CN116026299A - 谐振陀螺静电修调控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及惯性仪表修调控制技术领域，提供一种谐振陀螺静电修调控制方法及系统。该方法包括如下步骤：生成驱动信号功率放大、驱动周期施加于谐振子、检测周期检测谐振子振动信号、解调振动信号正余弦分量、解算各回路误差信号、计算回路控制量、计算刚度修调、正交修调控制量、生成电极驱动信号和修调信号。本发明通过主动控制驻波旋转调制，解调算法辨识独立的刚度和正交误差量，分别设计刚度修调回路和正交修调回路，并通过分时复用，使修调回路和主控制回路独立工作，消除耦合干扰，实现刚度误差和正交误差的连续在线抑制，提升陀螺精度和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及惯性仪表修调控制技术领域，尤其涉及一种谐振陀螺静电修调控制方法及系统。
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。工作条件下，谐振陀螺具有驱动模态和敏感模态两个模态;由于加工制造的不完美，两个模态间存在着刚度不一致误差和正交耦合误差，二者均作为误差源影响陀螺的精度水平。尤其是存在检测或驱动通道误差时，正交误差与相位误差的乘积将直接耦合至陀螺的角度输出回路，引发额外的角度漂移;与此同时，全角模式下驻波进动过程中，刚度和正交误差的存在对陀螺的频率回路和正交回路产生波动干扰，制约回路的动态控制精度，进而限制了陀螺的动态性能。
为降低刚度和正交误差，通常采用离子束或激光等修调方法降低其频率裂解，然而由于物理去重的精度限制，频率裂解难以降低至0.1mHz以下，因而难以满足高精度陀螺的使用需求; 在敏感模态施加相位正交于主振动的同频正弦力，通过使副振动加速或减速以维持振动波的线性，抑制正交误差，但并未针对谐振子固有刚度进行调整，导致刚度偏差仍然存在; 静电修调利用静电的弹簧负刚度效应，通过调节直流电压大小改变谐振子局部刚度，以减小甚至消除刚度误差和正交误差, 然而修调采用前馈开环方式进行，当刚度和正交误差随环境等因素改变时，难以保证误差的完全消除。
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，本发明提供一种谐振陀螺静电修调控制方法及系统，实现对谐振陀螺的刚度和正交误差连续在线闭环同步修调抑制,消除耦合干扰,提升谐振陀螺的精度和稳定性。
本发明提供一种谐振陀螺静电修调控制方法，包括如下步骤：
S10、通过信号调制单元生成驱动信号，并传输至数模转换器，通过数模转换器将驱动信号转换为模拟量，通过驱动放大器对模拟量进行功率放大处理，获得放大驱动信号；其中，在驱动周期内，在时序控制单元对时序进行切换控制的条件下，通过电极分时切换单元将谐振子的电极置于驱动状态，驱动放大器将放大驱动信号传输至谐振子的电极，激发谐振子振动；
S20、在检测周期内，在时序控制单元对时序进行切换控制的条件下，通过电极分时切换单元将谐振子的电极置于检测状态，通过电压电流转换器检测获得谐振子的电压信号，并传输至模数转换器，通过模数转换器将电压信号转换为数字量电压信号；
S30、通过信号调制单元提取数字量电压信号中的谐振子的X电极振动信号的正弦分量和余弦分量以及数字量电压信号中的谐振子的Y电极振动信号的正弦分量和余弦分量；
S40、通过误差解算单元根据谐振子的X电极振动信号的正弦分量和余弦分量以及谐振子的Y电极振动信号的正弦分量和余弦分量计算获得稳频控制回路的时延相位、稳幅控制回路的振动能量、正交控制回路的简正偏离、旋转调制回路的驻波速率以及旋转调制回路的驻波方位角；
S50、通过控制计算单元根据稳频控制回路的时延相位、稳幅控制回路的振动能量、正交控制回路的简正偏离、旋转调制回路的驻波速率以及旋转调制回路的驻波方位角计算，并对应生成稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量和旋转调制控制量；
S60、通过修调计算单元根据稳频控制量和正交控制量计算获得刚度修调回路误差信号和正交修调误差信号，进而计算获得刚度修调控制量和正交修调控制量；
S70、在时序控制单元对时序进行切换控制的条件下，通过信号调制单元根据稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量、旋转调制控制量以及刚度修调控制量、正交修调控制量，并根据驻波方位角和切换时序方波信号进行调制，获得调制驱动信号电压和修调信号电压；
