CN115824181A - 谐振陀螺分时复用电容检测方法、控制系统及谐振陀螺 - Google Patents

谐振陀螺分时复用电容检测方法、控制系统及谐振陀螺 Download PDF

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CN115824181A CN202310107983.8A CN202310107983A CN115824181A CN 115824181 A CN115824181 A CN 115824181A CN 202310107983 A CN202310107983 A CN 202310107983A CN 115824181 A CN115824181 A CN 115824181A
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史炯
张悦
李世杨
王泽涛
王宝琛
丛正
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Abstract

本发明属于哥氏振动谐振陀螺技术领域，具体涉及一种谐振陀螺分时复用电容检测方法、控制系统及谐振陀螺，S1.利用载波生成单元生成谐振陀螺高频载波信号；S2.将步骤S1所得高频载波信号与高压信号相叠加，叠加后信号施加在谐振陀螺上；S3.利用切换单元，对步骤S2施加信号后的谐振陀螺的电极切换,实现在
Figure ZY_1
，
Figure ZY_2
通道的分时激励和分时检测；S4.利用环形二极管检测模块，在切换单元作用的各个切换周期内，实现对步骤S3的切换单元输出信号中
Figure ZY_3
，
Figure ZY_4
通道的振动调制信号进行检测；S5.利用解调模块对步骤S4中环形二极管检测模块输出的振动调制信号进行解调，以获得
Figure ZY_5
，
Figure ZY_6
通道的振动信号，实现高精度的电容检测方式。

Description

谐振陀螺分时复用电容检测方法、控制系统及谐振陀螺
技术领域
本发明属于哥氏振动谐振陀螺技术领域，具体涉及一种谐振陀螺分时复用电容检测方法、控制系统及谐振陀螺。
背景技术
谐振陀螺仪作为一种基于哥氏效应的固体波动谐振陀螺仪，包括石英谐振陀螺、金属筒形谐振陀螺、嵌套环谐振陀螺和微半球谐振陀螺等。石英谐振陀螺是一种无转动部件的哥氏振动谐振陀螺，具有高精度、高分辨率、高可靠性、抗辐射能力强等优点。因此谐振陀螺在航海惯导系统、航空惯导系统、兵器惯导系统和空间惯导系统具有广阔的应用前景。
“时分复用控制模式”是一种谐振陀螺的控制方案，其特点是谐振陀螺检测电极交替工作在激励态或者检测态，即模数转换器间断的采集谐振陀螺“0”度电极和“45”度电极输出的振动位移电信号。在“时分复用控制模式”下，高精度且实时获得振动谐振陀螺的振动位移信号的现有的方法：一种谐振陀螺振动位移提取方法、控制系统及谐振陀螺，公开号CN115638780A，公开了振动位移提取方法，其控制系统包括多路开关、电荷放大电路，模数转换器、振动位移提取单元、谐振陀螺回路控制单元、数模转换器及放大电路，所述多路开关：将谐振陀螺的x轴电极及y轴电极分时段连接至电路；所述电荷放大电路：通过电荷放大电路将谐振陀螺通过所述多路开关输出的电流信号转换为电压信号；所述模数转换器：将所述电荷放大电路输出的模拟电压信号转换为数字量；所述振动位移提取单元：将所述模数转换器传递的数字量通过谐振陀螺振动位移提取方法的步骤，进行振动位移提取；所述谐振陀螺回路控制单元：根据参所述振动位移提取单元提供的振动位移提取转化为谐振陀螺振动控制信号；所述数模转换器：将所述谐振陀螺回路控制单元的振动控制信号转换成模拟信号；所述放大电路：将数模转换器输出信号放大为谐振陀螺控制电压，并传递回谐振陀螺。
在现有的控制系统中，陀螺输出的电流信号为间断的正弦交流信号且输出时间较短。而一般的微小电容检测电路建立时间较长，即开关时序连接电容检测电路后，需要较长的稳定及建立时间。若稳定及建立时间大于切换单元的切换周期，无法完成“时分复用控制模式”的电容检测。因此，针对“时分复用控制模式”下的电容检测电路进行改进，使其成为快速稳定的电容检测电路形式，并满足“时分复用控制模式”的应用要求是亟待解决的问题。
发明内容
