本發(fā)明涉及一種高動(dòng)態(tài)慣性導(dǎo)航等領(lǐng)域，特別是一種微機(jī)械速率積分環(huán)陀螺的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
陀螺是一種能測(cè)量載體相對(duì)慣性空間旋轉(zhuǎn)的裝置。它被廣泛應(yīng)用于軍事、自動(dòng)化、導(dǎo)航和民用領(lǐng)域。雖然慣性導(dǎo)航的未來(lái)趨勢(shì)是尺寸更小，可靠性更高，成本更低，精度更高，但在實(shí)際應(yīng)用中，高動(dòng)態(tài)的需求往往被忽略。在實(shí)際的彈載應(yīng)用中，高動(dòng)態(tài)對(duì)陀螺提出了更嚴(yán)格的要求。因此，大量程的速率積分陀螺成為最好的解決方案。速率積分陀螺擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)量程，消除了由數(shù)字和電子綜合引入的累積誤差，在實(shí)際中具有廣泛的應(yīng)用前景。環(huán)陀螺采用諧振環(huán)式全對(duì)稱結(jié)構(gòu)作為敏感結(jié)構(gòu)，方便不同模態(tài)之間的匹配，并且大大降低了環(huán)境溫度、加速度、振動(dòng)、沖擊等外界擾動(dòng)的影響。
密歇根大學(xué)的M.W.Putty最早研究了振動(dòng)環(huán)陀螺的檢測(cè)原理，并采用在絕緣模型上電鍍鎳的方法制作了一個(gè)電容間隙為7um，深度比約為7的陀螺。這種方法制作的陀螺由于受到制作絕緣模型的材料的影響，品質(zhì)因數(shù)不會(huì)很高，限制了陀螺性能的進(jìn)一步提高。2012年，密歇根大學(xué)研制的多筒速率積分陀螺CING(Cylindrical Rate-Integrating Gyroscope)，由于控制系統(tǒng)高度集成化，無(wú)法進(jìn)行擴(kuò)展。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種微機(jī)械速率積分環(huán)陀螺的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)統(tǒng)一的、通用的、易實(shí)現(xiàn)的速率積分環(huán)陀螺的控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)環(huán)陀螺在不同模式之間的切換。
本發(fā)明的上述目的是通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：
一種微機(jī)械速率積分環(huán)陀螺的控制系統(tǒng)，包括C/V變換模塊、環(huán)陀螺表頭、信號(hào)驅(qū)動(dòng)反饋模塊、數(shù)字信號(hào)微處理器模塊；
C/V變換模塊：接收環(huán)陀螺表頭傳來(lái)的初始電容信號(hào)，將初始電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并將電壓信號(hào)傳輸至信號(hào)驅(qū)動(dòng)反饋模塊；
信號(hào)驅(qū)動(dòng)反饋模塊：接收C/V變換模塊傳來(lái)的電壓信號(hào)；對(duì)電壓信號(hào)依次進(jìn)行濾波、放大處理，生成模擬電壓信號(hào)，將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，并將數(shù)字電壓信號(hào)輸出至數(shù)字信號(hào)微處理器模塊；接收數(shù)字信號(hào)微處理器模塊傳來(lái)的數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，將數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，將模擬驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為環(huán)陀螺表頭的電容信號(hào)調(diào)節(jié)控制信號(hào)，并將電容信號(hào)調(diào)節(jié)控制信號(hào)發(fā)送至環(huán)陀螺表頭；
數(shù)字信號(hào)微處理器模塊：接收信號(hào)驅(qū)動(dòng)反饋模塊傳來(lái)的數(shù)字電壓信號(hào)；對(duì)數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)和參數(shù)提取，得到環(huán)路控制參數(shù)；對(duì)環(huán)路控制參數(shù)依次進(jìn)行幅度控制、穩(wěn)頻控制、正交抵消、角度計(jì)算和參數(shù)調(diào)制，生成數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，將數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)反饋至信號(hào)驅(qū)動(dòng)反饋模塊；同時(shí)將環(huán)路控制參數(shù)中角度計(jì)算的結(jié)果輸出至外部測(cè)試儀器；
環(huán)陀螺表頭：接收信號(hào)驅(qū)動(dòng)反饋模塊傳來(lái)的電容信號(hào)調(diào)節(jié)控制信號(hào)，對(duì)初始電容信號(hào)的穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證了環(huán)陀螺的輸出精度。
在上述的一種微機(jī)械速率積分環(huán)陀螺的控制系統(tǒng)，所述信號(hào)驅(qū)動(dòng)反饋模塊包括濾波放大模塊、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、高速串行接口、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和電壓控制器；
濾波放大模塊：接收C/V變換模塊傳來(lái)的電壓信號(hào)，對(duì)電壓信號(hào)依次進(jìn)行濾波、放大處理，生成模擬電壓信號(hào)，并將模擬電壓信號(hào)傳輸至A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；
A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：接收濾波放大模塊傳來(lái)的模擬電壓信號(hào)，將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，并將數(shù)字電壓信號(hào)經(jīng)高速串行接口輸至數(shù)字信號(hào)微處理器模塊；