S80、通过数模转换器将调制驱动信号电压和修调信号电压转换为模拟量，并输出至驱动放大器，通过驱动放大器将调制驱动信号模拟量和修调信号模拟量功率放大处理，并根据电极分时切换单元的切换时序，将调制驱动信号模拟量和修调信号模拟量对应施加于谐振子的电极上，完成谐振子的刚度和正交误差的静电修调控制。
根据本发明提供的一种谐振陀螺静电修调控制方法，所述S30步骤中，通过信号调节单元采用最小二乘辨识方法提取谐振子的数字量振动信号中的谐振子的X轴振动信号的正弦分量和余弦分量以及数字量振动信号中的谐振子的Y轴振动信号的正弦分量和余弦分量，计算式为：
；
；
；
其中，为陀螺检测信号；
为谐振子的X轴振动信号幅度；
为谐振子的Y轴振动信号幅度；
为过程的零均值噪声；
为解调参考信号；
为待辨识信号；
为谐振子的X轴振动信号的直流分量；
为谐振子的Y轴振动信号的直流分量；
为驱动频率；
为采样数据数。
根据本发明提供的一种谐振陀螺静电修调控制方法，所述S40步骤中，通过误差解算单元根据动力学方程，计算获得时延相位、振动能量、简正偏离、驻波速率以及驻波方位角，计算式为：
；
；
；
；
。
根据本发明提供的一种谐振陀螺静电修调控制方法，所述S60步骤中，在旋转调制回路的作用下，旋转调制控制量带动谐振子驻波方位角均匀变化；
若刚度和正交误差存在时，稳频控制量与驻波方位角的周期特性的表达式为：
；
正交控制量与驻波方位角的周期特性的表达式为：
；
其中，为稳频回路在旋转调制过程的幅值；
为稳频回路在旋转调制过程的空间初相角；
为正交回路在旋转调制过程的幅值；
为正交回路在旋转调制过程的空间初相角。
根据本发明提供的一种谐振陀螺静电修调控制方法，所述S60步骤中，还包括：
通过修调计算单元采用最小二乘辨识计算方法获取稳频回路在旋转调制过程的幅值和正交回路在旋转调制过程的幅值，则刚度修调误差的计算式为：
；
正交修调误差的计算式为：
；
通过修调计算单元，根据控制算法生成刚度修调控制量、正交修调控制量。
根据本发明提供的一种谐振陀螺静电修调控制方法，所述S70步骤中，通过信号调制单元根据驻波方位角，将稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量、旋转调制控制量进行矢量合成，计算式为：
；
；
其中，为谐振子的X轴的驱动信号电压；
为谐振子的Y轴的驱动信号电压；
为驱动频率；
为时间。
根据本发明提供的一种谐振陀螺静电修调控制方法，所述S70步骤中，修调信号电压包括对应施加于谐振子的X电极的修调信号电压、Y电极的修调信号电压、电极的修调信号电压和电极的修调信号电压；
其中，；
。
本发明还提供一种谐振陀螺静电修调控制系统，用以执行如上任一项所述的谐振陀螺静电修调控制方法，包括：
谐振子，所述谐振子设有X电极、Y电极、电极和电极；
电极分时切换单元，与所述谐振子电连接，用以将谐振子的电极置于驱动状态或检测状态或空闲状态或修调状态；
电流电压转换器，与所述谐振子电连接，用以将X电极、Y电极上由于谐振子振动而产生的电流信号转换为电压信号；
模数转换器，与所述电流电压转换器电连接，用以将电压信号转换为数字量；
信号解调单元，分别与所述模数转换器和所述时序控制单元电连接，用以在时序控制单元的切换时序下，提取数字量电压信号中的谐振子的X电极振动信号的正弦分量和余弦分量以及数字量振动信号中的谐振子的Y电极振动信号的正弦分量和余弦分量；
误差解算单元，与所述信号解调单元电连接，用以根据谐振子的X电极振动信号的正弦分量和余弦分量以及谐振子的Y电极振动信号的正弦分量和余弦分量计算获得稳频控制回路的时延相位、稳幅控制回路的振动能量、正交控制回路的简正偏离、旋转调制回路的驻波速率以及旋转调制回路的驻波方位角；
控制计算单元，与所述误差解算单元电连接，用以根据稳频控制回路的时延相位、稳幅控制回路的振动能量、正交控制回路的简正偏离、旋转调制回路的驻波速率以及旋转调制回路的驻波方位角计算，并对应生成稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量和旋转调制控制量；
修调计算单元，与所述控制计算单元电连接，用以根据稳频控制量和正交控制量计算获得刚度修调回路误差信号和正交修调误差信号，进而计算获得刚度修调控制量和正交修调控制量；
