CN111595313B - 一种基于离散电极的轴对称谐振陀螺参数激励方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离散电极的轴对称谐振陀螺参数激励方法，该方法包含：步骤1，提供n个间隔布置在半球谐振陀螺上的激励电极，方位设置满足：

步骤2，对激励电极施加直流偏置电压以及激励电压进行参数激励，激励电压的频率为谐振子振动信号的两倍；施加在第i个激励电极的电压为：V_i＝V_biasV₀cos2ω_λt；步骤3，调节激励电压的频率和激励电压的幅度，使激励电压和激励电压的频率达到参数激励的最小电压和谐振频率，使激励电压的幅度为谐振子参数激励下稳定边界电压的最小值。本发明通过离散电极激励，振幅最大的地方将获得最多的能量补充，此时能量补充不影响驻波方位，避免现有位置激励方式引起的驻波方位绑定现象，提高了轴对称谐振陀螺的精度和性能。

Description

一种基于离散电极的轴对称谐振陀螺参数激励方法

技术领域

本发明涉及惯性技术，具体涉及一种基于离散电极的轴对称谐振陀螺参数激励方法。

背景技术

轴对称谐振陀螺是一种高精度的新型陀螺仪表，检测角速度的基本原理为：谐振子在激励电极同频静电能量激励下，产生谐振驻波。若陀螺本体相对惯性系发生旋转，该驻波将反向进动，通过检测进动角度，即可解算出陀螺本体相对于惯性系的旋转角度。

轴对称谐振陀螺通常包含激励电极、谐振子以及检测电极三部分。激励电极用于幅度控制、正交控制和力平衡控制。当前对于幅度控制，均采用位置激励方式。此时谐振子的驻波出现绑定，进动特性不能完全表现出来，轴对称谐振陀螺理论精度、标度因子和动态范围均受到限制。

当前主流轴对称谐振陀螺均采用新体制两套件电极构型，两件套构型轴对称谐振陀螺去除了传统三件套构型中的激励罩，将激励电极和检测电极均集中到基座上，使得轴对称谐振陀螺的加工难度、成本和体积等大幅下降，但所有电极均为离散电极，现有方案均只能采用位置激励方式。

因此，需要设计一种新的激励方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种基于离散电极的轴对称谐振陀螺激励方法，通过离散电极激励，此时振幅最大的地方(即驻波方位)将获得最多的能量补充，此时能量补充不影响驻波方位，避免现有位置激励方式引起的驻波方位绑定现象，提高轴对称谐振陀螺的精度和性能。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于离散电极的轴对称谐振陀螺参数激励方法，包含：

步骤1，提供n个间隔布置在半球谐振陀螺上的激励电极，所述的激励电极的方位设置满足以下数学关系：

为第i个激励电极的角度方位，则

其中，n为正整数；

步骤2，对所述的激励电极施加直流偏置电压以及激励电压进行参数激励，以使谐振子发生参数共振；其中，激励电压的频率为谐振子振动信号的两倍；施加在第i个激励电极的电压为：V_i＝V_biasV₀cos2ω_λt，其中，V_bias为直流偏置电压，V₀为激励电压，ω_λ为激励电压的频率，t代表时间；

步骤3，调节激励电压的频率和激励电压的幅度，使激励电压和激励电压的频率达到参数激励的最小电压和谐振频率，使激励电压的幅度为谐振子参数激励下稳定边界电压的最小值。当激励电压的频率达到谐振频率时，谐振子处于理想谐振状态，需要的控制电压最小，从而减小供电压力。

较佳地，所述的步骤3包含：

步骤3.1，利用AMP电极，通过位置激励方法，将谐振子起振至设定的能量值，检测谐振子的振动信号X、Y；

步骤3.2，利用锁相环生成的参考信号对所述的振动信号X、Y进行解调，并进行低通滤波，分别得到Xc、Xs、Yc、Ys，所述的参考信号由正弦信号和余弦信号构成；

步骤3.3，通过锁相环判断信号Xs*Xc+Ys*Yc是否等于0；

如不等于0，调节激励电压的频率：断开起振信号，将锁相环生成的参考信号进行2倍频处理(为使谐振子发生参数共振，激励电压的频率为谐振子振动信号的两倍)，获得施加在激励电极上的激励电压和激励电压的频率，并重复步骤3.1～3.3；

