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一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统及控制方法

阅读：687发布：2024-02-28

专利汇可以提供一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统及控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统及控制方法，属于惯性仪表控制技术领域，该控制系统及控制方法应用于半球谐振陀螺仪力反馈工作模式中，是半球谐振陀螺仪控制方法的一种实现方式。使用本发明方法设计的半球谐振陀螺力反馈回路能够实现半球谐振陀螺工作频率的同步跟踪，陀螺波节信号的幅度和相位解调，反馈控制信号的高压信号调制；同时，不用更改控制器构型，只需修改控制器参数就可以适应半球谐振陀螺的不同环境应用要求。，下面是一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统及控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统，其特征在于：该控制系统包括微弱信号检测模块(100)、信号预处理模块(200)、波节信号幅度解调模块(300)、频率同步跟踪模块(400)、控制器(500)、反馈信号调制模块(600)和驱动信号高压转换模块(700)；
所述的微弱信号检测模块(100)用于检测半球谐振子的微振动形变，然后将检测出的半球谐振子的微振动形变转化为电压信号，再将电压信号输出给信号预处理模块(200)；
所述的信号预处理模块(200)是将接收到的微弱信号检测模块(100)的电压信号进行滤波处理，经过滤波处理后的电压信号一部分输出给波节信号幅度解调模块(300)，另一部分输出给频率同步跟踪模块(400)；
所述的频率同步跟踪模块(400)对接收到的信号预处理模块(200)滤波处理后的电压信号进行同步跟踪，产生开关控制信号和与信号预处理模块(200)滤波处理的信号同频率、相位滞后90°的交流电压信号，所产生的开关控制信号输出给波节信号幅度解调模块(300)，所产生的与信号预处理模块(200)滤波处理的信号同频率、相位滞后90°的交流电压信号输出给反馈信号调制模块(600)；
所述的波节信号幅度解调模块(300)根据接收到的开关控制信号对接收到的经过滤波处理后的交流电压信号进行幅值解调，输出幅值电压信号给控制器(500)；
所述的控制器(500)对接收到的幅值电压信号进行校正，并将校正后的幅值电压信号输出给反馈信号调制模块(600)；
所述的反馈信号调制模块(600)根据接收到的校正后的幅值电压信号对接收到的交流电压信号进行乘法调制，得到调制后的交流信号，然后输出给驱动信号高压转换模块(700)；
所述的驱动信号高压转换模块(700)对接收到的调制后的交流信号进行交流放大，交流放大后的信号输出到半球谐振子的激励电极。
2.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统，其特征在于：所述的微弱信号检测模块(100)包括两组电路，该两组电路的结构组成相同，其中一组电路包括检测电极CS100、电阻R100和运算放大器OP100；检测电极CS100的一端接地，检测电极CS100的另一端接到运算放大器OP100的正输入端；电阻R100一端接到运算放大器OP100的正输入端，电阻R100另一端接地；运算放大器OP100的负输入端与运算放大器OP100的输出端连接，该组电路的运算放大器OP100的输出端作为该组电路的输出端口V1输出信号V1；另一组电路包括检测电极CS100’、电阻R100’和运算放大器OP100’；检测电极CS100’的一端接地，检测电极CS100’的另一端接到运算放大器OP100’的正输入端；电阻R100’一端接到运算放大器OP100’的正输入端，电阻R100’另一端接地；运算放大器OP100’的负输入端与运算放大器OP100’的输出端连接，该组电路的运算放大器OP100’的输出端作为该组电路的输出端口V2输出信号V2。
3.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统，其特征在于：所述的信号预处理模块(200)包括电阻R200、电阻R201、电阻R202、电阻R203、电阻R204、电阻R205、电阻R206、电阻R207、电容C200、电容C201、运算放大器OP200和运算放大器OP201；电阻R200的一端与微弱信号检测模块(100)的电路的输出端口V1连接，电阻R200的另一端与电阻R203的一端、运算放大器OP200的负输入端连接，电阻R203的另一端与运算放大器OP200的输出端、电阻R204的一端连接；电阻R201的一端与微弱信号检测模块(100)的电路的输出端口V2连接，电阻R201的另一端与电阻R202的一端、运算放大器OP200的正输入端连接，电阻R202的另一端接地；电阻R204的另一端与电容C200的一端、电容C201的一端、电阻R206的一端连接，电阻R206的另一端接地，电容C200的另一端与运算放大器OP201的负输入端、电阻R205的一端连接，电容C201的另一端与电阻R205的另一端、运算放大器OP201的输出端连接，且运算放大器OP201的输出端作为该信号预处理模块(200)的输出端V3输出信号V3；运算放大器OP201的正输入端与电阻R207的一端连接，电阻R207的另一端接地。
4.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统，其特征在于：所述的波节信号幅度解调模块(300)包括电阻R300、电阻R301、电阻R302、电阻R303、电容C300、运算放大器OP300和模拟开关SW300；电阻R300的一端与信号预处理模块(200)的输出端V3连接，电阻R300的另一端与电阻R301的一端、运算放大器OP300的负输入端连接，电阻R301的另一端与运算放大器OP300的输出端、模拟开关SW300的第二通道ch2连接，运算放大器OP300的正输入端与电阻R302的一端连接，电阻R302的另一端接地；模拟开关SW300的第一通道ch1与信号预处理模块(200)的输出端V3连接，模拟开关SW300的第一通道ch1的通断由控制信号SWCH1进行控制，模拟开关SW300的第二通道ch2的通断由控制信号SWCH2进行控制；模拟开关SW300的第一通道ch1的输出端和模拟开关SW300的第二通道ch2的输出端均与电阻R303的一端连接，电阻R303的另一端与电容C300的一端连接，电容C300的另一端接地，电阻R303的另一端作为波节信号幅度解调模块(300)的输出端V4输出信号V4。