本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种快速稳定的谐振陀螺分时复用电容检测方法、控制系统及谐振陀螺。
本发明提供了一种谐振陀螺分时复用电容检测方法，包括如下步骤：
S1.利用载波生成单元生成谐振陀螺高频载波信号；
S2.将步骤S1所得高频载波信号与高压信号相叠加，叠加后的信号施加在谐振陀螺上；
S3. 在
Figure SMS_1
，
Figure SMS_2
通道的切换周期内，利用切换单元，对步骤S2施加信号后的谐振陀螺的电极切换,实现在
Figure SMS_3
，
Figure SMS_4
通道的分时激励和分时检测；
S4. 利用环形二极管检测模块，在切换单元作用的各个切换周期内，实现对步骤S3的切换单元输出信号中
Figure SMS_5
，
Figure SMS_6
通道的振动调制信号进行检测；
S5.利用解调模块对步骤S4中环形二极管检测模块输出的振动调制信号进行解调，以获得
Figure SMS_7
，
Figure SMS_8
通道的振动信号。
根据本发明提供的步骤S1中的所述谐振陀螺高频载波信号为
Figure SMS_9
的高频载波信号。
根据本发明提供的高频载波信号
Figure SMS_10
为方波信号，并表示为：
Figure SMS_11
，
式中，
Figure SMS_12
为方波幅值；
T为载波信号周期；
Figure SMS_13
为第
Figure SMS_14
次载波信号周期。
根据本发明提供的载波信号周期T的取值为10-6s。
根据本发明提供的步骤S4中环形二极管检测模块输出信号包括高频载波信号
Figure SMS_15
部分及谐振陀螺在振动过程中的电容变化
Figure SMS_16
部分，其中电容变化
Figure SMS_17
包括
Figure SMS_18
，
Figure SMS_19
通道的振动信号信息。
根据本发明提供的步骤S5中解调模块通过乘法解调，滤除高频载波信号
Figure SMS_20
部分。
本发明还提供了一种谐振陀螺控制系统，包括高频载波释放单元，切换单元，检测单元及谐振陀螺控制单元，其中：
所述高频载波释放单元，包括载波生成单元、高压信号释放单元及加法器，所述加法器将载波生成单元生成的高频载波信号及高压信号释放单元生成的高压信号叠加，并施加在谐振陀螺上；
所述切换单元，将谐振陀螺的
Figure SMS_21
，
Figure SMS_22
通道分时段连接至电路；
所述检测单元，包括环形二极管检测模块及解调模块，通过环形二极管检测模块及解调模块将谐振陀螺通过所述切换单元输出的电流信号转换为电压信号；
所述谐振陀螺控制单元，将所述检测单元输出的电压信号转换为谐振陀螺控制电压，并传递回谐振陀螺。
根据本发明提供的所述环形二极管检测模块包括第一被测电容、第二被测电容、环形二极管结构、第三充放电电容、第四充放电电容、第一偏置电阻、第二偏置电阻及放大器，其中：
所述切换单元的输出端分别通过第一被测电容和第二被测电容连接于所述环形二极管结构的一对对角节点上，所述环形二极管结构的另一对对角节点分别连接于第三充放电电容和第四充放电电容；
所述第三充放电电容远离所述环形二极管结构的一端及第一偏置电阻第一端接地，所述第一偏置电阻第二端及所述第三充放电电容靠近所述环形二极管结构的一端连接于所述放大器的正相输入端；
所述第四充放电电容远离所述环形二极管结构的一端及所述第二偏置电阻第一端接地，所述第四充放电电容靠近所述环形二极管结构的一端及所述第二偏置电阻第二端连接于所述放大器的负相输入端。
本发明还提供了一种谐振陀螺，包括上述的谐振陀螺控制系统。
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
本发明应用于分时复用控制方案，将
Figure SMS_23
通道与
Figure SMS_24
通道方向上的振动检测出来。在充分利用分时复用控制模式优势的基础上，解决了缓冲器电容检测容易受寄生电容的影响，电荷放大器的电容检测容易受偏置电流以及噪声电流的影响的缺点，实现高精度的电容检测方式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明谐振陀螺控制原理框图。
