CN115773740B - 一种谐振陀螺控制方法及控制系统 - Google Patents
一种谐振陀螺控制方法及控制系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及谐振陀螺技术领域，尤其涉及一种谐振陀螺控制方法，通过电极分时切换单元对电极进行分时复用，将电极的驱动控制通道和检测控制通道简化为单通道，基于数字时间转换方法对振动电压信号进行解调，采用单比特Σ‑Δ调制器对驱动信号进行调制，可降低硬件构成，减小控制系统体积。本发明还涉及一种谐振陀螺控制系统，通过电极分时切换单元减少控制通道，基于数字时间转换方法和单比特Σ‑Δ调制器实现无数模转换器和模数转换器的谐振陀螺的闭环控制，可减少系统硬件构成，降低控制系统体积并提升稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及谐振陀螺技术领域，尤其涉及一种谐振陀螺控制方法及控制系统。
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。
谐振陀螺控制系统施加正弦激励信号驱动谐振子持续振动，检测谐振子的振动信号，通过控制算法稳定谐振子振动幅度、频率、驻波角、形状，获取外界载体角运动并输出，因此控制系统的性能直接影响着谐振陀螺整机的精度指标。
因谐振陀螺的自身特性，理论上其极限精度与谐振子尺寸无关，因而陀螺表头尺寸可大幅缩减，如MEMS陀螺。然而，为实现高精度输出，控制系统至少需要三个回路，包括稳频控制回路、稳幅控制回路和正交控制回路，检测和驱动单元至少两个模态振动，因此控制系统尺寸成为了谐振陀螺整机体积的制约。与此同时，复杂的硬件设计和众多器件组成也将引入额外的不稳定性，影响陀螺的精度。
早期控制系统采用模拟器件搭建控制回路或在模拟回路的基础上进行改进，如公开号为CN102620726B的专利公开了微机械陀螺的双闭环控制电路，采用基于AGC的自激振荡和6阶带通滤波，构建驱动模态和检测模态的双闭环控制系统。公开号为CN106482723B的专利公开了一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统及控制方法，采用半数字控制系统实现谐振陀螺的力反馈控制，通过数模转换器DA实现驱动信号输出。然而，模拟回路器件众多，难以实现小型化；同时模拟器件的环境适应性难以保证，如温度特性，使得系统的稳定性较差。
全数字控制系统，采用数字主控芯片完成信号检测、计算、控制和驱动等功能，抗干扰能力强，集成度高，成为现行技术的主流方案。如公开号为CN105716597B的专利公开了采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统和方法、公开号为CN111578923B的专利公开了一种谐振式陀螺闭环控制方法与系统。然而，由于谐振陀螺的多模态特性，需搭建多通道控制回路，在增加硬件的同时，通道间一致性也难以保障，在陀螺回路引入额外误差。
公开号为CN112506040A的专利公开了一种全角半球谐振陀螺单通道控制系统及方法，通过驱动检测电极时分复用模块，将陀螺控制从双通道转换为单通道，提升了通道一致性并简化了电路组成。然而，现行的数字控制方案，均采用模数转换器进行信号采集，采用数模转换器进行信号输出。模数转换器和数模转换器的转换过程会引入量化噪声，同时存在转换的非线性，混叠的高次谐波会引发额外误差和毛刺，并且模数转换器和数模转换器的自身尺寸及环境特性，同样使得整个系统的体积较大和稳定性较差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种谐振陀螺控制方法及控制系统。
本发明是通过以下技术方案予以实现：一种谐振陀螺控制方法，包括如下步骤：
步骤S10，信号调制单元根据驻波角度θ、驱动频率正弦
sinω 0
t和驱动频率余弦
cosω 0
t，对稳幅控制量
Ca、正交控制量
Cq、速率控制量
Cp矢量合成得到
X电极的驱动信号
E X (
t)、
Y电极的驱动信号
E Y (
