CN103697874A - 一种数字式石英音叉陀螺驱动环路控制电路 - Google Patents

Abstract

一种数字式石英音叉陀螺驱动环路控制电路，涉及微机电领域。它包括FPGA模块、D/A芯片、低通滤波器、石英音叉陀螺驱动音叉、放大滤波器、A/D芯片、电源模块；FPGA模块输出数字正弦控制信号至D/二A芯片、低通滤波器，使石英音叉陀螺驱动音叉振动；石英音叉陀螺驱动音叉将振动放大滤波后，通过A/D芯片转换为数字反馈信号并发送至FPGA模块，FPGA模块对数字反馈信号进行调频和调幅，实现对石英音叉陀螺的环路控制。本发明驱动环路的频率控制精度较高、幅值控制精度好，提高了陀螺性能。

Description

一种数字式石英音叉陀螺驱动环路控制电路

技术领域

本发明涉及微机电领域的石英音叉陀螺，特别涉及石英音叉陀螺驱动环路控制电路。 

背景技术

石英音叉陀螺属于微机械陀螺的一种，具有体积小、功耗低、成本低、适合批量生产等优点，广泛应用于航天器、平台姿态控制、导弹等领域。石英音叉陀螺的信号处理电路有模拟电路和数字电路两种，相对于模拟电路，数字电路有信号处理灵活，噪声小，不受外界环境影响，重复性好等优点。 

现有的石英音叉陀螺数字化电路，硬件上，其采用了DSP+CPLD的双处理器结构，DSP完成数字信号处理算法，CPLD实现数模转换器，模数转换器以及通信接口的控制。算法上，其数字信号处理算法是基于C语言的顺序执行算法，采用4倍频稀疏采样的方式对驱动信号进行采集计算处理，对于10KHz的驱动信号，要求算法执行周期为25us，加上算法中涉及到大量的三角函数运算，所以其对DSP处理器的计算性能有很高的要求。提高采样率增加每个正弦周期的采样点数，可以提高算法精度，从而提高陀螺性能，但是这就要求选用更高性能的DSP处理器或提高DSP运行主频，从而增加了系统成本和功耗。所以现有技术受制于处理器的计算能力，算法执行周期不能很快，影响算法的精度和陀螺的性能。 

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种数字式石英音叉陀螺驱动环路控制电路，驱动环路的频率控制精度较高、幅值控制精度好，提高了陀螺性能。 

本发明的技术解决方案是：一种数字式石英音叉陀螺驱动环路控制电 路，包括FPGA模块、D/A芯片、低通滤波器、石英音叉陀螺驱动音叉、放大滤波器、A/D芯片、电源模块；所述FPGA模块输出数字正弦控制信号至D/A芯片，所述D/A芯片将数字正弦控制信号转换为模拟控制信号发送至低通滤波器，所述低通滤波器滤去模拟控制信号中的高频信号并发送至石英音叉陀螺驱动音叉，使石英音叉陀螺驱动音叉振动；石英音叉陀螺驱动音叉将振动传递至放大滤波器进行放大滤波后，得到模拟反馈信号并发送至A/D芯片，A/D芯片将模拟反馈信号转换为数字反馈信号并发送至FPGA模块，FPGA模块对数字反馈信号进行调频和调幅，并发送新的数字正弦控制信号至D/A芯片，再经低通滤波器后发送至石英音叉陀螺驱动音叉，实现对石英音叉陀螺的环路控制；所述电源模块用于对环路控制电路进行供电。 

所述FPGA模块包括指令模块、频率控制器、正弦信号发生器、幅值控制器、乘法器、加法器；指令模块向频率控制器发送给定频率值，同时向幅值控制器发送给定幅值；所述频率控制模块接收给定频率值并进行调频后，发送至正弦信号发生器，正弦发生器产生幅值单位为1的正弦波；幅值控制器接收给定幅值并进行调幅后输出目标幅值；所述单位为1的正弦波与所述目标幅值经过乘法器相乘后发送至加法器，加法器产生偏置后得到数字正弦控制信号，发送至D/A芯片；指令模块接收数字反馈信号，并将给定频率值、给定幅值和数字反馈信号发送至加法器，加法器将数字反馈信号中的实测频率与给定频率通过加法器相减，得到调频输入值e₁(k)并发送至频率控制器进行调频；正弦信号发生器接收频率控制器的调频结果并产生新的单位为1的正弦波；加法器将数字反馈信号中的实测幅值与给定幅值通过加法器相减，得到调相输入幅值e₂(k)并发送至幅值控制器进行调相，得到新的目标幅值；新的单位为1的正弦波与新的目标幅值经过乘法器相乘后发送至加法器，加法器产生偏置后得到新的数字正弦控制信号发送，发送至D/A芯片。 