信号调制单元，与所述修调计算单元电连接，用以根据稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量、旋转调制控制量以及刚度修调控制量、正交修调控制量，并根据驻波方位角和切换时序方波信号进行调制，获得调制驱动信号电压和修调信号电压；
数模转换器，与所述信号调制单元电连接，用以将调制驱动信号电压和修调信号电压转换为模拟量；
驱动放大器，与所述数模转换器电连接，用以将调制驱动信号模拟量和修调信号模拟量功率放大处理，并根据电极分时切换单元的切换时序，将调制驱动信号模拟量和修调信号模拟量对应施加于谐振子的电极上；
时序控制单元，分别与信号调制单元、信号解调单元和电极分时切换单元电连接，用以对时序进行切换控制。
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：
本发明提供的谐振陀螺静电修调控制方法，包括如下步骤：
S10、通过信号调制单元生成驱动信号，并传输至数模转换器，通过数模转换器将驱动信号转换为模拟量，通过驱动放大器对模拟量进行功率放大处理，获得放大驱动信号；其中，在驱动周期内，在时序控制单元对时序进行切换控制的条件下，通过电极分时切换单元将谐振子的电极置于驱动状态，驱动放大器将放大驱动信号传输至谐振子的电极，激发谐振子振动；
S20、在检测周期内，在时序控制单元对时序进行切换控制的条件下，通过电极分时切换单元将谐振子的电极置于检测状态，通过电压电流转换器检测获得谐振子的电压信号，并传输至模数转换器，通过模数转换器将电压信号转换为数字量电压信号；
S30、通过信号调制单元提取数字量电压信号中的谐振子的X电极振动信号的正弦分量和余弦分量以及数字量电压信号中的谐振子的Y电极振动信号的正弦分量和余弦分量；
S40、通过误差解算单元根据谐振子的X电极振动信号的正弦分量和余弦分量以及谐振子的Y电极振动信号的正弦分量和余弦分量计算获得稳频控制回路的时延相位、稳幅控制回路的振动能量、正交控制回路的简正偏离、旋转调制回路的驻波速率以及旋转调制回路的驻波方位角；
S50、通过控制计算单元根据稳频控制回路的时延相位、稳幅控制回路的振动能量、正交控制回路的简正偏离、旋转调制回路的驻波速率以及旋转调制回路的驻波方位角计算，并对应生成稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量和旋转调制控制量；
S60、通过修调计算单元根据稳频控制量和正交控制量计算获得刚度修调回路误差信号和正交修调误差信号，进而计算获得刚度修调控制量和正交修调控制量；
S70、在时序控制单元对时序进行切换控制的条件下，通过信号调制单元根据稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量、旋转调制控制量以及刚度修调控制量、正交修调控制量，并根据驻波方位角和切换时序方波信号进行调制，获得调制驱动信号电压和修调信号电压；
S80、通过数模转换器将调制驱动信号电压和修调信号电压转换为模拟量，并输出至驱动放大器，通过驱动放大器将调制驱动信号模拟量和修调信号模拟量功率放大处理，并根据电极分时切换单元的切换时序，将调制驱动信号模拟量和修调信号模拟量对应施加于谐振子的电极上，完成谐振子的刚度和正交误差的静电修调控制；通过主动控制驻波旋转调制，解调算法辨识独立的刚度和正交误差量，分别设计刚度修调回路和正交修调回路，并通过分时复用，使修调回路和主控制回路独立工作，消除耦合干扰，实现刚度误差和正交误差的连续在线抑制，提升陀螺精度和稳定性。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
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地介绍，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是本发明提供的谐振陀螺静电修调控制系统框示图。
图2是本发明提供的谐振陀螺静电修调控制方法中电极检测状态和驱动状态的时序示意图。
附图标记：
1、谐振子；2、电极；3、时序控制单元；4、电极分时切换单元；5、电压电流转换器；6、模数转换器；7、信号解调单元；8、误差解算单元；9、控制计算单元；10、修调计算单元；11、信号调制单元；12、数模转换器；13、驱动放大器。
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至图2描述本发明的一种谐振陀螺静电修调控制方法，包括如下步骤：