t)，驱动信号由单比特Σ-Δ调制器调制后转为二进制流信号；
步骤S20，在驱动周期，时序控制单元切换时序下，由电极分时切换单元将电极置于驱动状态，单比特Σ-Δ调制器生成的二进制流信号经程控放大器功率放大后施加于电极，用于驱动谐振子发生振动；所述时序控制单元用于产生切换时序信号，将谐振陀螺闭环控制的一个工作周期分为四个工作时段，包括
X电极驱动时段C1、
Y电极驱动时段C2、
X电极的振动电压信号检测时段D1和
Y电极的振动电压信号检测时段D2，各工作时段在切换至下一工作时段的过程中停留有空闲时段r，
X电极驱动时段C1和
Y电极驱动时段C2处于驱动周期，
X电极的振动电压信号检测时段D1和
Y电极的振动电压信号检测时段D2处于检测周期；
步骤S30，在检测周期，时序控制单元切换时序下，由电极分时切换单元将电极置于检测状态，经I/V转换器获取
X电极的振动电压信号
D X (
t)和
Y电极的振动电压信号
D Y (
t)；
步骤S40，在时序控制单元切换时序下，通过比较器将
X电极的振动电压信号
D X (
t)和
Y电极的振动电压信号
D Y (
t)与参考正弦信号
r(
t)相比较，信号解调单元记录产生交叉事件的时间节点，通过数字时间转换方法提取
X电极的振动电压信号
D X (
t)所对应交叉事件的正弦分量
S x 和余弦分量
C x 以及
Y电极的振动电压信号
D Y (
t)所对应交叉事件的正弦分量
S y 和余弦分量
C y ，信号解调单元提取
Y电极的振动电压信号
D Y (
t)所对应交叉事件的正弦分量
S Y 和余弦分量
C Y 的过程与提取
X电极的振动电压信号
D X (
t)所对应交叉事件的正弦分量
S x 和余弦分量
C x 的过程一致，信号解调单元通过数字时间转换方法提取
X电极的振动电压信号
D X (
t)所对应交叉事件的正弦分量
S x 和余弦分量
C x 的过程包括以下步骤：
步骤S411，确定求解周期，所述求解周期小于
X电极的振动电压信号检测时段D1的时长，定义固定的非零正整数
P和
G，且
P＞
G，使求解周期为参考正弦信号
r(
t)的时间周期的
P倍，且使求解周期为振动电压信号
D X (
t)的时间周期的
G倍；
步骤S412，在求解周期内，通过比较器对
X电极的振动电压信号
D X (
t)与参考正弦信号
r(
t)进行比较，每当
X电极的振动电压信号
D X (
t)变得大于参考正弦信号
r(
t)的时刻，通过信号解调单元记录产生交叉事件的时间节点，从而得到参考正弦信号
r(
t)的相位瞬时值；
步骤S413，信号解调单元根据步骤S412得到的参考正弦信号
r(
t)的相位瞬时值计算得出
X电极的振动电压信号
D X (
t)所对应交叉事件的正弦分量
S x 和余弦分量
C x ；
步骤S50，根据信号解调单元提取的
S x 、
S y 、
C x 、
C y ，由状态解算单元计算回路误差量，包括时延相位、振动能量
E、简正偏离
Q、驻波角度
θ；
步骤S60，根据状态解算单元生成的回路误差量，由控制计算单元计算回路控制量，包括稳频控制量
ω 0 、稳幅控制量
Ca、正交控制量
Cq、速率控制量
Cp；
步骤S70，正弦发生单元根据步骤S60得到的稳频控制量
ω 0 ，生成驱动频率正弦
sinω 0
t和驱动频率余弦
cosω 0
t，同时生成参考正弦信号
r(
t)，参考正弦信号
r(
t)传递至比较器，用于产生下一周期的交叉事件；
步骤S80，信号调制单元根据步骤S50得到的驻波角度
θ、步骤S70得到的驱动频率正弦
sinω 0
t和驱动频率余弦
cosω 0
t，对步骤S60得到的稳幅控制量
Ca、正交控制量
Cq、速率控制量
Cp矢量合成，用于下一周期驱动谐振子，完成谐振陀螺闭环控制。
优选地，所述步骤S413中，定义第一中间量，其中，为自然数；
X电极的振动电压信号
D X (
t)所对应交叉事件的正弦分量
S x 和余弦分量
C x 的仿射方程如下：
其中，表示同一求解周期内第个交叉事件对应的参考正弦信号
r(
t)的相位瞬时值。
优选地，所述状态解算单元的动力学方程如下：
其中，为时延相位；