图2是本发明的环形二极管检测模块的电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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实施例和简化描述，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实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1及图2说明一种谐振陀螺分时复用电容检测方法、控制系统及谐振陀螺。
谐振陀螺控制方案原理框图，如图1所示，包括谐振陀螺、高频载波释放单元、切换单元、检测单元及谐振陀螺控制单元，其中谐振陀螺控制单元包括模数转换器、振动位移提取单元、谐振陀螺回路控制单元、数模转换器及放大电路，实现方式如下：
所述高频载波释放单元，包括载波生成单元、高压信号释放单元及加法器，所述加法器将载波生成单元生成的高频载波信号及高压信号释放单元生成的高压信号叠加，并施加在谐振陀螺上；
谐振陀螺：传递振动的电流信号及高频载波信号与高压信号的叠加信号到切换单元；
切换单元：通过切换单元，将
Figure SMS_25
，
Figure SMS_26
通道分时段连接至电路；
所述检测单元，包括环形二极管检测模块及解调模块，通过环形二极管检测模块及解调模块将谐振陀螺通过所述切换单元输出的电流信号转换为电压信号；
模数转换器：通过模数转换器将检测单元输出的模拟电压信号转换为数字量；
振动位移提取单元：将谐振陀螺表头传感器检测到的两轴振动信号，按照设定的相位参考进行正余弦分量解调，按照上述半球谐振陀螺分时复用电容检测方法，通过数学运算后获取谐振陀螺振动状态信息，用于谐振陀螺各回路控制；
谐振陀螺回路控制单元：根据振动位移提取单元提供的振动位移提取转化为谐振陀螺振动控制信号；
数模转换器：通过数模转换器可将控制谐振陀螺的数字信号转换成模拟信号；
放大电路：由于数模转换器输出信号较为微弱，因此需要放大电路，将微弱的控制电压转换为较大的谐振陀螺控制电压，并传递回谐振陀螺。
载波生成单元生成
Figure SMS_27
的高频载波信号
Figure SMS_28
，该信号为方波信号
Figure SMS_29
式中，
Figure SMS_30
为方波幅值；
T为载波信号周期，取值为10-6s；
Figure SMS_31
为第
Figure SMS_32
次载波信号周期。
载波生成单元产生的高频载波信号与高压信号通过加法器相叠加，获得的混合信号施加在谐振陀螺上。
Figure SMS_33
，
式中，
Figure SMS_34
为高频载波信号；
Figure SMS_35
为高压信号。
环形二极管检测模块的检测线路如图2所示，包括第一被测电容
Figure SMS_36
、第二被测电容
Figure SMS_37
、环形二极管结构、第三充放电电容
Figure SMS_38
、第四充放电电容
Figure SMS_39
、第一偏置电阻R 1 、第二偏置电阻R 2 及放大器，其中：
所述切换单元的输出端分别通过第一被测电容和第二被测电容连接于所述环形二极管结构的一对对角节点上，所述环形二极管结构的另一对对角节点分别连接于第三充放电电容和第四充放电电容；
所述第三充放电电容远离所述环形二极管结构的一端及第一偏置电阻第一端接地，所述第一偏置电阻第二端及所述第三充放电电容靠近所述环形二极管结构的一端连接于所述放大器的正相输入端；
所述第四充放电电容远离所述环形二极管结构的一端及所述第二偏置电阻第一端接地，所述第四充放电电容靠近所述环形二极管结构的一端及所述第二偏置电阻第二端连接于所述放大器的负相输入端。
第一被测电容
Figure SMS_42
、第二被测电容
Figure SMS_45
为半球谐振陀螺
Figure SMS_48
和
Figure SMS_41
差分电极电容，当谐振陀螺处于四波腹振动状态下，其容值满足
Figure SMS_44
=
Figure SMS_47
+
Figure SMS_49
关系。
Figure SMS_40
谐振陀螺在振动过程中的电容变化，
Figure SMS_43
包含载波生成单元产生的高频载波信号
Figure SMS_46
部分的切换单元的输出信号。
环形二极管检测模块充电时，经历幅值为
Figure SMS_61