S10、通过信号调制单元生成驱动信号，并传输至数模转换器，通过数模转换器将驱动信号转换为模拟量，通过驱动放大器对模拟量进行功率放大处理，获得放大驱动信号；其中，在驱动周期内，在时序控制单元对时序进行切换控制的条件下，通过电极分时切换单元将谐振子的电极置于驱动状态，驱动放大器将放大驱动信号传输至谐振子的电极，激发谐振子振动；
S20、在检测周期内，在时序控制单元对时序进行切换控制的条件下，通过电极分时切换单元将谐振子的电极置于检测状态，通过电压电流转换器检测获得谐振子的电压信号，并传输至模数转换器，通过模数转换器将电压信号转换为数字量电压信号；
S30、通过信号调制单元提取数字量电压信号中的谐振子的X电极振动信号的正弦分量和余弦分量以及数字量电压信号中的谐振子的Y电极振动信号的正弦分量和余弦分量；
S40、通过误差解算单元根据谐振子的X电极振动信号的正弦分量和余弦分量以及谐振子的Y电极振动信号的正弦分量和余弦分量计算获得稳频控制回路的时延相位、稳幅控制回路的振动能量、正交控制回路的简正偏离、旋转调制回路的驻波速率以及旋转调制回路的驻波方位角；
S50、通过控制计算单元根据稳频控制回路的时延相位、稳幅控制回路的振动能量、正交控制回路的简正偏离、旋转调制回路的驻波速率以及旋转调制回路的驻波方位角计算，并对应生成稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量和旋转调制控制量；
S60、通过修调计算单元根据稳频控制量和正交控制量计算获得刚度修调回路误差信号和正交修调误差信号，进而计算获得刚度修调控制量和正交修调控制量；
S70、在时序控制单元对时序进行切换控制的条件下，通过信号调制单元根据稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量、旋转调制控制量以及刚度修调控制量、正交修调控制量，并根据驻波方位角和切换时序方波信号进行调制，获得调制驱动信号电压和修调信号电压；
S80、通过数模转换器将调制驱动信号电压和修调信号电压转换为模拟量，并输出至驱动放大器，通过驱动放大器将调制驱动信号模拟量和修调信号模拟量功率放大处理，并根据电极分时切换单元的切换时序，将调制驱动信号模拟量和修调信号模拟量对应施加于谐振子的电极上，完成谐振子的刚度和正交误差的静电修调控制。
根据本发明提供的一种谐振陀螺静电修调控制方法，S30步骤中，通过信号调节单元采用最小二乘辨识方法提取谐振子的数字量振动信号中的谐振子的X轴振动信号的正弦分量和余弦分量以及数字量振动信号中的谐振子的Y轴振动信号的正弦分量和余弦分量，计算式为：
；
；
；
其中，为陀螺检测信号；
为谐振子的X轴振动信号幅度；
为谐振子的Y轴振动信号幅度；
为过程的零均值噪声；
为解调参考信号；
为待辨识信号；
为谐振子的X轴振动信号的直流分量；
为谐振子的Y轴振动信号的直流分量；
为驱动频率；
为采样数据数。
根据本发明提供的一种谐振陀螺静电修调控制方法，S40步骤中，通过误差解算单元根据动力学方程，计算获得时延相位、振动能量、简正偏离、驻波速率以及驻波方位角，计算式为：
；
；
；
；
。
根据本发明提供的一种谐振陀螺静电修调控制方法，S60步骤中，在旋转调制回路的作用下，旋转调制控制量带动谐振子驻波方位角均匀变化；
若刚度和正交误差存在时，稳频控制量与驻波方位角的周期特性的表达式为：
；
正交控制量与驻波方位角的周期特性的表达式为：
；
其中，为稳频回路在旋转调制过程的幅值；
为稳频回路在旋转调制过程的空间初相角；
为正交回路在旋转调制过程的幅值；
为正交回路在旋转调制过程的空间初相角。
根据本发明提供的一种谐振陀螺静电修调控制方法，S60步骤中，还包括：
通过修调计算单元采用最小二乘辨识计算方法获取稳频回路在旋转调制过程的幅值和正交回路在旋转调制过程的幅值，则刚度修调误差的计算式为：
；
正交修调误差的计算式为：
；
通过修调计算单元，根据控制算法生成刚度修调控制量、正交修调控制量。
根据本发明提供的一种谐振陀螺静电修调控制方法，S70步骤中，通过信号调制单元根据驻波方位角，将稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量、旋转调制控制量进行矢量合成，计算式为：
；
；
其中，为谐振子的X轴的驱动信号电压；
为谐振子的Y轴的驱动信号电压；
为驱动频率；
为时间。
根据本发明提供的一种谐振陀螺静电修调控制方法，S70步骤中，修调信号电压包括对应施加于谐振子的X电极的修调信号电压、Y电极的修调信号电压、电极的修调信号电压和电极的修调信号电压；