5.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统，其特征在于：所述的频率同步跟踪模块(400)包括过零比较器401、鉴频鉴相器402、比例计数器403、积分计数器
404、第一全加器405、寄存器406、第二全加器407、查找表408、数模转换409；过零比较器401接收信号预处理模块(200)的输出的V3信号，对接收到的V3信号进行过零比较，产生方波信号，然后将方波信号输出到鉴频鉴相器402；鉴频鉴相器402接收过零比较器401输出的方波信号A和寄存器406输出的方波信号B，并对方波信号A和方波信号B鉴频鉴相，产生方波信号A和方波信号B之间的相位脉宽信号C，相位脉宽信号C分别输出到比例计数器403和积分计数器404；比例计数器403对相位脉宽信号C进行周期计数，产生周期计数值NP，并输出到第一全加器405；积分计数器404对相位脉宽信号C进行持续累加计数，产生累加计数值NI，并输出到第一全加器405；第一全加器405对NP、NI相加，产生第一全加和N1，并输出到第二全加器407；第二全加器407对第一全加和N1、寄存器406输出值和半球谐振陀螺工作频率设定值相加，产生第二全加和N2，并输出到寄存器406，同时第二全加和N2作为累加相位输出到查找表408；寄存器406对接收到的第二全加和N2进行缓存，将缓存后的N2作为寄存器406输出值输出到第二全加器407，同时将缓存后的N2值的最高位作为反馈信号即方波信号B输出到鉴频鉴相器402；查找表408根据累加相位产生模拟开关SW300的第一通道ch1的通断控制信号SWCH1和模拟开关SW300的第二通道ch2的通断控制信号SWCH2，同时查找表408根据累加相位对查表获得的数据通过数模转换409进行数模转换后作为输出端输出交流信号V6。
6.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统，其特征在于：所述的控制器(500)包括电阻R500、电阻R501、电阻R502、电容C500、电容C501、运算放大器OP500；
电阻R500的一端连接波节信号幅度解调模块(300)的输出端V4，电阻R500的另一端与电阻R501的一端、电容C500的一端、运算放大器OP500的负输入端连接，电阻R501的另一端、电容C500的另一端均与电容C501的一端连接，电容C501的另一端与运算放大器OP500的输出端连接，电容C501的另一端作为控制器(500)输出端V5输出信号V5；运算放大器OP500的正输入端与电阻R502的一端连接，电阻R502的另一端接地。
7.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统，其特征在于：所述的反馈信号调制模块(600)对接收到的信号V5和V6进行相乘后通过输出端V7输出信号V7。
8.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统，其特征在于：所述的驱动信号高压转换模块(700)包括电阻R700、电阻R701、电阻R702、电阻R703、电阻R704、电阻R705、电容C700、运算放大器OP700和三极管Q700；电阻R700的一端与反馈信号调制模块(600)的输出端V7连接，电阻R700的另一端与运算放大器OP700的负输入端、电阻R702的一端连接，电阻R701的一端接地，电阻R701的另一端与运算放大器OP700的负输入端连接，电阻R702的另一端与运算放大器OP700的输出端、电容C700的一端连接，电容C700的另一端与电阻R703、三极管Q700的基极连接，电阻R703的另一端与电阻R704的一端、高压电源HV连接，电阻R704的另一端与、电阻R705的一端和三极管Q700的集电极连接，电阻R705的另一端作为输出端V8输出信号V8；，三极管Q700的发射极接地。
9.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统，其特征在于：所述的控制器(500)为带有积分环节的校正控制器。
10.一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)采用微弱信号检测模块(100)对半球谐振陀螺的半球谐振子的振动状态进行检测，然后将半球谐振子的振动状态转化为交流电压信号，并将转化后的交流电压信号输出给信号预处理模块(200)；
(2)信号预处理模块(200)对微弱信号检测模块(100)输出的交流电压信号进行滤波处理，经过滤波处理后的电压信号一部分输出给波节信号幅度解调模块(300)，另一部分输出给频率同步跟踪模块(400)；
(3)频率同步跟踪模块(400)对接收到的信号预处理模块(200)滤波处理后的交流电压信号进行同步跟踪，产生开关控制信号和与信号预处理模块(200)滤波处理的信号同频率、相位滞后90°的交流电压信号，所产生的开关控制信号输出给波节信号幅度解调模块(300)，所产生的与信号预处理模块(200)滤波处理的信号同频率、相位滞后90°的交流电压信号输出给反馈信号调制模块(600)；
(4)波节信号幅度解调模块(300)根据接收到的开关控制信号对接收到的经过滤波处理后的电压信号进行幅值解调，输出幅值电压信号给控制器(500)；
(5)控制器(500)对接收到的幅值电压信号进行校正，并将校正后的幅值电压信号输出给反馈信号调制模块(600)；所述的控制器(500)为带有积分环节的校正控制器；
(6)反馈信号调制模块(600)根据接收到的校正后的幅值电压信号对接收到的交流电压信号进行乘法调制，得到调制后的交流信号，然后输出给驱动信号高压转换模块(700)；
(7)驱动信号高压转换模块(700)对接收到的调制后的交流信号进行交流放大，交流放大后的信号输出到半球谐振子的激励电极上；
(8)半球谐振子在激励电极的作用下完成半球谐振子力反馈控制，使半球谐振子的谐振驻波处于平衡零位。