D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊：接收環(huán)路控制模塊傳來(lái)的數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，將數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，并將模擬驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)發(fā)送至驅(qū)動(dòng)模塊；
驅(qū)動(dòng)模塊：接收D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊傳來(lái)的模擬驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，將模擬驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為環(huán)陀螺表頭的電容信號(hào)調(diào)節(jié)控制信號(hào)，并將電容信號(hào)調(diào)節(jié)控制信號(hào)輸出至環(huán)陀螺表頭。
在上述的一種微機(jī)械速率積分環(huán)陀螺的控制系統(tǒng)，所述數(shù)字信號(hào)微處理器模塊包括環(huán)路控制模塊、串行外設(shè)接口和異步通信接口；
環(huán)路控制模塊：通過(guò)串行外設(shè)接口，接收經(jīng)過(guò)高速串行接口從A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊傳來(lái)的數(shù)字電壓信號(hào)；對(duì)數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)和參數(shù)提取，得到環(huán)路控制參數(shù)；對(duì)環(huán)路控制參數(shù)依次進(jìn)行幅度控制、穩(wěn)頻控制、正交抵消、角度計(jì)算和參數(shù)調(diào)制，生成數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，將數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)依次通過(guò)串行外設(shè)接口、高速串行接口反饋至D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；同時(shí)將環(huán)路控制參數(shù)中角度計(jì)算的結(jié)果通過(guò)異步通信接口輸出至外部測(cè)試儀器。
在上述的一種微機(jī)械速率積分環(huán)陀螺的控制系統(tǒng)，所述環(huán)路控制參數(shù)包括主軸振動(dòng)幅度a、正交幅度q、計(jì)算得到的角度值θ和陀螺諧振和參考信號(hào)之間的相移誤差δφ。
在上述的一種微機(jī)械速率積分環(huán)陀螺的控制系統(tǒng)，所述計(jì)算得到的角度值θ為-90°～90°。
在上述的一種微機(jī)械速率積分環(huán)陀螺的控制系統(tǒng)，所述幅度控制為將主軸振動(dòng)幅度a的幅度值保持穩(wěn)定；所述穩(wěn)頻控制為保證陀螺諧振和參考信號(hào)之間的相移誤差δφ的相移值穩(wěn)定；所述正交抵消為將正交幅度q的幅度值抵消為0；所述角度計(jì)算為將計(jì)算得到的角度值θ從-90°～90°拓展為全量程。
在上述的一種微機(jī)械速率積分環(huán)陀螺的控制系統(tǒng)，所述全量程為-180°-180°。
在上述的一種微機(jī)械速率積分環(huán)陀螺的控制系統(tǒng)，所述電容值波動(dòng)越大，環(huán)陀螺的輸出角度值誤差越大。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1)本發(fā)明采用了數(shù)字信號(hào)微處理器模塊對(duì)環(huán)陀螺表頭進(jìn)行控制，通過(guò)串行外設(shè)接口傳輸檢測(cè)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)統(tǒng)一的、通用的、易實(shí)現(xiàn)的速率積分環(huán)陀螺的控制系統(tǒng)；
(2)本發(fā)明采用了數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)行環(huán)陀螺的參數(shù)提取和調(diào)制，方便在不同平臺(tái)之間進(jìn)行移植；
(3)本發(fā)明對(duì)控制參數(shù)依次進(jìn)行幅度控制、穩(wěn)頻控制和正交抵消，降低了控制的復(fù)雜性，提高了控制的精度。
附圖說(shuō)明
圖1為本發(fā)明控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：
如圖1所示為控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知，一種微機(jī)械速率積分環(huán)陀螺的控制系統(tǒng)，其特征在于：包括C/V變換模塊、環(huán)陀螺表頭、信號(hào)驅(qū)動(dòng)反饋模塊、數(shù)字信號(hào)微處理器模塊；
C/V變換模塊：接收環(huán)陀螺表頭傳來(lái)的初始電容信號(hào)，將初始電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并將電壓信號(hào)傳輸至信號(hào)驅(qū)動(dòng)反饋模塊；
信號(hào)驅(qū)動(dòng)反饋模塊：接收C/V變換模塊傳來(lái)的電壓信號(hào)；對(duì)電壓信號(hào)依次進(jìn)行濾波、放大處理，生成模擬電壓信號(hào)，將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，并將數(shù)字電壓信號(hào)輸出至數(shù)字信號(hào)微處理器模塊；接收數(shù)字信號(hào)微處理器模塊傳來(lái)的數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，將數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，將模擬驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為環(huán)陀螺表頭的電容信號(hào)調(diào)節(jié)控制信號(hào)，并將電容信號(hào)調(diào)節(jié)控制信號(hào)發(fā)送至環(huán)陀螺表頭；
數(shù)字信號(hào)微處理器模塊：接收信號(hào)驅(qū)動(dòng)反饋模塊傳來(lái)的數(shù)字電壓信號(hào)；對(duì)數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)和參數(shù)提取，得到環(huán)路控制參數(shù)；對(duì)環(huán)路控制參數(shù)依次進(jìn)行幅度控制、穩(wěn)頻控制、正交抵消、角度計(jì)算和參數(shù)調(diào)制，生成數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，將數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)反饋至信號(hào)驅(qū)動(dòng)反饋模塊；同時(shí)將環(huán)路控制參數(shù)中角度計(jì)算的結(jié)果輸出至外部測(cè)試儀器；