其中，；
。
下面对本发明提供的谐振陀螺静电修调控制系统进行描述，下文描述的谐振陀螺静电修调控制系统与上文描述的谐振陀螺静电修调控制方法可相互对应参照。
如图1所示，本发明还提供一种谐振陀螺静电修调控制系统，用以执行如上所述的谐振陀螺静电修调控制方法，包括：
谐振子1，谐振子设有电极2，电极用以驱动和检测谐振子振动。电极的第一端与谐振子连接，电极的第二端分别与电极分时切换单元4、电压电流转换器5、模数转换器6、信号解调单元7、误差解算单元8、控制计算单元9、修调计算单元10、信号调制单元11、数模转换器12、驱动放大器13和电极分时切换单元4连接，时序控制单元3分别与电极分时切换单元4、信号解调单元7和信号调制单元11连接。其中,电压电流转换器5是指I/V转换器。
其中，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。电极可设置为包括接触式或非接触式，例如压电陶瓷、电容。
电极的第二端在不同时刻连接至不同的电路，电极分时切换单元4采用程控多路切换开关，即在检测时刻，将电极连接到I/V转换器；在驱动时刻，将电极连接到驱动放大器；在X轴驱动或检测时，Y轴用于刚度修调；在Y轴驱动或检测时，X轴用于刚度修调。本实施例中，电极包括X电极、Y电极、电极和电极。
具体的，参见图2，在X轴驱动C1时间段内，将电极中的X电极连接到驱动放大器；在Y轴驱动C2时间段内，将电极中的Y电极连接到驱动放大器；在X轴检测D1时间段内，将电极中的X电极连接到I/V转换器；在Y轴检测D2时间段内，将电极2中的Y电极连接到I/V转换器。在X轴驱动C1和检测D1时，为Y轴刚度修调T2时间段，Y电极连接到数模转换器，用于施加Y电极刚度修调信号；在Y轴驱动C2和检测D2时，为X轴刚度修调T1时间段，X电极连接到数模转换器，用于施加X电极刚度修调信号。需要说明的是，图2中，r表示空闲状态。
电极分时切换单元，与谐振子电连接，用以将谐振子的电极置于驱动状态或检测状态或空闲状态或修调状态；
电流电压转换器，与谐振子电连接，用以将X电极、Y电极上由于谐振子振动而产生的电流信号转换为电压信号；
模数转换器，与电流电压转换器电连接，用以将电压信号转换为数字量；
信号解调单元，分别与模数转换器和时序控制单元电连接，用以在时序控制单元的切换时序下，提取数字量电压信号中的谐振子的X电极振动信号的正弦分量和余弦分量以及数字量振动信号中的谐振子的Y电极振动信号的正弦分量和余弦分量；
误差解算单元，与信号解调单元电连接，用以根据谐振子的X电极振动信号的正弦分量和余弦分量以及谐振子的Y电极振动信号的正弦分量和余弦分量计算获得稳频控制回路的时延相位、稳幅控制回路的振动能量、正交控制回路的简正偏离、旋转调制回路的驻波速率以及旋转调制回路的驻波方位角；
控制计算单元，与误差解算单元电连接，用以根据稳频控制回路的时延相位、稳幅控制回路的振动能量、正交控制回路的简正偏离、旋转调制回路的驻波速率以及旋转调制回路的驻波方位角计算，并对应生成稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量和旋转调制控制量；
修调计算单元，与控制计算单元电连接，用以根据稳频控制量和正交控制量计算获得刚度修调回路误差信号和正交修调误差信号，进而计算获得刚度修调控制量和正交修调控制量；
信号调制单元，与修调计算单元电连接，用以根据稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量、旋转调制控制量以及刚度修调控制量、正交修调控制量，并根据驻波方位角和切换时序方波信号进行调制，获得调制驱动信号电压和修调信号电压；
数模转换器，与信号调制单元电连接，用以将调制驱动信号电压和修调信号电压转换为模拟量；
驱动放大器，与数模转换器电连接，用以将调制驱动信号模拟量和修调信号模拟量功率放大处理，并根据电极分时切换单元的切换时序，将调制驱动信号模拟量和修调信号模拟量对应施加于谐振子的电极上；
时序控制单元，分别与信号调制单元、信号解调单元和电极分时切换单元电连接，用以对时序进行切换控制。
本发明提供的谐振陀螺静电修调控制方法，具体包括如下步骤：
S10、通过信号调制单元生成驱动信号，并传输至数模转换器，通过数模转换器将驱动信号转换为模拟量，通过驱动放大器对模拟量进行功率放大处理，获得放大驱动信号；其中，在驱动周期内，在时序控制单元对时序进行切换控制的条件下，通过电极分时切换单元将谐振子的电极置于驱动状态，驱动放大器将放大驱动信号传输至谐振子的电极，激发谐振子振动。