说明书全文

一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统及控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统及控制方法，属于惯性仪表控制技术领域，该控制系统及控制方法应用于半球谐振陀螺仪力反馈工作模式中，是半球谐振陀螺仪控制方法的一种实现方式。

背景技术

[0002] 惯性仪表是宇航飞行器控制系统中重要的部件之一，用于测量宇航飞行器的姿态信息。半球谐振陀螺仪是一种具有长寿命、高可靠性、抗辐射的新型固态振动陀螺，是宇航飞行器控制系统中惯性测量部件中的重要的选择之一。美国在上世纪六十年代率先开始进行半球谐振陀螺仪的研制，俄罗斯和法国等国也逐步开始半球谐振陀螺仪的研制，经过近半个世纪的发展，半球谐振陀螺技术不断提高，并且已经大面积应用在武器、飞机、钻井和宇航飞行器等领域中，已经成为重要的惯性姿态敏感器。目前半球谐振陀螺仪在空间领域已正常运行2500万小时，成功率100％，无一失效。国内对半球谐振陀螺技术的研究起步较晚，于上世纪八十年代后期开始研究半球谐振陀螺，前期也取得了一定阶段性的研究成果，并研制出了原理样机。但是受到当时外界环境因素的影响，国内对半球谐振陀螺的研制投入逐步减弱，半球谐振陀螺技术在国内的发展也就进展缓慢。随着国外在半球谐振陀螺仪技术上的成熟，并历经成功的应用飞行经历，半球谐振技术重新得到国内各科研院所的重视。航天502所和中电26所一直持续跟踪半球谐振陀螺技术的发展，并开展半球谐振陀螺仪的研制，目前研制的半球谐振陀螺仪已成功应用到武器和宇航飞行器中。2002年我国发射的实践九号实验卫星搭载3个半球谐振陀螺，卫星实验寿命期间半球谐振陀螺工作正常，完成国产半球谐振陀螺的首次空间应用。

[0003] 目前国内对半球谐振陀螺控制电路的实现上大多采用模拟电路实现，这种实现方式不利于半球谐振陀螺仪性能的提高。半球陀螺中的石英谐振子对外界温度比较敏感，外界温度的变化会使半球谐振子的谐振频率发生漂移；模拟电路对这种变化的适应性较差，会造成半球谐振陀螺的随机漂移稳定性变差。模拟力反馈控制电路对石英谐振子的谐振频率漂移无法同步跟踪，导致波节幅度解调不稳定，影响力反馈控制回路的控制精度和效果。

发明内容

[0004] 本发明的技术解决的问题：克服现有模拟力反馈控制回路对外界温度适应性较差的问题，提供了一种能适应半球谐振陀螺外界环境温度变化对半球谐振陀螺仪影响的力反馈控制方法，特别是一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统及控制方法，该方法及系统能够保证力反馈控制回路的控制精度和半球谐振陀螺性能的稳定。

[0005] 本发明的技术解决方案：

[0006] 一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统，该控制系统包括微弱信号检测模块、信号预处理模块、波节信号幅度解调模块、频率同步跟踪模块、控制器、反馈信号调制模块和驱动信号高压转换模块；

[0007] 所述的微弱信号检测模块是利用电容检测的技术将半球谐振子的微振动运动检测出来，然后将半球谐振子的微振动形变转化为电压信号，再将电压信号输出给信号预处理模块；

[0008] 所述的信号预处理模块是将微弱信号检测模块拾取到反映半球谐振子振动情况的电压信号进行滤波处理，滤除半球谐振子谐振频率以外的干扰信号，提升力反馈控制回路中信号的信噪比，该信号预处理模块需要保证滤波的过程中保证信号有较小的信号相移；经过滤波处理后的电压信号一部分输出给波节信号幅度解调模块，另一部分输出给频率同步跟踪模块；

[0009] 所述的频率同步跟踪模块对接收到的信号预处理模块滤波处理后的电压信号进行同步跟踪，产生开关控制信号和与信号预处理模块滤波处理的信号同频率、相位滞后90°的交流电压信号，所产生的开关控制信号输出给波节信号幅度解调模块，所产生的与信号预处理模块滤波处理的信号同频率、相位滞后90°的交流电压信号输出给反馈信号调制模块；