E为振动能量；
Q为简正偏离；
θ为驻波角度。
优选地，所述信号调制单元的矢量合成公式如下：
其中，
E X (
t)为
X电极的驱动信号；
E Y (
t)为
Y电极的驱动信号。
优选地，所述步骤S20中，单比特Σ-Δ调制器生成的二进制流信号经低通滤波器滤除毛刺噪声后，再经程控放大器功率放大并施加于谐振子。
一种谐振陀螺控制系统，用于实现上述的谐振陀螺控制方法，包括谐振子、电极、电极分时切换单元、I/V转换器、比较器、信号解调单元、状态解算单元、控制计算单元、正弦发生单元、信号调制单元、低通滤波器、程控放大器和时序控制单元；
所述谐振子为陀螺的核心敏感单元；
所述电极包括交错分布于谐振子周围的
X电极和
Y电极，所述电极用于驱动和检测谐振子振动；
所述时序控制单元用于计算和产生驱动检测分时的切换时序信号，并提供给电极分时切换单元、信号解调单元、信号调制单元；
所述电极分时切换单元用于根据时序控制单元提供的切换时序切换电极的工作电路，分别将电极置于驱动状态、检测状态和空闲状态；
所述I/V转换器用于将
X电极、
Y电极上由谐振子振动引起的电流信号转换为相应的振动电压信号
D X (
t)、
D Y (
t)；
所述比较器用于将I/V转换器生成的振动电压信号
D X (
t)、
D Y (
t)与参考正弦信号
r(
t)相比较，产生交叉事件；
所述信号解调单元按照时序控制单元提供的切换时序，记录比较器产生交叉事件的时间节点，通过数字时间转换方法提取
X电极的振动电压信号
D X (
t)所对应交叉事件的正弦分量
S x 和余弦分量
C x 以及
Y电极的振动电压信号
D Y (
t)所对应交叉事件的正弦分量
S y 和余弦分量
C y ；
所述状态解算单元用于根据信号解调单元提取的
S x 、
S y 、
C x 、
C y ，计算回路误差量，所述回路误差量包括时延相位、振动能量、简正偏离、驻波角度；
所述控制计算单元用于根据状态解算单元生成的回路误差量计算回路控制量，所述回路控制量包括稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量、速率控制量；
所述正弦发生单元用于根据控制计算单元计算的稳频控制量生成驱动频率正弦和驱动频率余弦，同时生成参考正弦信号
r(
t)；
所述信号调制单元包括单比特Σ-Δ调制器，所述信号调制单元用于根据状态解算单元生成的驻波角度、正弦发生单元生成的驱动频率正弦和驱动频率余弦，按照时序控制单元提供的切换时序对控制计算单元生成的稳幅控制量、正交控制量、速率控制量矢量合成得到驱动信号，所述单比特Σ-Δ调制器用于将驱动信号转为二进制流信号；
所述低通滤波器用于滤除单比特Σ-Δ调制器生成的二进制流信号的毛刺噪声；
所述程控放大器用于将低通滤波器滤除毛刺噪声后的信号功率放大并施加于谐振子。
优选地，所述正弦发生单元包括直接数字频率合成器，所述直接数字频率合成器根据控制计算单元计算的稳频控制量并基于查表法，生成驱动频率正弦和驱动频率余弦，同时生成参考正弦信号
r(
t)。
优选地，所述单比特Σ-Δ调制器的采样频率大于直接数字频率合成器的时钟频率。
本发明的有益效果是：
本发明所提供的谐振陀螺控制方法通过电极分时切换单元对电极进行分时复用，将电极的驱动控制通道和检测控制通道简化为单通道，可降低硬件构成，减小控制系统体积并提升控制通道一致性；基于数字时间转换方法的信号解调技术，实现无模数转换器的信号采集解调，可进一步减小控制系统体积并提升检测通道的环境稳定性；采用单比特Σ-Δ调制器对驱动信号进行调制，实现无数模转换器的信号转换，可进一步减小控制系统体积并提升驱动通道的环境稳定性。
本发明所提供的谐振陀螺控制系统通过电极分时切换单元减少控制通道，基于数字时间转换方法和单比特Σ-Δ调制器实现无数模转换器和模数转换器的谐振陀螺的闭环控制，可减少系统硬件构成，降低控制系统体积并提升稳定性。
附图说明
图1是本发明所述的谐振陀螺控制系统框图。
图2是电极驱动时段和检测时段的时序图。
图3是单比特Σ-Δ调制器的采样频率与噪声量级的相关曲线图。
图4是单比特Σ-Δ调制器调制前的驱动信号与调制后的二进制流信号图。
