[发明专利]一种基于双频载波方案的半球陀螺全角控制系统及方法

权利要求书

1.一种基于双频载波方案的半球谐振陀螺全角控制系统，其特征在于：包含前端激励/读出模块、信号处理模块和后端环路控制模块；前端激励/读出电路采用双频载波调制方案，从公共极板读出信号放大后，进入信号处理模块，使用载波解调和滤波得到x、y轴向位移信号，被锁相环信号解调成低频变量c_x、s_x、c_y、s_y，再通过组合运算获得E、Q、L、θ送入后端环路控制模块，对应幅度环路、正交环路、相位环路和进动角输出的控制量，通过PI控制得到对应的控制力，并与载波、直流电压耦合，最终实时施加到x、y面外激励电极上，完成系统的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于双频载波方案的半球谐振陀螺全角控制系统，其特征在于：前端电路包括前端激励电路和前端放大电路，前者将DAC输出的电压信号转换成合适的静电驱动力并由载波调制后施加在激励电极上，后者负责将来自谐振子读出端的微弱电压信号尽可能不失真地放大成ADC芯片能够拾取的量级。

3.根据权利要求1所述的一种基于双频载波方案的半球谐振陀螺全角控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：确定信号流程和硬件模块划分；

步骤二：根据PS端和PL端特性进行分工；

步骤三：搭建外设驱动硬件逻辑；

步骤四：读出信号的去载波解调，得到x、y位移信号；

读出信号滤波；

位移信号乘法解调，得到低频变量c_x、s_x、c_y、s_y；

步骤五：信号生成逻辑设计；

步骤六：完成PL端逻辑功能设计；

步骤七：完成PS端软件程序设计。

4.根据权利要求3所述的一种基于双频载波方案的半球谐振陀螺全角控制方法，其特征在于：步骤一具体如下：

当谐振子球壳上得到的读出信号经过前端电路处理之后，通过高速ADC芯片采集并传输到Zynq的PL端，将调制时采用的两路高频载波信号对读出信号解调，再将这两路信号进行带通滤波处理，得到工作在谐振频率下的x、y两个轴向的位移变化信号；此时将锁相环生成的谐振频率跟踪信号进一步对位移信号解调，将四个低频变量通过AXI总线由PL端传输到PS端，解算得到E、Q、L分别关联到幅度控制环路、正交控制环路、PLL相位跟踪环路，得到控制力f_as、f_qc，结合参数解算出的进动角θ正交分解到x和y轴向上，再通过AXI总线传回PL端，接受锁相环参考信号的调制得到交流控制力f_x和f_y，经低速DAC输出并与对应高速DAC输出的高频载波调制，加载到激励电极上，实现闭环控制。

5.根据权利要求3所述的一种基于双频载波方案的半球谐振陀螺全角控制方法，其特征在于：步骤二具体如下：

PL端负责处理高频、并行且对时序要求高的工作，即对外设的驱动、信号收发及滤波解调，PS端负责进行复杂的浮点运算，当PL端与PS端通信时，通过定义总线上的寄存器地址，将x、y轴检测信号经过PL端解调和滤波后产生c_x、s_x、c_y、s_y信号保存到AXI4总线的输入寄存器中，供PS端读取信号，并且将计算后的各控制信号寄存到输出寄存器中，供PL端读取后进行控制力的生成；依据此思路设计出带有AXI总线的IP核，输入端口包括输入时钟、复位以及接收来自PL端的数据，输出端口将解算后的参数输出到PL端的FPGA。

6.根据权利要求3所述的一种基于双频载波方案的半球谐振陀螺全角控制方法，其特征在于：步骤三具体如下：

本系统的外设模块为数模转换器和模数转换器，它们是沟通数字系统与陀螺仪表头的桥梁；针对高速ADC和DAC的驱动，由于是并口通讯，因此只需要在时钟的同步下将ADC输入数据总线的数据读取到寄存器，或是将寄存器中的数据传递到连接DAC的输出数据总线即可；针对输出控制力的20位高精度DAC11001B，采用的是SPI串行数据通讯方式，因而需要通讯协议模块完成对它的控制。