[0010] 所述的波节信号幅度解调模块根据接收到的开关控制信号对接收到的经过滤波处理后的电压信号进行幅值解调，输出幅值电压信号给控制器；

[0011] 所述的控制器对接收到的幅值电压信号进行校正，并将校正后的幅值电压信号输出给反馈信号调制模块；所述的控制器为带有积分环节的校正控制器；

[0012] 所述的反馈信号调制模块根据接收到的校正后的幅值电压信号对接收到的交流电压信号进行乘法调制，得到调制后的交流信号，然后输出给驱动信号高压转换模块；

[0013] 所述的驱动信号高压转换模块对接收到的调制后的交流信号进行交流放大，交流放大后的信号输出到半球谐振子的激励电极；半球谐振子在激励电极的作用下完成半球谐振子力反馈控制，使半球谐振子的谐振驻波处于平衡零位；

[0014] 所述的微弱信号检测模块包括两组电路，该两组电路的结构组成相同，其中一组电路包括检测电极CS100、电阻R100和运算放大器OP100；检测电极CS100的一端接地，检测电极CS100的另一端接到运算放大器OP100的正输入端；电阻R100一端接到运算放大器OP100的正输入端，电阻R100另一端接地；运算放大器OP100的负输入端与运算放大器OP100的输出端连接，该组电路的运算放大器OP100的输出端作为该组电路的输出端口V1输出信号V1；另一组电路包括检测电极CS100’、电阻R100’和运算放大器OP100’；检测电极CS100’的一端接地，检测电极CS100’的另一端接到运算放大器OP100’的正输入端；电阻R100’一端接到运算放大器OP100’的正输入端，电阻R100’另一端接地；运算放大器OP100’的负输入端与运算放大器OP100’的输出端连接，该组电路的运算放大器OP100’的输出端作为该组电路的输出端口V2输出信号V2；

[0015] 所述的信号预处理模块包括电阻R200、电阻R201、电阻R202、电阻R203、电阻R204、电阻R205、电阻R206、电阻R207、电容C200、电容C201、运算放大器OP200和运算放大器OP201；电阻R200的一端与微弱信号检测模块的电路的输出端口V1连接，电阻R200的另一端与电阻R203的一端、运算放大器OP200的负输入端连接，电阻R203的另一端与运算放大器OP200的输出端、电阻R204的一端连接；电阻R201的一端与微弱信号检测模块的电路的输出端口V2连接，电阻R201的另一端与电阻R202的一端、运算放大器OP200的正输入端连接，电阻R202的另一端接地；电阻R204的另一端与电容C200的一端、电容C201的一端、电阻R206的一端连接，电阻R206的另一端接地，电容C200的另一端与运算放大器OP201的负输入端、电阻R205的一端连接，电容C201的另一端与电阻R205的另一端、运算放大器OP201的输出端连接，且运算放大器OP201的输出端作为该信号预处理模块(200)的输出端V3输出信号V3；运算放大器OP201的正输入端与电阻R207的一端连接，电阻R207的另一端接地；

[0016] 所述的波节信号幅度解调模块包括电阻R300、电阻R301、电阻R302、电阻R303、电容C300、运算放大器OP300和模拟开关SW300；电阻R300的一端与信号预处理模块的输出端V3连接，电阻R300的另一端与电阻R301的一端、运算放大器OP300的负输入端连接，电阻R301的另一端与运算放大器OP300的输出端、模拟开关SW300的第二通道ch2连接，运算放大器OP300的正输入端与电阻R302的一端连接，电阻R302的另一端接地；模拟开关SW300的第一通道ch1与信号预处理模块的输出端V3连接，模拟开关SW300的第一通道ch1的通断由控制信号SWCH1进行控制，模拟开关SW300的第二通道ch2的通断由控制信号SWCH2进行控制；模拟开关SW300的第一通道ch1的输出端和模拟开关SW300的第二通道ch2的输出端均与电阻R303的一端连接，电阻R303的另一端与电容C300的一端连接，电容C300的另一端接地，电阻R303的另一端作为波节信号幅度解调模块的输出端V4输出信号V4；

[0017] 所述的频率同步跟踪模块包括过零比较器401、鉴频鉴相器402、比例计数器403、积分计数器404、第一全加器405、寄存器406、第二全加器407、查找表(LUT)408、数模转换(DA)409；过零比较器401接收信号预处理模块的输出的V3信号，对接收到的V3信号进行过零比较，产生方波信号，然后将方波信号输出到鉴频鉴相器402；鉴频鉴相器402接收过零比较器401输出的方波信号A和寄存器406输出的方波信号B，并对方波信号A和方波信号B鉴频鉴相，产生方波信号A和方波信号B之间的相位脉宽信号C，相位脉宽信号C分别输出到比例计数器403和积分计数器404；比例计数器403对相位脉宽信号C进行周期计数，产生周期计数值NP，并输出到第一全加器405；积分计数器404对相位脉宽信号C进行持续累加计数，产生累加计数值NI，并输出到第一全加器405；第一全加器405对NP、NI相加，产生第一全加和N1，并输出到第二全加器407；第二全加器407对第一全加和N1、寄存器406输出值和半球谐振陀螺工作频率设定值相加，产生第二全加和N2，并输出到寄存器406，同时第二全加和N2作为累加相位输出到查找表(LUT)408；寄存器406对接收到的第二全加和N2进行缓存，将缓存后的N2作为寄存器406输出值输出到第二全加器407，同时将缓存后的N2值的最高位作为反馈信号即方波信号B输出到鉴频鉴相器402；查找表(LUT)408根据累加相位产生模拟开关SW300的第一通道ch1的通断控制信号SWCH1和模拟开关SW300的第二通道ch2的通断控制信号SWCH2，同时查找表(LUT)408根据累加相位对查表获得的数据通过数模转换(DA)409进行数模转换后作为输出端输出交流信号V6。

