，得到幅值信号-Δ(1/τ)/K；

步骤(4)：对解调后的两路幅值信号相除，得到需要提取的回路增益信号1/K，与外界给定的控制虚拟进动的激励电压V_fqs相乘，相乘后输出到常规全角与虚拟进动控制方式中，实现增益的在线补偿，提高虚拟进动下陀螺谐振子转速的稳定性。

2.根据权利要求1所述的轴对称型哥氏振动陀螺仪虛拟进动转速稳定性提升方法，其特征在于，所述步骤(2)中改进部分包括微分器，解调模块Ⅱ-1，解调模块Ⅱ-2，除法器，解调模块Ⅱ-3，控制器，压控振荡器Ⅱ，乘法器；将角度θ输入微分器得到角度进动值

将V_fas经过解调后得到相位误差信号，利用控制器进行控制，将控制后的电压输入压控振荡器Ⅱ，得到解调信号sin2α和cos2α，其中α＝θ-θτ。

3.根据权利要求1所述的轴对称型哥氏振动陀螺仪虛拟进动转速稳定性提升方法，其特征在于，所述步骤(3)中用sin2α对

进行解调，经过乘法器乘2后得到幅值信号-Δ(1/τ)；用cos2α对V_fas进行解调，得到幅值信号-Δ(1/τ)/K；将解调后的两路幅值信号输入除法器；除法器两路输入信号为A和B，输出信号为A/B，除法器输出即为所需提取的回路增益1/K。

4.根据权利要求1所述的轴对称型哥氏振动陀螺仪虛拟进动转速稳定性提升方法，其特征在于，所述步骤(4)中幅度控制电压V_fas和角度进动值

表达式分别如下：

V_fas＝-Δ(1/τ)cos2(θ-θτ)/K

其中，Δ(1/τ)代表阻尼失配程度，θ为谐振子振型角，θτ为阻尼轴的角度，η为角进动因数，Ω为外界角速度输入，V_fqs为外界设定的控制虚拟进动的激励电压；改进部分中利用乘法器将提取的回路增益1/K与V_fqs相乘并替代原先的V_fqs，即用V_fqs/K控制虚拟进动，抵消K对

的影响，实现增益的在线补偿。

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