图5是二进制流信号频谱及低通滤波器幅频曲线图。
图中：1、谐振子；2、电极；3、时序控制单元；4、电极分时切换单元；5、I/V转换器；6、比较器；7、信号解调单元；8、状态解算单元；9、控制计算单元；10、正弦发生单元；11、信号调制单元；12、低通滤波器；13、程控放大器。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明提供的一种谐振陀螺控制方法及控制系统，包括如下步骤：
步骤S10，信号调制单元根据驻波角度θ、驱动频率正弦
sinω 0
t和驱动频率余弦
cosω 0
t，对稳幅控制量
Ca、正交控制量
Cq、速率控制量
Cp矢量合成得到驱动信号
X电极的驱动信号
E X (
t)、
Y电极的驱动信号
E Y (
t)，驱动信号由单比特Σ-Δ调制器调制后转为二进制流信号，通过输出端口输出调制后的信号。具体的，单比特Σ-Δ调制器采用一个数字I/O引脚对
E X (
t)、
E Y (
t)进行过采样，可以实现Σ-Δ调制，实现无数模转换器的信号转换。
单比特Σ-Δ调制器的采样频率和正弦发生单元的时钟频率无需保持一致，因此，可通过使单比特Σ-Δ调制器的采样频率高于正弦发生单元的时钟频率，降低噪声干扰。单比特Σ-Δ调制器的采样频率与噪声量级的相关曲线如图3所示，可见，噪声量级随着采样频率的增加而减小。
步骤S20，在驱动周期，时序控制单元切换时序下，由电极分时切换单元将电极置于驱动状态，单比特Σ-Δ调制器生成的二进制流信号经程控放大器功率放大后施加于电极，用于驱动谐振子发生振动，具体的，所述电极包括
X电极和
Y电极，在时序控制单元切换时序下，驱动信号
E X (
t)施加于
X电极，驱动信号
E Y (
t)施加于
Y电极。
进一步的，单比特Σ-Δ调制器生成的二进制流信号经低通滤波器滤除毛刺噪声后，再经程控放大器功率放大并施加于谐振子。单比特Σ-Δ调制器的调制过程中会引发高频噪声干扰，在一定程度上放大了毛刺噪声，因此通过设置低通滤波器可有效滤除高次谐波。具体的，驱动信号频率设置在5kHz，单比特Σ-Δ调制器调制前的驱动信号与调制后的二进制流信号如图4所示，二进制流信号频谱及低通滤波器幅频曲线如图5所示，可见驱动信号频率附近的噪声幅度远小于驱动信号幅度，因此，对于高频毛刺信号，可通过低通滤波器进行滤除。
步骤S30，在检测周期，时序控制单元切换时序下，由电极分时切换单元将电极置于检测状态，经I/V转换器获取
X电极的振动电压信号
D X (
t)和
Y电极的振动电压信号
D Y (
t)。
步骤S40，在时序控制单元切换时序下，通过比较器将
X电极的振动电压信号
D X (
t)和
Y电极的振动电压信号
D Y (
t)与正弦发生单元中的直接数字频率合成器提供的相干相位的参考正弦信号
r(
t)相比较，信号解调单元记录产生交叉事件的时间节点，通过数字时间转换方法提取
X电极的振动电压信号
D X (
t)所对应交叉事件的正弦分量
S x 和余弦分量
C x 以及
Y电极的振动电压信号
D Y (
t)所对应交叉事件的正弦分量
S y 和余弦分量
C y 。
步骤S50，根据信号解调单元提取的
S x 、
S y 、
C x 、
C y ，由状态解算单元计算回路误差量，包括时延相位、振动能量
E、简正偏离
Q、驻波角度
θ，所述状态解算单元的动力学方程如下：
具体的，时延相位为稳频控制回路的误差信号，振动能量
E为稳幅控制回路的误差信号，简正偏离
Q为正交控制回路的误差信号，驻波角度
θ为速率控制回路的误差信号。
步骤S60，根据状态解算单元生成的时延相位、振动能量
E、简正偏离
Q、驻波角度
θ，分别经控制计算单元内的相应回路控制算法运算得到对应的回路控制量，包括稳频控制量
ω 0 、稳幅控制量
Ca、正交控制量
Cq、速率控制量
Cp。
步骤S70，正弦发生单元根据步骤S60得到的稳频控制量
ω 0 ，生成驱动频率正弦
sinω 0
t和驱动频率余弦
cosω 0
t，同时生成参考正弦信号
r(
t)，参考正弦信号
r(
t)传递至比较器，用于产生下一周期的交叉事件。