環(huán)陀螺表頭：接收信號(hào)驅(qū)動(dòng)反饋模塊傳來(lái)的電容信號(hào)調(diào)節(jié)控制信號(hào)，對(duì)初始電容信號(hào)的穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證了環(huán)陀螺的輸出精度。電容值波動(dòng)越大，環(huán)陀螺的輸出角度值誤差越大。
其中，所述信號(hào)驅(qū)動(dòng)反饋模塊包括濾波放大模塊、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、高速串行接口、D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和電壓控制器；
濾波放大模塊：接收C/V變換模塊傳來(lái)的電壓信號(hào)，對(duì)電壓信號(hào)依次進(jìn)行濾波、放大處理，生成模擬電壓信號(hào)，并將模擬電壓信號(hào)傳輸至A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；
A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊：接收濾波放大模塊傳來(lái)的模擬電壓信號(hào)，將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，并將數(shù)字電壓信號(hào)經(jīng)高速串行接口輸至數(shù)字信號(hào)微處理器模塊；
D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊：接收環(huán)路控制模塊傳來(lái)的數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，將數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，并將模擬驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)發(fā)送至驅(qū)動(dòng)模塊；
驅(qū)動(dòng)模塊：接收D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊傳來(lái)的模擬驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，將模擬驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為環(huán)陀螺表頭的電容信號(hào)調(diào)節(jié)控制信號(hào)，并將電容信號(hào)調(diào)節(jié)控制信號(hào)輸出至環(huán)陀螺表頭。
所述數(shù)字信號(hào)微處理器模塊包括環(huán)路控制模塊、串行外設(shè)接口和異步通信接口；
環(huán)路控制模塊：通過(guò)串行外設(shè)接口，接收經(jīng)過(guò)高速串行接口從A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊傳來(lái)的數(shù)字電壓信號(hào)；對(duì)數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)行信號(hào)解調(diào)和參數(shù)提取，得到環(huán)路控制參數(shù)，環(huán)路控制參數(shù)包括主軸振動(dòng)幅度a、正交幅度q、計(jì)算得到的角度值θ和陀螺諧振和參考信號(hào)之間的相移誤差δφ；θ范圍為-90°～90°；對(duì)環(huán)路控制參數(shù)依次進(jìn)行幅度控制、穩(wěn)頻控制、正交抵消、角度計(jì)算和參數(shù)調(diào)制，生成數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，將數(shù)字驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)依次通過(guò)串行外設(shè)接口、高速串行接口反饋至D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；同時(shí)將環(huán)路控制參數(shù)中角度計(jì)算的結(jié)果通過(guò)異步通信接口輸出至外部測(cè)試儀器。
其中，幅度控制為將主軸振動(dòng)幅度a的幅度值保持穩(wěn)定；所述穩(wěn)頻控制為保證陀螺諧振和參考信號(hào)之間的相移誤差δφ的相移值穩(wěn)定；所述正交抵消為將正交幅度q的幅度值抵消為0；所述角度計(jì)算為將計(jì)算得到的角度值θ從-90°～90°拓展為全量程，述全量程為-180°-180°。
幅度控制的主要作用是保證振子振動(dòng)的幅度恒定。幅度控制主要采用自動(dòng)增益控制計(jì)數(shù)(AGC)技術(shù)來(lái)達(dá)到穩(wěn)幅的目的。自動(dòng)增益控制可以根據(jù)敏感結(jié)構(gòu)幅度的大小自動(dòng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度，即可以保持敏感結(jié)構(gòu)振幅的穩(wěn)定，又可以在上電過(guò)程中減少振子達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間。
穩(wěn)頻控制的作用是使陀螺振子振動(dòng)在其諧振頻率上，由于陀螺敏感結(jié)構(gòu)的諧振頻率隨溫度等實(shí)時(shí)變化，因此必須采用閉環(huán)追蹤系統(tǒng)來(lái)保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率與振子的諧振頻率完全一致。
正交抵消采用PID控制器來(lái)抑制正交幅度值q。PID是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制方案。PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠和調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分和微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。
本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。