[发明专利]一种谐振陀螺控制方法及控制系统

说明书

本发明涉及谐振陀螺技术领域，尤其涉及一种谐振陀螺控制方法，通过电极分时切换单元对电极进行分时复用，将电极的驱动控制通道和检测控制通道简化为单通道，基于数字时间转换方法对振动电压信号进行解调，采用单比特Σ‑Δ调制器对驱动信号进行调制，可降低硬件构成，减小控制系统体积。本发明还涉及一种谐振陀螺控制系统，通过电极分时切换单元减少控制通道，基于数字时间转换方法和单比特Σ‑Δ调制器实现无数模转换器和模数转换器的谐振陀螺的闭环控制，可减少系统硬件构成，降低控制系统体积并提升稳定性。

技术领域

本发明涉及谐振陀螺技术领域，尤其涉及一种谐振陀螺控制方法及控制系统。

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。

谐振陀螺控制系统施加正弦激励信号驱动谐振子持续振动，检测谐振子的振动信号，通过控制算法稳定谐振子振动幅度、频率、驻波角、形状，获取外界载体角运动并输出，因此控制系统的性能直接影响着谐振陀螺整机的精度指标。

因谐振陀螺的自身特性，理论上其极限精度与谐振子尺寸无关，因而陀螺表头尺寸可大幅缩减，如MEMS陀螺。然而，为实现高精度输出，控制系统至少需要三个回路，包括稳频控制回路、稳幅控制回路和正交控制回路，检测和驱动单元至少两个模态振动，因此控制系统尺寸成为了谐振陀螺整机体积的制约。与此同时，复杂的硬件设计和众多器件组成也将引入额外的不稳定性，影响陀螺的精度。

早期控制系统采用模拟器件搭建控制回路或在模拟回路的基础上进行改进，如公开号为CN102620726B的专利公开了微机械陀螺的双闭环控制电路，采用基于AGC的自激振荡和6阶带通滤波，构建驱动模态和检测模态的双闭环控制系统。公开号为CN106482723B的专利公开了一种半球谐振陀螺仪的力反馈控制系统及控制方法，采用半数字控制系统实现谐振陀螺的力反馈控制，通过数模转换器DA实现驱动信号输出。然而，模拟回路器件众多，难以实现小型化；同时模拟器件的环境适应性难以保证，如温度特性，使得系统的稳定性较差。

全数字控制系统，采用数字主控芯片完成信号检测、计算、控制和驱动等功能，抗干扰能力强，集成度高，成为现行技术的主流方案。如公开号为CN105716597B的专利公开了采用DSP与FPGA的微半球谐振陀螺控制及信号检测系统和方法、公开号为CN111578923B的专利公开了一种谐振式陀螺闭环控制方法与系统。然而，由于谐振陀螺的多模态特性，需搭建多通道控制回路，在增加硬件的同时，通道间一致性也难以保障，在陀螺回路引入额外误差。

公开号为CN112506040A的专利公开了一种全角半球谐振陀螺单通道控制系统及方法，通过驱动检测电极时分复用模块，将陀螺控制从双通道转换为单通道，提升了通道一致性并简化了电路组成。然而，现行的数字控制方案，均采用模数转换器进行信号采集，采用数模转换器进行信号输出。模数转换器和数模转换器的转换过程会引入量化噪声，同时存在转换的非线性，混叠的高次谐波会引发额外误差和毛刺，并且模数转换器和数模转换器的自身尺寸及环境特性，同样使得整个系统的体积较大和稳定性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种谐振陀螺控制方法及控制系统。

本发明是通过以下技术方案予以实现：一种谐振陀螺控制方法，包括如下步骤：