步骤S80，信号调制单元根据步骤S50得到的驻波角度
θ、步骤S70得到的驱动频率正弦
sinω 0
t和驱动频率余弦
cosω 0
t，对步骤S60得到的稳幅控制量
Ca、正交控制量
Cq、速率控制量
Cp矢量合成，矢量合成公式如下：
矢量合成的驱动信号
E X (
t)、
E Y (
t)用于下一周期驱动谐振子，实现谐振陀螺闭环控制。
本发明所提供的谐振陀螺控制方法通过电极分时切换单元对电极进行分时复用，将电极的驱动控制通道和检测控制通道简化为单通道，可降低硬件构成，减小控制系统体积并提升控制通道一致性；基于数字时间转换方法的信号解调技术，实现无模数转换器的信号采集解调，可进一步减小控制系统体积并提升检测通道的环境稳定性；采用单比特Σ-Δ调制器对驱动信号进行调制，实现无数模转换器的信号转换，可进一步减小控制系统体积并提升驱动通道的环境稳定性。
所述时序控制单元用于产生切换时序信号，将谐振陀螺闭环控制的一个工作周期分为四个工作时段，如图2所示，包括
X电极驱动时段C1、
Y电极驱动时段C2、
X电极的振动电压信号检测时段D1和
Y电极的振动电压信号检测时段D2，各工作时段在切换至下一工作时段的过程中停留有空闲时段r，其中，
X电极驱动时段C1和
Y电极驱动时段C2处于驱动周期，
X电极的振动电压信号检测时段D1和
Y电极的振动电压信号检测时段D2处于检测周期。
所述步骤S40中信号解调单元通过数字时间转换方法提取
X电极的振动电压信号
D X (
t)所对应交叉事件的正弦分量
S x 和余弦分量
C x 的过程包括以下步骤：
步骤S411，确定求解周期，所述求解周期小于
X电极的振动电压信号检测时段D1的时长。
定义为初始时间，参考正弦信号
r(
t)具有以下形式：
其中，为参考正弦信号
r(
t)的幅度；为参考正弦信号
r(
t)的频率。
X电极的振动电压信号
D X (
t)具有以下形式：
其中，为
X电极的振动电压信号
D X (
t)的幅度；为
X电极的振动电压信号
D X (
t)的频率；为
X电极的振动电压信号
D X (
t)的相位延迟。
定义固定的非零正整数
P和
G，且
P＞
G，使求解周期为参考正弦信号
r(
t)的时间周期的
P倍，且使求解周期为振动电压信号
D X (
t)的时间周期的
G倍，则求解周期所对应的求解频率满足以下关系式：
其中，为求解周期所对应的求解频率。
步骤S412，在求解周期内，通过比较器对
X电极的振动电压信号
D X (
t)与参考正弦信号
r(
t)进行比较，每当
X电极的振动电压信号
D X (
t)变得大于参考正弦信号
r(
t)的时刻，通过信号解调单元记录产生交叉事件的时间节点，从而得到参考正弦信号
r(
t)的相位瞬时值。
步骤S413，信号解调单元根据步骤S412得到的参考正弦信号
r(
t)的相位瞬时值计算得出
X电极的振动电压信号
D X (
t)所对应交叉事件的正弦分量
S x 和余弦分量
C x 。
在时刻，有，即：
（1）
其中，表示同一求解周期内第个交叉事件所对应的时间节点。
对于参考正弦信号
r(
t)的相位值，有：
（2）
其中，表示同一求解周期内第个交叉事件对应的参考正弦信号
r(
t)的相位瞬时值；为自然数。
将式（2）合并至式（1），有：
（3）
定义第一中间量；定义第二中间量，则式（3）变为：
（4）
展开式（4），有：
（5）
令，对于
X电极的振动电压信号
D X (
t)所对应交叉事件的正弦分量
S x 和余弦分量
C x 有：
（6）
将式（6）合并至式（5），有：
（7）
将同一求解周期内各交叉事件所对应的代入式（7），组成仿射方程，其中，
S x 和
C x 为未知量，通过最小二乘法进行求解即可计算得到
S x 和
C x 的值。
信号解调单元提取
Y电极的振动电压信号
D Y (
t)所对应交叉事件的正弦分量
S Y 和余弦分量
C Y 的过程与提取
X电极的振动电压信号
D X (
t)所对应交叉事件的正弦分量
S x 和余弦分量
C x 的过程一致，在此不做赘述。