[0018] 所述的控制器包括电阻R500、电阻R501、电阻R502、电容C500、电容C501、运算放大器OP500；电阻R500的一端连接波节信号幅度解调模块的输出端V4，电阻R500的另一端与电阻R501的一端、电容C500的一端、运算放大器OP500的负输入端连接，电阻R501的另一端、电容C500的另一端均与电容C501的一端连接，电容C501的另一端与运算放大器OP500的输出端连接，电容C501的另一端作为控制器输出端V5输出信号V5；运算放大器OP500的正输入端与电阻R502的一端连接，电阻R502的另一端接地；

[0019] 所述的反馈信号调制模块对接收到的信号V5和V6进行相乘后通过输出端V7输出信号V7；

[0020] 所述的驱动信号高压转换模块包括电阻R700、电阻R701、电阻R702、电阻R703、电阻R704、电阻R705、电容C700、运算放大器OP700和三极管Q700；电阻R700的一端与反馈信号调制模块的输出端V7连接，电阻R700的另一端与运算放大器OP700的负输入端、电阻R702的一端连接，电阻R701的一端接地，电阻R701的另一端与运算放大器OP700的负输入端连接，电阻R702的另一端与运算放大器OP700的输出端、电容C700的一端连接，电容C700的另一端与电阻R703、三极管Q700的基极连接，电阻R703的另一端与电阻R704的一端、高压电源HV连接，电阻R704的另一端与、电阻R705的一端和三极管Q700的集电极连接，电阻R705的另一端作为输出端V8输出信号V8；，三极管Q700的发射极接地。

[0021] 一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制方法，该方法的步骤包括：

[0022] (1)采用微弱信号检测模块对半球谐振陀螺的半球谐振子的振动状态进行检测，然后将半球谐振子的振动状态转化为交流电压信号，并将转化后的交流电压信号输出给信号预处理模块；

[0023] (2)信号预处理模块对微弱信号检测模块输出的交流电压信号进行滤波处理，滤除半球谐振子谐振频率以外的干扰信号，提升力反馈控制回路中信号的信噪比，经过滤波处理后的电压信号一部分输出给波节信号幅度解调模块，另一部分输出给频率同步跟踪模块；

[0024] (3)频率同步跟踪模块对接收到的信号预处理模块滤波处理后的交流电压信号进行同步跟踪，产生开关控制信号和与信号预处理模块滤波处理的信号同频率、相位滞后90°的交流电压信号，所产生的开关控制信号输出给波节信号幅度解调模块，所产生的与信号预处理模块滤波处理的信号同频率、相位滞后90°的交流电压信号输出给反馈信号调制模块；

[0025] (4)波节信号幅度解调模块根据接收到的开关控制信号对接收到的经过滤波处理后的电压信号进行幅值解调，输出幅值电压信号给控制器；

[0026] (5)控制器对接收到的幅值电压信号进行校正，并将校正后的幅值电压信号输出给反馈信号调制模块；所述的控制器为带有积分环节的校正控制器；

[0027] (6)反馈信号调制模块根据接收到的校正后的幅值电压信号对接收到的交流电压信号进行乘法调制，得到调制后的交流信号，然后输出给驱动信号高压转换模块；

[0028] (7)驱动信号高压转换模块对接收到的调制后的交流信号进行交流放大，交流放大后的信号输出半球谐振子的激励电极；

[0029] (8)半球谐振子在激励电极的作用下完成半球谐振子力反馈控制，使半球谐振子的谐振驻波处于平衡零位。

[0030] 有益效果

[0031] (1)本发明的一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统及控制方法能够有效解决外界环境温度变化对半球谐振子测量性能的影响，提高了半球谐振陀螺仪的测量精度，保证半球谐振陀螺仪在温度变化的环境下性能的稳定；

[0032] (2)一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统及控制方法中的频率同步跟踪模块采用全数字锁相环技术和直接频率合成技术实现了对半球谐振陀螺仪半球谐振子谐振频率的高精度动态跟踪，使得半球谐振子的谐振频率在外界环境温度变化时频率同步跟踪模块产生的交流电压信号与谐振子振动频率完全同步、相位精确滞后90°；

[0033] (3)一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统及控制方法中的波节信号幅度解调模块采用开关解调的方法实现波节信号幅值的解调，这种方法实现简单，精度相对较高。

[0034] (4)一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统及控制方法中的控制器采用带积分环节的校正器设计，可以使力反馈控制系统削除静态偏差，获得较好的测量性能。

[0035] (5)一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统及控制方法中的驱动信号高压转换模块采用高压放大方法实现反馈控制信号的幅值放大，从而获得较大的静电力，提高力反馈控制系统的响应带宽和半球谐振陀螺仪的测速范围。