S20、在检测周期内，在时序控制单元对时序进行切换控制的条件下，通过电极分时切换单元将谐振子的电极置于检测状态，通过电压电流转换器检测获得谐振子的电压信号，并传输至模数转换器，通过模数转换器将电压信号转换为数字量电压信号。
S30、通过信号调制单元提取数字量电压信号中的谐振子的X电极振动信号的正弦分量和余弦分量以及数字量电压信号中的谐振子的Y电极振动信号的正弦分量和余弦分量；
其中，通过信号调节单元采用最小二乘辨识方法提取谐振子的数字量振动信号中的谐振子的X轴振动信号的正弦分量和余弦分量以及数字量振动信号中的谐振子的Y轴振动信号的正弦分量和余弦分量，计算式为：
；
；
；
其中，为陀螺检测信号；
为谐振子的X轴振动信号幅度；
为谐振子的Y轴振动信号幅度；
为过程的零均值噪声；
为解调参考信号；
为待辨识信号；
为谐振子的X轴振动信号的直流分量；
为谐振子的Y轴振动信号的直流分量；
为驱动频率；
为采样数据数。
S40、通过误差解算单元根据谐振子的X电极振动信号的正弦分量和余弦分量以及谐振子的Y电极振动信号的正弦分量和余弦分量计算获得稳频控制回路的时延相位、稳幅控制回路的振动能量、正交控制回路的简正偏离、旋转调制回路的驻波速率以及旋转调制回路的驻波方位角；
其中，通过误差解算单元根据动力学方程，计算获得时延相位、振动能量、简正偏离、驻波速率以及驻波方位角，计算式为：
；
；
；
；
。
S50、通过控制计算单元根据稳频控制回路的时延相位、稳幅控制回路的振动能量、正交控制回路的简正偏离、旋转调制回路的驻波速率以及旋转调制回路的驻波方位角计算，并对应生成稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量和旋转调制控制量。
S60、通过修调计算单元根据稳频控制量和正交控制量计算获得刚度修调回路误差信号和正交修调误差信号，进而计算获得刚度修调控制量和正交修调控制量；
其中，在旋转调制回路的作用下，旋转调制控制量带动谐振子驻波方位角均匀变化；
若刚度和正交误差存在时，稳频控制量与驻波方位角的周期特性的表达式为：
；
正交控制量与驻波方位角的周期特性的表达式为：
；
其中，为稳频回路在旋转调制过程的幅值；
为稳频回路在旋转调制过程的空间初相角；
为正交回路在旋转调制过程的幅值；
为正交回路在旋转调制过程的空间初相角。
进一步地，通过修调计算单元采用最小二乘辨识计算方法获取稳频回路在旋转调制过程的幅值和正交回路在旋转调制过程的幅值，则刚度修调误差的计算式为：
；
正交修调误差的计算式为：
；
通过修调计算单元，根据控制算法生成刚度修调控制量、正交修调控制量。
S70、在时序控制单元对时序进行切换控制的条件下，通过信号调制单元根据稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量、旋转调制控制量以及刚度修调控制量、正交修调控制量，并根据驻波方位角和切换时序方波信号进行调制，获得调制驱动信号电压和修调信号电压；
其中，通过信号调制单元根据驻波方位角，将稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量、旋转调制控制量进行矢量合成，计算式为：
；
；
其中，为谐振子的X轴的驱动信号电压；
为谐振子的Y轴的驱动信号电压；
为驱动频率；
为时间。
进一步地，修调信号电压包括对应施加于谐振子的X电极的修调信号电压、Y电极的修调信号电压、电极的修调信号电压和电极的修调信号电压；
其中，；
。
S80、通过数模转换器将调制驱动信号电压和修调信号电压转换为模拟量，并输出至驱动放大器，通过驱动放大器将调制驱动信号模拟量和修调信号模拟量功率放大处理，并根据电极分时切换单元的切换时序，将调制驱动信号模拟量和修调信号模拟量对应施加于谐振子的电极上，完成谐振子的刚度和正交误差的静电修调控制。
本发明实施例一
本实施例中谐振子的形状为半球形，材质为熔融石英，固有频率约为5kHz，主模态和副模态频率裂解约0.5mHz，刚性轴与主轴夹角约10°。
电极为由基座与谐振子内表面金属镀层组成的电容。
开始静电修调闭环控制，生成驱动频率为5kHz的驱动信号，施加于谐振子电极，使谐振子起振。当谐振子振动稳定后，各控制回路正常工作，稳幅回路设定值5V，驻波旋转速度5°/s。在检测周期，当驻波角=20°时，两轴振动信号幅度约=4.70V、=1.71V。将陀螺检测信号经过信号解调单元最小二乘辨识：