所述FPGA模块与上位机通过RS422接口进行通信，所述FPGA模块还与EPCS芯片连接，用于存储数据。本发明与现有技术相比有益效果为： 

(1)本发明基于FPGA技术，对石英音叉陀螺驱动环路进行数字化设计，突破了传统C语言设计时的速度限制，提高了陀螺驱动信号的质量和驱动环路的频率和幅值控制精度。 

(2)本发明基于FPGA技术，采用硬件描述语言实现A/D、D/A的控制，正弦信号的发生、频率控制算法、幅值控制算法等等，方便易行，简单可靠。相对于传统的DSP+CPLD双处理器的数字式石英音叉陀螺系统，发明可以减小系统体积，降低系统功耗。 

附图说明

图1本发明的电路图； 

图2本发明中FPGA模块的算法原理图； 

图3本发明中正弦信号发生器原理框图； 

图4本发明中开环谐振状态时石英音叉陀螺驱动音叉的输入和输出信号示意图； 

图5本发明的环路频率全温控制曲线。 

具体实施方式

如图1所示，本发明包括FPGA模块、D/A芯片、低通滤波器、石英音叉陀螺驱动音叉、放大滤波器、A/D芯片、电源模块；所述FPGA模块输出数字正弦控制信号至D/A芯片，所述D/A芯片将数字正弦控制信号转换为模拟控制信号发送至低通滤波器，所述低通滤波器滤去模拟控制信号中的高频信号并发送至石英音叉陀螺驱动音叉，使石英音叉陀螺驱动音叉振动；石英音叉陀螺驱动音叉将振动传递至放大滤波器进行放大滤波后，得到模拟反馈信号并发送至A/D芯片，A/D芯片将模拟反馈信号转换为数字反馈信号并发送至FPGA模块，FPGA模块对数字反馈信号进行调频和调幅，并发送新的数字正弦控制信号至D/A芯片，再经低通滤波器后发送至石英音叉陀螺驱动音叉，实现对石英音叉陀螺的环路控制，保证陀螺的驱动音叉始终以串联谐振频率做幅值恒定的振动。 

电源模块用于对环路控制电路进行供电。FPGA模块还与上位机通过RS422接口进行通信，FPGA模块还与EPCS芯片连接，EPCS为FPGA专用配置芯片，用于存储FPGA模块的程序数据。 

如图2所示，FPGA模块包括指令模块、频率控制器、正弦信号发生器、幅值控制器、乘法器、加法器；指令模块向频率控制器发送给定频率值，同时向幅值控制器发送给定幅值；所述频率控制模块接收给定频率值并进行调频后，发送至正弦信号发生器，正弦发生器产生幅值单位为1的正弦波sinx；幅值控制器接收给定幅值并进行调幅后输出目标幅值A；所述单位为1的正弦波与所述目标幅值经过乘法器相乘后得到Asinx发送至加法器，加法器产生偏置b,得到数字正弦控制信号Asinx+b，发送至D/A芯片，得到模拟正弦控制信号Asinx+b，经低通滤波后加入石英音叉陀螺驱动音叉的输入端；指令模块接收数字反馈信号，并将给定频率值、给定幅值和数字反馈信号发送至加法器，加法器将数字反馈信号中的实测频率与给定频率通过加法器相减，得到调频输入值e₁(k)并发送至频率控制器进行调频；正弦信号发生器接收频率控制器的调频结果并产生新的单位为1的正弦波；加法器将数字反馈信号中的实测幅值与给定幅值通过加法器相减，得到调相输入幅值e₂(k)并发送至幅值控制器进行调相，得到新的目标幅值；新的单位为1的正弦波与新的目标幅值经过乘法器相乘后发送至加法器，加法器产生偏置后得到新的数字正弦控制信号发送，发送至D/A芯片。其中,FPGA模块选用Altera公司CycloneⅢ系列FPGA芯片，A/D和D/A芯片采用TI公司的高速16位A/D和D/A芯片。 

如图3所示，正弦信号发生器包括相位累加器和正弦波查找表。利用FPGA中的RAM资源制作完成一张正弦信号查找表，采用相位累加器的输出对正弦信号查找表进行寻址，经过D/A芯片完成数模转换，再通过低通滤波器进行低通滤波后，产生频率可调的正弦波信号。因为相位累加器每个循环周期的起点和输出正弦信号每个周期的起点是对应的，所以，在FPGA内 部可以精确捕获输出正弦信号每个周期的起始时刻。相位累加器工作在100MHz的时钟下，对应的正弦信号起始时刻的捕获精度为10ns。 