[0036] (6)半球谐振陀螺仪(HRG)是一种具有高精度、长寿命、高可靠性的新型固态振动陀螺。半球谐振陀螺敏感元件为酒杯状半球形谐振子，基本工作原理是半球谐振子绕中心轴旋转时产生的哥氏效应，使其振型在环向相对壳体进动的物理机制。半球谐振陀螺工作可以工作于两种不同的模式，全角模式和力反馈模式。在这两种模式下，控制电路必须使陀螺谐振子产生幅度稳定的驻波，同时自同步陀螺谐振子工作频率。在力反馈模式中，相对全角模式要增加一个力反馈控制回路，将谐振子的振型固定在某一位置。当谐振子敏感到外界角速度产生振型进动时，力反馈控制回路检测振型的进动量，通过施加相应的控制量将其拉回到原位置。同时控制量表征外界角速度大小，将控制量作为输出从而完成角速度测量。使用本发明方法设计的半球谐振陀螺力反馈回路能够实现半球谐振陀螺工作频率的同步跟踪，陀螺波节信号的幅度和相位解调，反馈控制信号的高压信号调制；同时，不用更改控制器构型，只需修改控制器参数就可以适应半球谐振陀螺的的不同环境应用要求。

[0037] (7)微弱信号检测模块将微弱的振动运动通过电容检测的方法拾取出来，将等效电容板上的电荷量转换成电压量。

[0038] (8)信号预处理模块将微弱信号检测部分检测到的信号进行滤波处理，保证经过信号预处理后，信号中干扰信号较少，实现信号的滤波净化处理。

[0039] (9)波节信号幅度解调模块将信号预处理后的波节信号进行幅值解调处理，从波节信号中解算出信号的幅值，用于回路的反馈校正运算。

[0040] (10)频率同步跟踪模块用于同步跟踪半球谐振陀螺谐振子的谐振频率；产生波节信号幅度解调模块的控制信号；生成反馈信号调制模块的调制信号。

[0041] (11)控制器以波节信号幅度解调后的幅值作为输入，根据半球谐振陀螺仪的应用条件要求，产生反馈控制量和陀螺测量输出。

[0042] (12)反馈信号调制模块采用频率同步跟踪模块生成的与半球谐振子同频率、相位滞后90°的调制信号与控制器生成的控制量进行乘法调制，产生用于反馈控制的控制信号。

[0043] (13)驱动信号高压转换模块将反馈信号调制模块产生的反馈控制信号进行高压变化，实现反馈控制信号的交流幅值和直流分量的增加，以至于能够产生较大的反馈控制力作用到半球谐振子上。

[0044] (14)本发明方法包含的微弱信号检测模块、信号预处理模块、波节信号幅度解调模块、频率同步跟踪模块、控制器、反馈信号调制模块和驱动信号高压转换模块之间相互配合，密不可分，协同工作。附图说明

[0045] 图1为本发明的系统组成示意图；

[0046] 图2(a)为本发明的微弱信号检测模块中的一组电路的组成示意图；

[0047] 图2(b)为本发明的微弱信号检测模块中的另一组电路的组成示意图；

[0048] 图3为本发明的信号预处理模块的组成示意图；

[0049] 图4为本发明的波节信号幅度解调模块的组成示意图；

[0050] 图5为本发明的频率同步跟踪模块的组成示意图；

[0051] 图6为本发明的控制器的组成示意图；

[0052] 图7为本发明的反馈信号解调模块的组成示意图；

[0053] 图8为本发明的驱动信号高压转换模块的组成示意图；

[0054] 图9为本发明的实施例中各模块端口信号示意图。

[0055] 图10为本发明实施例中频率同步跟踪模块中各模块间信号示意图。

具体实施方式

[0056] 本发明的半球谐振陀螺力反馈控制方法构成总框图如图1所示，包括微弱信号检测模块100，信号预处理模块200，波节信号幅度解调模块300，频率同步跟踪模块400，控制器500，反馈信号调制模块600和驱动信号高压转换模块700。

[0057] 微弱信号检测模块100组成如图2(a)、2(b)所示，微弱信号检测模块包括两组电路，该两组电路的结构组成相同，其中一组电路包括检测电极CS100、电阻R100和运算放大器OP100；检测电极CS100的一端接地，检测电极CS100的另一端接到运算放大器OP100的正输入端；电阻R100一端接到运算放大器OP100的正输入端，电阻R100另一端接地；该组电路的运算放大器OP100的输出端作为该组电路的输出端口V1输出信号V1；另一组电路包括检测电极CS100’、电阻R100’和运算放大器OP100’；检测电极CS100’的一端接地，检测电极CS100’的另一端接到运算放大器OP100’的正输入端；电阻R100’一端接到运算放大器OP100’的正输入端，电阻R100’另一端接地；该组电路的运算放大器OP100’的输出端作为该组电路的输出端口V2输出信号V2；