如等于0，则说明激励电压的频率满足要求，进入下一步；

步骤3.4，调节激励电压的幅值：判断Xc²+Xs²+Yc²+Ys²是否等于设定幅值；若不等，则调节激励电压直至相等，从而实现谐振子振动的参数激励。

较佳地，所述的锁相环，能够自动调节激励电压的频率，使Xs*Xc+Ys*Yc等于0。

较佳地，所述的谐振子的振动信号X、Y通过互成45°的检测电极检测得到。

较佳地，所述的谐振子的振动信号包含幅度、频率和相位信息。

较佳地，所述的稳定边界电压的最小值是指：若激励电压小于该值，则振动总能量衰减；若激励电压大于该值，则振动总能量增加；若激励电压等于该值，则振动总能量稳定。

本发明通过设计一种基于离散电极的新型参数激励方法，实现对谐振子的振幅控制。具体来说，在方位角满足一定数学关系的多对电极上施加直流偏置以及激励电压，其中，为使谐振子发生参数共振，激励电压的频率为谐振子振动信号的两倍；幅度为谐振子参数激励下稳定边界电压的最小值，此时谐振子处于理想谐振状态，需要的控制电压最小，从而减小供电压力。通过离散电极激励，振幅最大的地方(即驻波方位)将获得最多的能量补充，此时能量补充不影响驻波方位，避免现有位置激励方式引起的驻波方位绑定现象，提高轴对称谐振陀螺的精度和性能。

附图说明

图1是离散电极的电极分布情况。

图2是参数激励频率跟踪回路示意图。

图3是参数激励下相频特性。

图4是参数激励流程图。

图5是谐振子的能量控制结果图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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做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。

本文所述的“离散电极”是指不连续分布在轴对称的半球谐振陀螺上的激励电极。

本文所述的“驱动电压”与“激励电压”含义可以互换。

本文所述的“驱动频率”与“激励电压的频率”、“激励频率”的含义可以互换。

以下结合具体实例对该发明进行说明：

设置在半球谐振陀螺(HRG)上的n个参数激励电极的位置满足以下关系(n代表参数激励电极的个数，取大于0的整数，n≥i＞0，i取整数，表示第i个)：

式中

为第i个参数激励电极的角度方位。一些实施例中，可取

如图1所示，示例了施加参数激励电压的电极及其方位，Q0、Q1为激励电极。

在离散电极上采用n个参数激励电极进行参数激励，对第i个电极的施加的电压V_i为

V_i＝V_biasV₀cos2ω_λt

其中，V_bias为直流偏置电压，V₀为激励电压，ω_λ接近如谐振子的工作频率，t代表时间。

为使激励电压和激励频率达到参数激励的最小电压和谐振频率上，在确定了电极布局和激励方式以后，激励电压V₀和激励频率ω_λ的调节过程如下：

第一步：利用图1中的AMP电极，通过位置激励方法，将谐振子起振至设定的能量值；该AMP电极用于控制谐振子的振动幅度；

第二步：利用互成45°的检测电极(HRG内设)分别得到谐振子的振动信号X，Y(包含幅度、频率和相位信息)，如图2所示，其中，锁相环PLL(Phase-Locked Loop，以下简称PLL)，用于获得参数激励所需要的频率；

第三步：利用PLL生成的参考信号对X、Y振动信号进行解调，并进行低通滤波，分别得到Xc、Xs、Yc、Ys；所述的参考信号包含余弦信号cos和正弦信号sin(频率与振动信号一致)，分别对X解调得到Xc信号、Xs信号，对Y解调得到Yc信号和Ys信号。所述的参考信号由控制系统系统生成，通过锁相环，参考信号将实现对振动信号的跟踪，使得激励电压的频率与振动信号一致；

第四步：判断信号Xs*Xc+Ys*Yc是否等于0：

若不等于0，则调节驱动频率(PLL为锁相环，能够自动调节驱动频率，使Xs*Xc+Ys*Yc等于0)，从而实现对谐振频率的跟踪。图2给出了参数激励频率跟踪回路示意图，通过PLL获得的参考信号(正弦信号和余弦信号)分别对HRG检测的振动信号X、Y进行解调，并进行低通滤波，分别得到信号Xc、Xs、Yc、Ys；通过PLL内置的逻辑判断元件判断信号Xs*Xc+Ys*Yc是否等于0；如不等于0，PLL自动调节激励电压的频率：断开起振信号，将PLL生成的参考信号进行2倍频处理(为使谐振子发生参数共振，激励电压的频率为谐振子振动信号的两倍)，获得施加在激励电极(Q0、Q1)上的激励电压和激励电压的频率，再次检测振动信号，并进行解调，直至判断Xs*Xc+Ys*Yc＝0；