本发明还提供了一种谐振陀螺控制系统，用于实现上述的谐振陀螺控制方法，如图1所示，包括谐振子1、电极2、电极分时切换单元4、I/V转换器5、比较器6、信号解调单元7、状态解算单元8、控制计算单元9、正弦发生单元10、信号调制单元11、低通滤波器12、程控放大器13和时序控制单元3。
具体的，所述电极的一端依次通过电极分时切换单元、I/V转换器、比较器、信号解调单元、状态解算单元、控制计算单元、正弦发生单元、信号调制单元、低通滤波器、程控放大器和电极分时切换单元与电极同一端连接，所述电极的另一端连接于谐振子；时序控制单元分别与电极分时切换单元、信号解调单元和信号调制单元连接；正弦发生单元分别与信号调制单元和比较器连接；信号调制单元分别与低通滤波器和程控放大器连接；控制计算单元还与信号调制单元连接。
所述谐振子为陀螺的核心敏感单元，谐振子的形状为半球型或筒型或环型或蝶翼型，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。
所述电极包括交错分布于谐振子周围的
X电极和
Y电极，所述电极用于驱动和检测谐振子振动，电极为接触式或者非接触式，具体可选用压电陶瓷或电容等。
所述时序控制单元用于计算和产生驱动检测分时的切换时序信号，并提供给电极分时切换单元、信号解调单元、信号调制单元，用于操控相应单元的工作状态。
所述电极分时切换单元采用程控多路切换开关，用于根据时序控制单元提供的切换时序切换电极的工作电路，分别将电极置于驱动状态、检测状态和空闲状态。具体的，在驱动周期，电极分时切换单元将电极连接到程控放大器，电极处于驱动状态；在检测周期，电极分时切换单元将电极连接到I/V转换器，电极处于检测状态。进一步的，在
X电极驱动时段C1，电极中的
X电极连接到程控放大器；在
Y电极驱动时段C2，电极中的
Y电极连接到程控放大器；在
X电极的振动电压信号检测时段D1，电极中的
X电极连接到I/V转换器；在
Y电极的振动电压信号检测时段D2，电极中的
Y电极连接到I/V转换器。
所述I/V转换器用于将
X电极、
Y电极上由谐振子振动引起的电流信号转换为相应的振动电压信号
D X (
t)、
D Y (
t)，起信号转换和隔离放大作用。
所述比较器用于将I/V转换器生成的振动电压信号
D X (
t)、
D Y (
t)与参考正弦信号
r(
t)相比较，产生交叉事件。
所述信号解调单元按照时序控制单元提供的切换时序，记录比较器产生交叉事件的时间节点，通过数字时间转换方法提取
X电极的振动电压信号
D X (
t)所对应交叉事件的正弦分量
S x 和余弦分量
C x 以及
Y电极的振动电压信号
D Y (
t)所对应交叉事件的正弦分量
S y 和余弦分量
C y 。
所述状态解算单元用于根据信号解调单元提取的
S x 、
S y 、
C x 、
C y ，计算回路误差量，所述回路误差量包括时延相位、振动能量、简正偏离、驻波角度。
所述控制计算单元用于根据状态解算单元生成的回路误差量计算回路控制量，所述回路控制量包括稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量、速率控制量。
所述正弦发生单元用于根据控制计算单元计算的稳频控制量生成驱动频率正弦和驱动频率余弦，同时生成参考正弦信号
r(
t)。具体的，所述正弦发生单元包括直接数字频率合成器，所述直接数字频率合成器根据控制计算单元计算的稳频控制量并基于查表法，生成驱动频率正弦和驱动频率余弦，同时生成参考正弦信号
r(
t)。
所述信号调制单元包括单比特Σ-Δ调制器，所述信号调制单元用于根据状态解算单元生成的驻波角度、正弦发生单元生成的驱动频率正弦和驱动频率余弦，按照时序控制单元提供的切换时序对控制计算单元生成的稳幅控制量、正交控制量、速率控制量矢量合成得到驱动信号，所述单比特Σ-Δ调制器用于将驱动信号转为二进制流信号。具体的，所述单比特Σ-Δ调制器的采样频率大于直接数字频率合成器的时钟频率，即单比特Σ-Δ调制器的采样频率大于正弦发生单元的时钟频率，可降低噪声干扰。
所述低通滤波器用于滤除单比特Σ-Δ调制器生成的二进制流信号的毛刺噪声。
所述程控放大器用于将低通滤波器滤除毛刺噪声后的信号功率放大并施加于谐振子。