如图2所示，石英音叉陀螺驱动音叉工作在谐振状态时可以等效为一电阻，模拟正弦控制信号Asinx+b经过音叉时不会产生相移，也就是说谐振状态下石英音叉陀螺驱动音叉的相移由FPGA模块内部的电路决定，假设FPGA模块内部的电路参数不发生改变，这个相移就是一定值，所以频率控制就可以转换为相移的控制。根据相移点的幅值为0，就可以将相移控制转换为电压控制。由于FPGA模块内部可以精确捕获正弦信号的起始时刻，最终基于FPGA设计思想，将频率控制转换成电压控制，通过A/D芯片采集驱动环路输出信号相移处的幅值，和0进行比较，采用增量式积分分离的PI控制器，调节正弦信号发生器的输出频率，使这一幅值始终稳定在0，从而保证陀螺工作在串联谐振频率上。 

如图2所示，经过频率控制器的调节，环路的相移一定，驱动环路输出正弦信号波峰值的相位可精确测量，通过A/D芯片采集驱动环路输出正弦信号的波峰值，和设定值进行比较，采用增量式PI控制器，控制这一波峰值稳定在设定值上。 

正弦信号发生器，利用公式（1）计算0－2∏内16384个点的正弦值， 

$X\left(n\right)=\sin (\frac{2\×\mathrm{pi}}{16384}\×n)(0\≤n\≤16383)---\left(1\right)$

使用外部参考电压为4.096V的16位DA芯片，其输出1V时对应的数字量为16000，将（1）中的X(n)乘以16000，向下取整后，以补码的形式写入文件，制作完成一张正弦真值表，将真值表写入FPGA的内部ROM中，对应的ROM组织形式为214x6=26214，即14位地址线，16位数据线。如图3，用一个相位累加器对上述ROM寻址，相位累加器的输入相位Φinc采用32bit的整数来量化，输入时钟为FPGA工作时钟14.7456MHz，输出正弦波的频率为： 

当Φinc=1时， 

$f_{\mathrm{res}}=\frac{14745600}{2^{92}}=0.0034\mathrm{Hz}---\left(3\right)$

正弦信号发生器的分辨率为0.00343Hz，受制与FPGA中ROM资源的大小，用相位累加器输出的高14位对ROM进行寻址。至此，正弦信号发生器可以输出幅度为1V，频率可调的正弦波。另外，基于图3原理产生的正弦波，相位累加器每个循环周期的起点和输出正弦信号每个周期的起点是对应的，因此，在FPGA模块内部可以捕获输出正弦信号每个周期的起始时刻。 

如图4所示，假设曲线1为石英音叉陀螺驱动音叉的输入，曲线2为谐振状态下，石英音叉陀螺驱动音叉的输出波形，两条曲线同频不同相。串联谐振状态下，曲线1和2的相位差△Φ是定值，也就是说，谐振状态下，T1时刻时曲线2对应的幅值为A1=0，从曲线1每个周期的起始时刻（T0）开始，延时T1，启动A/D采集陀螺驱动环路的输出，如果其不为0，则调节相位累加器的输入，直至输出为A1=0。调节的过程采用增量式积分分离的PI控制器，调节过程开始，误差较大，使用纯比例控制，如式(4)，当误差控制在一定范围后，引入积分控制，如式（5），使系统的稳态误差为0，式中e(k)为调节器的输入，即k时刻给定值和实际值的偏差，u(k)为k时刻调节器的输出，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，T为控制周期。 

u(k)-u(k-1)+K_p[e(k)-e(k)-1]           (1) 

$u\left(k\right)=u(k-1)+K_p\left\{\right[e\left(k\right)-e(k-1)]+\frac{T}{T_i}e\left(k\right)\}---\left(5\right)$

以特定的一支陀螺为例，其石英音叉陀螺驱动音叉谐振频率为9346.3Hz，由式(2)得出相位累加器的输入相位Φinc=2722307，此值作为相位累计器的输入，正弦信号发生器将产生一个频率为9346.3Hz的正弦波，此信号作为石英音叉陀螺驱动音叉的输入，然后设置A/D的采样频率为460800Hz，同时采集石英音叉陀螺驱动音叉的输入信号和输出信号，如图4所示，曲线1为输入正弦波，曲线2为输出正弦波。借助matlab工具，通过函数inline()和lsqcurvefit(),来拟合图4两条正弦曲线为： 

曲线1：y（t)=-sin(2π×9346.3×t+1.7)十2.5 

曲线2：y（t)=-0.37sin(2π×9346.3×t+0.9)+2.5 

所以二者的相位差ΔΦ=0.8 

进而 

$T1-T0=\frac{0.8}{2\mathrm{\π}\×9346.3}\×1000000=13.6229\left(\mathrm{us}\right)$