；
；
；
计算获得X、Y轴的正余弦分量分别约为：=2.31V、=4.09V、=0.95V、=1.42V。解算各控制回路误差：
；
；
；
；
。
根据控制算法，计算得到各主控制回路控制量为：
稳频控制回路=115.7mV、稳幅控制回路=179mV、正交控制回路=137.9mV、旋转调制回路=4.98V。
对旋转调制下的和信号进行最小二乘辨识，计算刚度修调误差=6.1mV和正交修调误差=7mV，经控制算法得出刚度修调量=167.2mV和正交修调量=104.5mV。
经信号调制合成后，得到X、Y轴驱动信号电压：
；
。
计算得到修调信号电压为：
；
。
根据时序切换信号，将驱动信号电压、和修调信号电压、、、施加于相应的电极处，实现主控制回路和修调控制回路闭环，使各回路稳定运行，实现刚度和正交误差的抑制。
与现有技术相比，本发明具有如下有点：
1、本发明通过采用旋转调制控制谐振子驻波方位角均匀扫描，通过对稳频控制量Cr和正交控制量Cq进行最小二乘辨识获取刚度修调和正交修调误差信号，无需额外注入正弦扰动，避免了扰动信号额外误差。
2、本发明独立连续获取刚度修调和正交修调误差信号，实现刚度修调和正交修调的同步在线闭环控制，提高了误差抑制的精度。
3、本发明通过电极分时复用的方式，在时间域分离了主控制回路和修调回路的耦合，避免了回路间的耦合干扰。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种谐振陀螺静电修调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：S10、通过信号调制单元生成驱动信号，并传输至数模转换器，通过数模转换器将驱动信号转换为模拟量，通过驱动放大器对模拟量进行功率放大处理，获得放大驱动信号；其中，在驱动周期内，在时序控制单元对时序进行切换控制的条件下，通过电极分时切换单元将谐振子的电极置于驱动状态，驱动放大器将放大驱动信号传输至谐振子的电极，激发谐振子振动；
S20、在检测周期内，在时序控制单元对时序进行切换控制的条件下，通过电极分时切换单元将谐振子的电极置于检测状态，通过电压电流转换器检测获得谐振子的电压信号，并传输至模数转换器，通过模数转换器将电压信号转换为数字量电压信号；
S30、通过信号调制单元提取数字量电压信号中的谐振子的X电极振动信号的正弦分量和余弦分量以及数字量电压信号中的谐振子的Y电极振动信号的正弦分量和余弦分量；
S40、通过误差解算单元根据谐振子的X电极振动信号的正弦分量和余弦分量以及谐振子的Y电极振动信号的正弦分量和余弦分量计算获得稳频控制回路的时延相位、稳幅控制回路的振动能量、正交控制回路的简正偏离、旋转调制回路的驻波速率以及旋转调制回路的驻波方位角；
S50、通过控制计算单元根据稳频控制回路的时延相位、稳幅控制回路的振动能量、正交控制回路的简正偏离、旋转调制回路的驻波速率以及旋转调制回路的驻波方位角计算，并对应生成稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量和旋转调制控制量；
S60、通过修调计算单元根据稳频控制量和正交控制量计算获得刚度修调回路误差信号和正交修调误差信号，进而计算获得刚度修调控制量和正交修调控制量；
S70、在时序控制单元对时序进行切换控制的条件下，通过信号调制单元根据稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量、旋转调制控制量以及刚度修调控制量、正交修调控制量，并根据驻波方位角和切换时序方波信号进行调制，获得调制驱动信号电压和修调信号电压；
S80、通过数模转换器将调制驱动信号电压和修调信号电压转换为模拟量，并输出至驱动放大器，通过驱动放大器将调制驱动信号模拟量和修调信号模拟量功率放大处理，并根据电极分时切换单元的切换时序，将调制驱动信号模拟量和修调信号模拟量对应施加于谐振子的电极上，完成谐振子的刚度和正交误差的静电修调控制。
2.根据权利要求1所述的谐振陀螺静电修调控制方法，其特征在于，所述S30步骤中，通过信号调节单元采用最小二乘辨识方法提取谐振子的数字量振动信号中的谐振子的X轴振动信号的正弦分量和余弦分量以及数字量振动信号中的谐振子的Y轴振动信号的正弦分量和余弦分量，计算式为：
；
；
；
其中，为陀螺检测信号；
为谐振子的X轴振动信号幅度；
为谐振子的Y轴振动信号幅度；
为过程的零均值噪声；
为解调参考信号；
为待辨识信号；
为谐振子的X轴振动信号的直流分量；