图3用于示出不同激励频率下的Xs*Xc+Ys*Yc变化情况，两个曲线表明谐振子存有裂解，若无频率裂解，则只有一条曲线。当且仅当Xs*Xc+Ys*Yc＝0时，激励频率为谐振子频率。

若等于0，则说明驱动电压的频率满足要求，后续就调节驱动电压的幅值。

第五步：通过控制回路的比较单元，比较E＝Xc^2+Xs^2+Yc^2+Ys^2是否等于设定幅值E0；若不等，则调节驱动电压，从而实现谐振子振动的参数激励，如图4所示。

图5示出了谐振子的能量控制结果图，激励电压不够时振动将衰减(图中的a)，电压超过时振幅将增长(图中的c)，利用这种原理使驱动电压满足参数激励要求(图中的b，振幅稳定)。

当谐振子实现参数激励后，此时谐振子的振动驻波能够在惯性空间里自由进动，此时陀螺仪的精度、标度因子线性度和动态范围均将获得大幅提升。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种基于离散电极的轴对称谐振陀螺参数激励方法，其特征在于，该方法包含：

步骤1，提供n个间隔布置在半球谐振陀螺上的激励电极，所述的激励电极的方位设置满足以下数学关系：

为第i个激励电极的角度方位，则

其中，n为正整数；

步骤2，对所述的激励电极施加直流偏置电压以及激励电压进行参数激励，以使谐振子发生参数共振；其中，激励电压的频率为谐振子振动信号的两倍；施加在第i个激励电极的电压为：V_i＝V_biasV₀cos2ω_λt，其中，V_bias为直流偏置电压，V₀为激励电压，ω_λ为激励电压的频率，t代表时间；

步骤3，调节激励电压的频率和激励电压的幅度，使激励电压和激励电压的频率达到参数激励的最小电压和谐振频率，使激励电压的幅度为谐振子参数激励下稳定边界电压的最小值；所述的稳定边界电压的最小值是指：若激励电压小于该最小值，则振动总能量衰减；若激励电压大于该最小值，则振动总能量增加；若激励电压等于该最小值，则振动总能量稳定。

2.如权利要求1所述的基于离散电极的轴对称谐振陀螺参数激励方法，其特征在于，所述的步骤3包含：

步骤3.1，利用AMP电极，通过位置激励方法，将谐振子起振至设定的能量值，检测谐振子的振动信号X、Y；

步骤3.2，利用锁相环生成的参考信号对所述的振动信号X、Y进行解调，并进行低通滤波，其中，对振动信号X解调得到Xc信号、Xs信号，对振动信号Y解调得到Yc信号和Ys信号，所述的参考信号由正弦信号和余弦信号构成；

步骤3.3，通过锁相环判断信号Xs*Xc+Ys*Yc是否等于0；

如不等于0，调节激励电压的频率：断开起振信号，将锁相环生成的参考信号进行2倍频处理，获得施加在激励电极上的激励电压和激励电压的频率，并重复步骤3.1～3.3；

如等于0，则说明激励电压的频率满足要求，进入下一步；

步骤3.4，调节激励电压的幅值：判断Xc²+Xs²+Yc²+Ys²是否等于设定幅值；若不等，则调节激励电压直至相等，从而实现谐振子振动的参数激励。

3.如权利要求2所述的基于离散电极的轴对称谐振陀螺参数激励方法，其特征在于，所述的锁相环，能够自动调节激励电压的频率，使Xs*Xc+Ys*Yc等于0。

4.如权利要求2所述的基于离散电极的轴对称谐振陀螺参数激励方法，其特征在于，所述的谐振子的振动信号X、Y通过互成45°的检测电极检测得到。

5.如权利要求4所述的基于离散电极的轴对称谐振陀螺参数激励方法，其特征在于，所述的谐振子的振动信号包含幅度、频率和相位信息。

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