本发明所提供的谐振陀螺控制系统通过电极分时切换单元减少控制通道，基于数字时间转换方法和单比特Σ-Δ调制器实现无数模转换器和模数转换器的谐振陀螺的闭环控制，可减少系统硬件构成，降低控制系统体积并提升稳定性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种谐振陀螺控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S10，信号调制单元根据驻波角度θ、驱动频率正弦sinω 0 t和驱动频率余弦cosω 0 t，对稳幅控制量Ca、正交控制量Cq、速率控制量Cp矢量合成得到X电极的驱动信号E X (t)、Y电极的驱动信号E Y (t)，驱动信号由单比特Σ-Δ调制器调制后转为二进制流信号；
步骤S20，在驱动周期，时序控制单元切换时序下，由电极分时切换单元将电极置于驱动状态，单比特Σ-Δ调制器生成的二进制流信号经程控放大器功率放大后施加于电极，用于驱动谐振子发生振动；所述时序控制单元用于产生切换时序信号，将谐振陀螺闭环控制的一个工作周期分为四个工作时段，包括X电极驱动时段C1、Y电极驱动时段C2、X电极的振动电压信号检测时段D1和Y电极的振动电压信号检测时段D2，各工作时段在切换至下一工作时段的过程中停留有空闲时段r，X电极驱动时段C1和Y电极驱动时段C2处于驱动周期，X电极的振动电压信号检测时段D1和Y电极的振动电压信号检测时段D2处于检测周期；
步骤S30，在检测周期，时序控制单元切换时序下，由电极分时切换单元将电极置于检测状态，经I/V转换器获取X电极的振动电压信号D X (t)和Y电极的振动电压信号D Y (t)；
步骤S40，在时序控制单元切换时序下，通过比较器将X电极的振动电压信号D X (t)和Y电极的振动电压信号D Y (t)与参考正弦信号r(t)相比较，信号解调单元记录产生交叉事件的时间节点，通过数字时间转换方法提取X电极的振动电压信号D X (t)所对应交叉事件的正弦分量S x 和余弦分量C x 以及Y电极的振动电压信号D Y (t)所对应交叉事件的正弦分量S y 和余弦分量C y ，信号解调单元提取Y电极的振动电压信号D Y (t)所对应交叉事件的正弦分量S Y 和余弦分量C Y 的过程与提取X电极的振动电压信号D X (t)所对应交叉事件的正弦分量S x 和余弦分量C x 的过程一致，信号解调单元通过数字时间转换方法提取X电极的振动电压信号D X (t)所对应交叉事件的正弦分量S x 和余弦分量C x 的过程包括以下步骤：
步骤S411，确定求解周期，所述求解周期小于X电极的振动电压信号检测时段D1的时长，定义固定的非零正整数P和G，且P＞G，使求解周期为参考正弦信号r(t)的时间周期的P倍，且使求解周期为振动电压信号D X (t)的时间周期的G倍；
步骤S412，在求解周期内，通过比较器对X电极的振动电压信号D X (t)与参考正弦信号r(t)进行比较，每当X电极的振动电压信号D X (t)变得大于参考正弦信号r(t)的时刻，通过信号解调单元记录产生交叉事件的时间节点，从而得到参考正弦信号r(t)的相位瞬时值；
步骤S413，信号解调单元根据步骤S412得到的参考正弦信号r(t)的相位瞬时值计算得出X电极的振动电压信号D X (t)所对应交叉事件的正弦分量S x 和余弦分量C x ；
步骤S50，根据信号解调单元提取的S x 、S y 、C x 、C y ，由状态解算单元计算回路误差量，包括时延相位、振动能量E、简正偏离Q、驻波角度θ；
步骤S60，根据状态解算单元生成的回路误差量，由控制计算单元计算回路控制量，包括稳频控制量ω 0 、稳幅控制量Ca、正交控制量Cq、速率控制量Cp；
步骤S70，正弦发生单元根据步骤S60得到的稳频控制量ω 0 ，生成驱动频率正弦sinω 0 t和驱动频率余弦cosω 0 t，同时生成参考正弦信号r(t)，参考正弦信号r(t)传递至比较器，用于产生下一周期的交叉事件；