[0058] 信号预处理模块200组成如图3所示，信号预处理模块包括电阻R200、电阻R201、电阻R202、电阻R203、电阻R204、电阻R205、电阻R206、电阻R207、电容C200、电容C201、运算放大器OP200和运算放大器OP201；电阻R200的一端与微弱信号检测模块的电路的输出端口V1连接，电阻R200的另一端与电阻R203的一端、运算放大器OP200的负输入端连接，电阻R203的另一端与运算放大器OP200的输出端、电阻R204的一端连接；电阻R201的一端与微弱信号检测模块的电路的输出端口V2连接，电阻R201的另一端与电阻R202的一端、运算放大器OP200的正输入端连接，电阻R202的另一端接地；电阻R204的另一端与电容C200的一端、电容C201的一端、电阻R206的一端连接，电阻R206的另一端接地，电容C200的另一端与运算放大器OP201的负输入端、电阻R205的一端连接，电容C201的另一端与电阻R205的另一端、运算放大器OP201的输出端连接，且运算放大器OP201的输出端作为该信号预处理模块(200)的输出端V3输出信号V3；运算放大器OP201的正输入端与电阻R207的一端连接，电阻R207的另一端接地；

[0059] 本模块的作用是将差分信号转换为单端信号，再进行带通滤波，滤除除谐振子同频率外的干扰信号。

[0060] 波节信号幅度解调模块300组成如图4所示，是用于解调波节电压信号的幅值。波节信号幅度解调模块包括电阻R300、电阻R301、电阻R302、电阻R303、电容C300、运算放大器OP300和模拟开关SW300；电阻R300的一端与信号预处理模块的输出端V3连接，电阻R300的另一端与电阻R301的一端、运算放大器OP300的负输入端连接，电阻R301的另一端与运算放大器OP300的输出端、模拟开关SW300的第二通道ch2连接，运算放大器OP300的正输入端与电阻R302的一端连接，电阻R302的另一端接地；模拟开关SW300的第一通道ch1与信号预处理模块的输出端V3连接，模拟开关SW300的第一通道ch1的通断由控制信号SWCH1进行控制，模拟开关SW300的第二通道ch2的通断由控制信号SWCH2进行控制；模拟开关SW300的第一通道ch1的输出端和模拟开关SW300的第二通道ch2的输出端均与电阻R303的一端连接，电阻R303的另一端与电容C300的一端连接，电容C300的另一端接地，电阻R303的另一端作为波节信号幅度解调模块的输出端V4输出信号V4；

[0061] 频率同步跟踪模块400的组成如图5所示，频率同步跟踪模块包括过零比较器401、鉴频鉴相器402、比例计数器403、积分计数器404、第一全加器405、寄存器406、第二全加器407、查找表(LUT)408、数模转换(DA)409；过零比较器401接收信号预处理模块的输出的V3信号，对接收到的V3信号进行过零比较，产生方波信号，然后将方波信号输出到鉴频鉴相器
402；鉴频鉴相器402接收过零比较器401输出的方波信号A和寄存器406输出的方波信号B，并对方波信号A和方波信号B鉴频鉴相，产生方波信号A和方波信号B之间的相位脉宽信号C，相位脉宽信号C分别输出到比例计数器403和积分计数器404；比例计数器403对相位脉宽信号C进行周期计数，产生周期计数值NP，并输出到第一全加器405；积分计数器404对相位脉宽信号C进行持续累加计数，产生累加计数值NI，并输出到第一全加器405；第一全加器405对NP、NI相加，产生第一全加和N1，并输出到第二全加器407；第二全加器407对第一全加和N1、寄存器406输出值和半球谐振陀螺工作频率设定值相加，产生第二全加和N2，并输出到寄存器406，同时第二全加和N2作为累加相位输出到查找表(LUT)408；寄存器406对接收到的第二全加和N2进行缓存，将缓存后的N2作为寄存器406输出值输出到第二全加器407，同时将缓存后的N2值的最高位作为反馈信号即方波信号B输出到鉴频鉴相器402；查找表(LUT)408根据累加相位产生模拟开关SW300的第一通道ch1的通断控制信号SWCH1和模拟开关SW300的第二通道ch2的通断控制信号SWCH2，同时查找表(LUT)408根据累加相位对查表获得的数据通过数模转换(DA)409进行数模转换后作为输出端输出交流信号V6。

[0062] 控制器500组成如图6所示，控制器包括电阻R500、电阻R501、电阻R502、电容C500、电容C501、运算放大器OP500；电阻R500的一端连接波节信号幅度解调模块的输出端V4，电阻R500的另一端与电阻R501的一端、电容C500的一端、运算放大器OP500的负输入端连接，电阻R501的另一端、电容C500的另一端均与电容C501的一端连接，电容C501的另一端与运算放大器OP500的输出端连接，电容C501的另一端作为控制器输出端V5输出信号V5；运算放大器OP500的正输入端与电阻R502的一端连接，电阻R502的另一端接地；

[0063] 反馈信号调制模块600的组成如图7所示，实质上是采用一个乘法器将两路信号进行相乘操作。信号V5是控制器500输出的信号，信号V6是频率同步跟踪模块400输出端的输出信号。