为谐振子的Y轴振动信号的直流分量；
为驱动频率；
为采样数据数。
3.根据权利要求2所述的谐振陀螺静电修调控制方法，其特征在于，所述S40步骤中，通过误差解算单元根据动力学方程，计算获得时延相位、振动能量、简正偏离、驻波速率以及驻波方位角，计算式为：
；
；
；
；
。
4.根据权利要求3所述的谐振陀螺静电修调控制方法，其特征在于，所述S60步骤中，在旋转调制回路的作用下，旋转调制控制量带动谐振子驻波方位角均匀变化；
若刚度和正交误差存在时，稳频控制量与驻波方位角的周期特性的表达式为：
；
正交控制量与驻波方位角的周期特性的表达式为：
；
其中，为稳频回路在旋转调制过程的幅值；
为稳频回路在旋转调制过程的空间初相角；
为正交回路在旋转调制过程的幅值；
为正交回路在旋转调制过程的空间初相角。
5.根据权利要求4所述的谐振陀螺静电修调控制方法，其特征在于，所述S60步骤中，还包括：
通过修调计算单元采用最小二乘辨识计算方法获取稳频回路在旋转调制过程的幅值和正交回路在旋转调制过程的幅值，则刚度修调误差的计算式为：
；
正交修调误差的计算式为：
；
通过修调计算单元，根据控制算法生成刚度修调控制量、正交修调控制量。
6.根据权利要求5所述的谐振陀螺静电修调控制方法，其特征在于，所述S70步骤中，通过信号调制单元根据驻波方位角，将稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量、旋转调制控制量进行矢量合成，计算式为：
；
；
其中，为谐振子的X轴的驱动信号电压；
为谐振子的Y轴的驱动信号电压；
为驱动频率；
为时间。
7.根据权利要求6所述的谐振陀螺静电修调控制方法，其特征在于，所述S70步骤中，修调信号电压包括对应施加于谐振子的X电极的修调信号电压、Y电极的修调信号电压、电极的修调信号电压和电极的修调信号电压；
其中，；
。
8.一种谐振陀螺静电修调控制系统，用以执行如权利要求1至7任一项所述的谐振陀螺静电修调控制方法，其特征在于，包括：
谐振子，所述谐振子设有X电极、Y电极、电极和电极；
电极分时切换单元，与所述谐振子电连接，用以将谐振子的电极置于驱动状态或检测状态或空闲状态或修调状态；
电流电压转换器，与所述谐振子电连接，用以将X电极、Y电极上由于谐振子振动而产生的电流信号转换为电压信号；
模数转换器，与所述电流电压转换器电连接，用以将电压信号转换为数字量；
信号解调单元，分别与所述模数转换器和所述时序控制单元电连接，用以在时序控制单元的切换时序下，提取数字量电压信号中的谐振子的X电极振动信号的正弦分量和余弦分量以及数字量振动信号中的谐振子的Y电极振动信号的正弦分量和余弦分量；
误差解算单元，与所述信号解调单元电连接，用以根据谐振子的X电极振动信号的正弦分量和余弦分量以及谐振子的Y电极振动信号的正弦分量和余弦分量计算获得稳频控制回路的时延相位、稳幅控制回路的振动能量、正交控制回路的简正偏离、旋转调制回路的驻波速率以及旋转调制回路的驻波方位角；
控制计算单元，与所述误差解算单元电连接，用以根据稳频控制回路的时延相位、稳幅控制回路的振动能量、正交控制回路的简正偏离、旋转调制回路的驻波速率以及旋转调制回路的驻波方位角计算，并对应生成稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量和旋转调制控制量；
修调计算单元，与所述控制计算单元电连接，用以根据稳频控制量和正交控制量计算获得刚度修调回路误差信号和正交修调误差信号，进而计算获得刚度修调控制量和正交修调控制量；
信号调制单元，与所述修调计算单元电连接，用以根据稳频控制量、稳幅控制量、正交控制量、旋转调制控制量以及刚度修调控制量、正交修调控制量，并根据驻波方位角和切换时序方波信号进行调制，获得调制驱动信号电压和修调信号电压；
数模转换器，与所述信号调制单元电连接，用以将调制驱动信号电压和修调信号电压转换为模拟量；
驱动放大器，与所述数模转换器电连接，用以将调制驱动信号模拟量和修调信号模拟量功率放大处理，并根据电极分时切换单元的切换时序，将调制驱动信号模拟量和修调信号模拟量对应施加于谐振子的电极上；
时序控制单元，分别与信号调制单元、信号解调单元和电极分时切换单元电连接，用以对时序进行切换控制。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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