步骤S80，信号调制单元根据步骤S50得到的驻波角度θ、步骤S70得到的驱动频率正弦sinω 0 t和驱动频率余弦cosω 0 t，对步骤S60得到的稳幅控制量Ca、正交控制量Cq、速率控制量Cp矢量合成，用于下一周期驱动谐振子，完成谐振陀螺闭环控制。
2.根据权利要求1所述的一种谐振陀螺控制方法，其特征在于，所述步骤S413中，定义第一中间量，其中，为自然数；
X电极的振动电压信号D X (t)所对应交叉事件的正弦分量S x 和余弦分量C x 的仿射方程如下：
其中，表示同一求解周期内第个交叉事件对应的参考正弦信号r(t)的相位瞬时值。
3.根据权利要求1所述的一种谐振陀螺控制方法，其特征在于，所述状态解算单元的动力学方程如下：
其中，为时延相位；E为振动能量；Q为简正偏离；θ为驻波角度。
4.根据权利要求1所述的一种谐振陀螺控制方法，其特征在于，所述信号调制单元的矢量合成公式如下：
其中，E X (t)为X电极的驱动信号；E Y (t)为Y电极的驱动信号。
5.根据权利要求1所述的一种谐振陀螺控制方法，其特征在于，所述步骤S20中，单比特Σ-Δ调制器生成的二进制流信号经低通滤波器滤除毛刺噪声后，再经程控放大器功率放大并施加于谐振子。
6.一种谐振陀螺控制系统，用于实现权利要求1-5任一项所述的谐振陀螺控制方法，其特征在于，包括谐振子、电极、电极分时切换单元、I/V转换器、比较器、信号解调单元、状态解算单元、控制计算单元、正弦发生单元、信号调制单元、低通滤波器、程控放大器和时序控制单元；
所述谐振子为陀螺的核心敏感单元；
所述电极包括交错分布于谐振子周围的X电极和Y电极，所述电极用于驱动和检测谐振子振动；
所述时序控制单元用于计算和产生驱动检测分时的切换时序信号，并提供给电极分时切换单元、信号解调单元、信号调制单元；
所述电极分时切换单元用于根据时序控制单元提供的切换时序切换电极的工作电路，分别将电极置于驱动状态、检测状态和空闲状态；
所述I/V转换器用于将X电极、Y电极上由谐振子振动引起的电流信号转换为相应的振动电压信号D X (t)、D Y (t)；
所述比较器用于将I/V转换器生成的振动电压信号D X (t)、D Y (t)与参考正弦信号r(t)相比较，产生交叉事件；
所述信号解调单元按照时序控制单元提供的切换时序，记录比较器产生交叉事件的时间节点，通过数字时间转换方法提取X电极的振动电压信号D X (t)所对应交叉事件的正弦分量S x 和余弦分量C x 以及Y电极的振动电压信号D Y (t)所对应交叉事件的正弦分量S y 和余弦分量C y ；
所述状态解算单元用于根据信号解调单元提取的S x 、S y 、C x 、C y ，计算回路误差量，所述回路误差量包括时延相位、振动能量、简正偏离、驻波角度；
所述控制计算单元用于根据状态解算单元生成的回路误差量计算回路控制量，所述回路控制量包括稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量、速率控制量；
所述正弦发生单元用于根据控制计算单元计算的稳频控制量生成驱动频率正弦和驱动频率余弦，同时生成参考正弦信号r(t)；
所述信号调制单元包括单比特Σ-Δ调制器，所述信号调制单元用于根据状态解算单元生成的驻波角度、正弦发生单元生成的驱动频率正弦和驱动频率余弦，按照时序控制单元提供的切换时序对控制计算单元生成的稳幅控制量、正交控制量、速率控制量矢量合成得到驱动信号，所述单比特Σ-Δ调制器用于将驱动信号转为二进制流信号；
所述低通滤波器用于滤除单比特Σ-Δ调制器生成的二进制流信号的毛刺噪声；
所述程控放大器用于将低通滤波器滤除毛刺噪声后的信号功率放大并施加于谐振子。
7.根据权利要求6所述的一种谐振陀螺控制系统，其特征在于，所述正弦发生单元包括直接数字频率合成器，所述直接数字频率合成器根据控制计算单元计算的稳频控制量并基于查表法，生成驱动频率正弦和驱动频率余弦，同时生成参考正弦信号r(t)。
8.根据权利要求7所述的一种谐振陀螺控制系统，其特征在于，所述单比特Σ-Δ调制器的采样频率大于直接数字频率合成器的时钟频率。
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