[0064] 驱动信号高压转换模块700组成如图8所示，驱动信号高压转换模块包括电阻R700、电阻R701、电阻R702、电阻R703、电阻R704、电阻R705、电容C700、运算放大器OP700和三极管Q700；电阻R700的一端与反馈信号调制模块的输出端V7连接，电阻R700的另一端与运算放大器OP700的负输入端、电阻R702的一端连接，电阻R701的一端接地，电阻R701的另一端与运算放大器OP700的负输入端连接，电阻R702的另一端与运算放大器OP700的输出端、电容C700的一端连接，电容C700的另一端与电阻R703、三极管Q700的基极连接，电阻R703的另一端与电阻R704的一端、高压电源HV连接，电阻R704的另一端与、电阻R705的一端和三极管Q700的集电极连接，电阻R705的另一端作为输出端V8输出信号V8；，三极管Q700的发射极接地。图8中HV为高电压，一般选取100V～300V之间。

[0065] 本发明的半球谐振陀螺力反馈控制方法，首先采用微弱信号检测模块100对半球谐振陀螺的谐振子振动状态进行检测，并将谐振子的振动运动状态转化为交流电压信号；其次，信号预处理模块200对检测到的反映谐振振动状态的电压信号进行变换和滤波处理；
滤波后的交流电压信号送入到波节信号幅度解调模块300进行交流电压幅度解调，解调出反映谐振子振动幅度的电压幅度值；滤波后的交流电压信号同时也送入频率同步跟踪模块
400进行同步跟踪，同步跟踪模块400对交流信号进行同步相位、频率跟踪，并产生控制波节信号幅度解调模块300多路开关的控制信号和相对输入信号相位滞后90°、频率相同的信号，用于反馈信号调制模块600的调制；然后，控制器500对波节信号幅度解调模块300输入的幅值直流信号进行校正；之后，反馈信号调制模块600将与谐振交流信号相位滞后90°、频率相同信号和校正后的直流量进行乘法调制；最后，调制后的信号经过驱动信号高压转换模块700的放大处理，直接作用与谐振子的施力电极，从而完成半球谐振陀螺力反馈控制。
所述的力反馈控制回路是由半球谐振子、微弱信号检测模块100、信号预处理模块200、波节信号幅度解调模块300、控制器500、反馈信号调制模块600和驱动信号高压转换模块700形成的回路。

[0066] 基于半球谐振陀螺仪的一种力反馈控制回路设计方法，包括：微弱信号检测模块100，信号预处理模块200，波节信号幅度解调模块300，频率同步跟踪模块400，控制器500，反馈信号调制模块600和驱动信号高压转换模块700部分。

[0067] 微弱信号检测模块100将微弱的振动运动通过电容检测的方法拾取出来，将等效电容板上的电荷量转换成电压量。

[0068] 信号预处理模块200，将微弱信号检测部分检测到的信号进行滤波处理，保证经过信号预处理后，信号中干扰信号较少，实现信号的滤波净化处理。

[0069] 波节信号幅度解调模块300将信号预处理后的波节信号进行幅值解调处理，从波节信号中解算出信号的幅值，用于回路的反馈校正运算。

[0070] 频率同步跟踪模块400同步跟踪半球谐振陀螺谐振子的谐振频率；产生波节信号幅度解调模块300的控制信号；生成反馈信号调制模块600的调制信号。频率同步跟踪模块400是本发明方法的核心组成，是实现本方法的关键部分。

[0071] 控制器500以波节信号幅度解调后的幅值作为输入，根据半球谐振陀螺仪的应用条件要求，产生反馈控制量和陀螺测量输出。

[0072] 反馈信号调制模块600采用频率同步跟踪模块400生成的与半球谐振子同频率、相位滞后90°的调制信号与控制器500生成的控制量进行乘法调制，产生用于反馈控制的控制信号。

[0073] 驱动信号高压转换模块700将反馈信号调制模块600产生的反馈控制信号进行高压变化，实现反馈控制信号的交流幅值和直流分量的增加，以至于能够产生较大的反馈控制力作用到半球谐振子上。

[0074] 本发明方法包含的微弱信号检测模块100，信号预处理模块200，波节信号幅度解调模块300，频率同步跟踪模块400，控制器500，反馈信号调制模块600和驱动信号高压转换模块700之间相互配合，密不可分，协同工作。

[0075] 实施例

[0076] 一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统，该控制系统包括微弱信号检测模块100、信号预处理模块200、波节信号幅度解调模块300、频率同步跟踪模块400、控制器500、反馈信号调制模块600和驱动信号高压转换模块700；

[0077] 如图9所示，所述的微弱信号检测模块100输出信号V1和输出信号V2；

[0078] 所述的信号预处理模块200输出信号V3；

[0079] 所述的波节信号幅度解调模块300输出信号V4；

[0080] 所述的控制器500输出信号V5；

[0081] 所述的频率同步跟踪模块400输出交流信号V6；

[0082] 所述的反馈信号调制模块600输出信号V7；

[0083] 如图10所示，所述的频率同步跟踪模块400内部模块之间的信号为：过零比较器401的输出信号A，寄存器406输出的信号B，鉴频鉴相器402输出的信号C，比例计数器403输出的计数值NP，积分计数器404输出的计数值NI，第一全加器输出的值N1，数模转换DA409输出信号V6，查找表LUT408输出的控制信号SWCH1和SWCH2，控制信号SWCH1和SWCH2输出到波节信号幅度解调模块300用于波节信号开关解调。

[0084] 本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

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一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统及控制方法

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