的阶跃输入（高频载波的幅值），电路对第三充放电电容
Figure SMS_53
或第四充放电电容
Figure SMS_55
充电，当第三充放电电容
Figure SMS_66
的容值等于第四充放电电容
Figure SMS_70
的容值并均等于
Figure SMS_69
,且
Figure SMS_71
=
Figure SMS_58
+
Figure SMS_62
时，其中
Figure SMS_50
为一个远大于第一被测电容
Figure SMS_54
的容值或第二被测电容
Figure SMS_63
的容值的固定参考容值，仅表示容值大小的含义，并无其他物理含义。根据电路瞬态过程的“换路定理”，在载波信号的正半周期，二极管
Figure SMS_67
与
Figure SMS_64
导通。在电路实际的参数选择中，使第三充放电电容
Figure SMS_68
的容值与第四充放电电容
Figure SMS_52
的容值相同且远大于第一被测电容
Figure SMS_56
的容值或第二被测电容
Figure SMS_59
的容值，其中第三充放电电容
Figure SMS_65
的容值或第四充放电电容
Figure SMS_51
的容值至少为第一被测电容
Figure SMS_57
的容值或第二被测电容
Figure SMS_60
的容值的50倍以上，可以得到:
Figure SMS_72
，
Figure SMS_73
，
Figure SMS_74
，
其中，
Figure SMS_75
为正相输入端的电压值，
Figure SMS_76
为负相输入端的电压值，
Figure SMS_77
为环形二极管检测模块检测到的混合信号。
同理，在载波信号的负半周期，二极管
Figure SMS_78
与
Figure SMS_79
导通可以得到：
Figure SMS_80
，
Figure SMS_81
，
Figure SMS_82
。
其中
Figure SMS_84
、
Figure SMS_86
、
Figure SMS_89
、
Figure SMS_85
分别代表第一被测电容
Figure SMS_87
、第二被测电容
Figure SMS_88
、第三充放电电容
Figure SMS_90
及第四充放电电容
Figure SMS_83
的容值。
无论在载波信号的正、负半周期，放大器的输入端均为压差信号，该压差信号经过放大后即得到反映电容差
Figure SMS_92
的电压。因此，在上述过程中，环形二极管结构起到了一个自适应开关的作用，在载波正半周期和负半周期自动切换。影响检测电路输出的主要因素是第一被测电容
Figure SMS_96
、第二被测电容
Figure SMS_99
；第三充放电电容
Figure SMS_93
、第四充放电电容
Figure SMS_95
以及载波幅值
Figure SMS_98
。当选取的第三充放电电容
Figure SMS_100
的容值与第四充放电电容
Figure SMS_91
的容值相同且远大于第一被测电容
Figure SMS_94
的容值或第二被测电容
Figure SMS_97
的容值时，则增益对充放电电容的容值大小不敏感，因此运算放大器管脚的对地分布电容也不会影响检测电路的前置增益。
对环形二极管检测模块获得的信号通过解调模块进行信号的解调，滤除高频载波信号部分，即可获得
Figure SMS_101
，
Figure SMS_102
通道的谐振陀螺振动信号。
Figure SMS_103
，
式中，
Figure SMS_104
为环形二极管检测模块检测到的混合信号；
Figure SMS_105
为载波生成单元生成的载波信号；
Figure SMS_106
为低通滤波器；
Figure SMS_107
为解调后陀螺振动信号。
经过解调获得的谐振陀螺
Figure SMS_108
，
Figure SMS_109
通道的振动信号，后续可利用该两个通道的振动信号进行解算，以获得外界的角速度。
本发明应用于分时复用控制方案，将
Figure SMS_110
通道与
Figure SMS_111
通道方向上的振动检测出来。在充分利用分时复用控制模式优势的基础上，解决了缓冲器电容检测容易受寄生电容的影响，电荷放大器的电容检测容易受偏置电流以及噪声电流的影响的缺点，实现高精度的电容检测方式。