如图4，每个正弦周期的起始时刻T0开始，延时13.6229us（约200个FPGA工作频率周期），启动AD采集一次T1时刻的石英音叉陀螺驱动音叉的输出值A1，采集32次后，做一次平均，此值即为(4)式、(5)式中的e(k)，(4)式、(5)式的输出即为相位累加器的输入相位Φinc。因为进行32次采样后，执行一次(4)式、(5)式的计算，所以频率控制算法的执行周期为32/9346.3x1000≈3.4ms。 

图5为全温下频率控制效果图，实验过程中，先升温至60℃，然后降温至-40℃，最后升温至60℃，形成一个完整的温度循环。由图可以看出，陀螺串联谐振频率随着温度改变而改变，频率控制器的输出可以跟随陀螺的串联谐振频率。 

D/A芯片的输出范围为0－4.096V，将式（1）作如下变化: 

$X\left(n\right)=A\×\sin (\frac{2\×\mathrm{pi}}{16384}\×n)+2.5---\left(6\right)$

幅值控制器的正弦波的输出范围调节至0—4.096内，设定石英音叉陀螺驱动音叉输出正弦波的目标幅值为3.6V，如图5，也就是调节上式中A值，使T2时刻正弦波2的幅值稳定在3.6V。采用增量式积分控制算法，如式(7)，式中e(k)为调节器的输入，即k时刻给定值和实际值的偏差，u(k)为k时刻调节器的输出，Ti为积分时间常数，T为控制周期。 

$u\left(k\right)=u(k-1)+\frac{T}{T_i}k\left(e\right)---\left(7\right)$

以特定的一支陀螺为例，如图4，每个正弦周期的起始时刻T0开始，延时40.3715us（约595个FPGA工作频率周期），启动A/D采集一次T2时刻的陀螺驱动环路的输出值A2，采集64次后，做一次平均,此值与3.6V作差，即为式(7)的输入e(k)，式(7)的输出u(k)，即为式（6）中A值。因为进行64次采样后，执行一次(7)式的计算，所以幅值控制算法的执行周期为64/9346.3x1000≈6.8ms。经过若干次试验证明，在全温下幅值控制器可以使石英音叉陀螺驱动音叉在全温环境下作幅值恒定的振动。 

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。 

Claims (3)

1.一种数字式石英音叉陀螺驱动环路控制电路，其特征在于：包括FPGA模块、D/A芯片、低通滤波器、石英音叉陀螺驱动音叉、放大滤波器、A/D芯片、电源模块；所述FPGA模块输出数字正弦控制信号至D/A芯片，所述D/A芯片将数字正弦控制信号转换为模拟控制信号发送至低通滤波器，所述低通滤波器滤去模拟控制信号中的高频信号并发送至石英音叉陀螺驱动音叉，使石英音叉陀螺驱动音叉振动；石英音叉陀螺驱动音叉将振动传递至放大滤波器进行放大滤波后，得到模拟反馈信号并发送至A/D芯片，A/D芯片将模拟反馈信号转换为数字反馈信号并发送至FPGA模块，FPGA模块对数字反馈信号进行调频和调幅，并发送新的数字正弦控制信号至D/A芯片，再经低通滤波器后发送至石英音叉陀螺驱动音叉，实现对石英音叉陀螺的环路控制；所述电源模块用于对环路控制电路进行供电。

2.根据权利要求1所述的一种数字式石英音叉陀螺驱动环路控制电路，其特征在于：所述FPGA模块包括指令模块、频率控制器、正弦信号发生器、幅值控制器、乘法器、加法器；指令模块向频率控制器发送给定频率值，同时向幅值控制器发送给定幅值；所述频率控制模块接收给定频率值并进行调频后，发送至正弦信号发生器，正弦发生器产生幅值单位为1的正弦波；幅值控制器接收给定幅值并进行调幅后输出目标幅值；所述单位为1的正弦波与所述目标幅值经过乘法器相乘后发送至加法器，加法器产生偏置后得到数字正弦控制信号，发送至D/A芯片；指令模块接收数字反馈信号，并将给定频率值、给定幅值和数字反馈信号发送至加法器，加法器将数字反馈信号中的实测频率与给定频率通过加法器相减，得到调频输入值e₁(k)并发送至频率控制器进行调频；正弦信号发生器接收频率控制器的调频结果并产生新的单位为1的正弦波；加法器将数字反馈信号中的实测幅值与给定幅值通过加法器相减，得到调相输入幅值e₂(k)并发送至幅值控制器进行调相，得到新的目标幅值；新的单位为1的正弦波与新的目标幅值经过乘法器相乘后发送至加法器，加法器产生偏置后得到新的数字正弦控制信号发送，发送至D/A芯片。

3.根据权利要求1所述的一种数字式石英音叉陀螺驱动环路控制电路，其特征在于：所述FPGA模块与上位机通过RS422接口进行通信，所述FPGA模块还与EPCS芯片连接，用于存储数据。

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