本发明的上述调节参数仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (9)

1.一种谐振陀螺分时复用电容检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.利用载波生成单元生成谐振陀螺高频载波信号；
S2.将步骤S1所得高频载波信号与高压信号相叠加，叠加后的信号施加在谐振陀螺上；
S3.在
Figure QLYQS_1
，
Figure QLYQS_2
通道的切换周期内，利用切换单元，对步骤S2施加信号后的谐振陀螺的电极切换,实现在
Figure QLYQS_3
，
Figure QLYQS_4
通道的分时激励和分时检测；
S4.利用环形二极管检测模块，在切换单元作用的各个切换周期内，实现对步骤S3的切换单元输出信号中
Figure QLYQS_5
，
Figure QLYQS_6
通道的振动调制信号进行检测；
S5.利用解调模块对步骤S4中环形二极管检测模块输出的振动调制信号进行解调，以获得
Figure QLYQS_7
，
Figure QLYQS_8
通道的振动信号。
2.根据权利要求1所述的一种谐振陀螺分时复用电容检测方法，其特征在于，步骤S1中的所述谐振陀螺高频载波信号为
Figure QLYQS_9
的高频载波信号。
3.根据权利要求2所述的一种谐振陀螺分时复用电容检测方法，其特征在于，高频载波信号
Figure QLYQS_10
为方波信号，并表示为：
Figure QLYQS_11
，
式中，
Figure QLYQS_12
为方波幅值；
T为载波信号周期；
Figure QLYQS_13
为第
Figure QLYQS_14
次载波信号周期。
4.根据权利要求3所述的一种谐振陀螺分时复用电容检测方法，其特征在于，载波信号周期T的取值为10-6s。
5.根据权利要求3所述的一种谐振陀螺分时复用电容检测方法，其特征在于，步骤S4中环形二极管检测模块输出信号包括高频载波信号
Figure QLYQS_15
部分及谐振陀螺在振动过程中的电容变化
Figure QLYQS_16
部分，其中电容变化
Figure QLYQS_17
包括
Figure QLYQS_18
，
Figure QLYQS_19
通道的振动信号信息。
6.根据权利要求5所述的一种谐振陀螺分时复用电容检测方法，其特征在于，步骤S5中解调模块通过乘法解调，滤除高频载波信号
Figure QLYQS_20
部分。
7.一种谐振陀螺控制系统，其特征在于，包括高频载波释放单元，切换单元，检测单元及谐振陀螺控制单元，其中：
所述高频载波释放单元，包括载波生成单元、高压信号释放单元及加法器，所述加法器将载波生成单元生成的高频载波信号及高压信号释放单元生成的高压信号叠加，并施加在谐振陀螺上；
所述切换单元，将谐振陀螺的x轴电极及y轴电极分时段连接至电路；
所述检测单元，包括环形二极管检测模块及解调模块，通过环形二极管检测模块及解调模块将谐振陀螺通过所述切换单元输出的电流信号转换为电压信号；
所述谐振陀螺控制单元，将所述检测单元输出的电压信号转换为谐振陀螺控制电压，并传递回谐振陀螺。
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，所述环形二极管检测模块包括第一被测电容、第二被测电容、环形二极管结构、第三充放电电容、第四充放电电容、第一偏置电阻、第二偏置电阻及放大器，其中：
所述切换单元的输出端分别通过第一被测电容和第二被测电容连接于所述环形二极管结构的一对对角节点上，所述环形二极管结构的另一对对角节点分别连接于第三充放电电容和第四充放电电容；
所述第三充放电电容远离所述环形二极管结构的一端及第一偏置电阻第一端接地，所述第一偏置电阻第二端及所述第三充放电电容靠近所述环形二极管结构的一端连接于所述放大器的正相输入端；
所述第四充放电电容远离所述环形二极管结构的一端及所述第二偏置电阻第一端接地，所述第四充放电电容靠近所述环形二极管结构的一端及所述第二偏置电阻第二端连接于所述放大器的负相输入端。
9.一种谐振陀螺，其特征在于，包括如权利要求7或8所述的谐振陀螺控制系统。
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