[发明专利]一种多表头陀螺数字化驱动及检测方法

摘要

本发明公开了一种多表头陀螺数字化驱动及检测方法，属于微机械陀螺信号处理领域。本方法通过数字方法产生载波V_i，同时由驱动电路产生驱动信号V_d1，V_d2…V_dN，将载波V_i和驱动信号V_d1，V_d2…V_dN依次加载到陀螺表头1，陀螺表头2……陀螺表头N上面，N≥2，检测驱动模态电容C₁，C₂…C_N，根据检测到的信号调整驱动信号V_d1，V_d2…V_dN，使N个陀螺表头工作在谐振点。在陀螺驱动的基础上，检测敏感模态电容C′₁，C′₂…C′_N，得到N个陀螺的角速度信号，由控制器根据N个陀螺的扫频状态S₁，S₂…S_N，处理检测到的角速度信号，输出最终角速度。本发明最主要的特点是用扫频检测驱动输出信号幅值的方法来锁定谐振频率。优点是：能实现自校正；频率稳定性好；抗干扰性能好。

主权项

1.一种多表头陀螺数字化驱动方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一：在陀螺表头n上加载初始驱动信号V_dn和载波信号V_i，信号加载后陀螺表头中的质量块会振动，振动的幅值反映为两个极板之间电容C_n；其中，驱动信号V_dn的频率为ω_dn；数字芯片内部NCO(数字控制振荡器)产生固定频率正弦波信号，然后经过后置处理，得到模拟的正弦信号V_i；后置处理依次包含D/A转换(数字信号到模拟信号转换)、低通滤波、放大过程，本文下面提到的后置处理过程也相同；而且，本文中提到的模拟信号X对应的数字信号都表示为步骤二：检测陀螺表头n驱动模态电容C_n；通过电荷放大器或跨阻放大器，进行C/V转换(电容量到电压信号的转换)，将驱动模态的极板电容C_n的变化量ΔC_n，转化为电压信号V_an；步骤三：将上一步得到的陀螺n的电压信号V_an，通过A/D转换(模拟信号到数字信号转换)，转化成数字信号送入数字信号处理芯片；步骤四：将上一步得到的数字信号经过幅值检测，得到信号幅值步骤五：数据存储；对于陀螺n，当处于扫频过程时，每变动频率一次，将检测到的信号幅值进行存储；当陀螺稳定工作时，每检测一次幅值，都将放入存储器，存储检测来的最近M个驱动信号幅值其中M≥2；步骤六：当陀螺启动时，扫频锁定陀螺n谐振频率，将其对应的频率控制字W_dn输入NCO产生驱动频率；同时每变动一下频率控制字，则产生与频率对应的幅频校正系数k_n1；当陀螺工作时，根据监测的幅值信息，输出即时校正系数k_n2；将k_n1和k_n2相加得幅值校正系数k_n进行输出；当扫频时输出扫频状态字S_n，其中S_n取值0或1，0代表陀螺n没有扫频，1代表陀螺n正在扫频；同时读取系统中正在扫频陀螺的个数S_num；其中k_n1，k_n2和k_n为B位二进制，B≥4，设定F₀为驱动力的幅值，ω_d为驱动角频率，m_x为驱动模态的等效质量，为驱动模态的谐振角频率，为驱动模态的阻尼比，则驱动模态稳定振动的幅值B_x为：设定NCO的频率相位控制字位数为N，频率控制字为W，输入时钟频率为F_clk，则输出信号频率F_out为：此步骤主要包含四个部分：第一部分：整个系统扫频状态控制设实验测得陀螺的谐振角频率的最小和最大值依次为ω_min，ω_max；对于任意陀螺表头n，由公式1得，当ω_d＝ω_x＝ω_min时，B_x取最大值，即检测幅值取最大值，记为当系统启动时，任意陀螺n进行扫频锁定表头的谐振频率，此时S_num＝N；当任意陀螺n扫频完成后，即时将标准幅值和本次检测的幅值进行取差即设定为扫频判定标准，且具体判断控制如下：(1)当S_num≥h，陀螺n不进行扫频，其中h为最大容许扫频陀螺数，1≤h□N-1；(2)当S_num≤h-1，且陀螺n不进行扫频，且有当时，调整即时幅度校正系数k_n2来调整幅值；(3)当S_num≤h-1，且陀螺n进行扫频；第二部分：频率控制字的产生电路在扫频过程中产生变动的频率控制字，输入NCO产生对应的信号，根据驱动模态检测幅值，查出最大幅值对应的频率控制字W_dn，进行输出；当陀螺启动时，由公式2得，陀螺n对应的扫频频率控制字范围W_{min_n}～W_{max_n}，其中当陀螺启动后扫频时，W_{min_n}＝W_{x_n}-ΔW_n，W_{max_n}＝W_{x_n}+ΔW_n，其中W_{x_n}为陀螺n本次扫频前的陀螺谐振频率对应的频率控制字，一个完整J级扫频锁定谐振频率工作流程如下：第一级扫频时，频率控制字从W_{min_n}开始，每隔时间ΔT累加较大的范围ΔW_n1(1≤ΔW_n1≤0.5·(W_{max_n}-W_{min_n}))，输入NCO，产生驱动信号输入陀螺表头，等稳定后采集幅值，送入存储器，经过K_n1次后，则采集K_n1+1个驱动幅值由控制器比较找出最大值和其对应的频率控制字W_n1；其中K_n1＞(W_{max_n}-W_{min_n})/ΔW_n1，ΔT＞2π/ω_{x_min}，此过程M＝K_n1+1；然后进行第二级扫频，扫频范围从W_n1-ΔW_n1到W_n1+ΔW_n1，每隔时间ΔT累加ΔW_n2，其中1≤ΔW_n2＜0.5·ΔW_n1，输入NCO，产生驱动信号输入陀螺表头，等稳定后采集幅值，经过K_n2，次后，采集K_n2+1个驱动幅值找出幅值最大值和其对应的频率控制字W_n2；其中K_n2＞2□ΔW_n1/ΔW_n2，此过程M＝K_n2+1；然后按同样的过程进行第三级扫频，第四级扫频……第J级扫频，则第J级扫频中检测到的最大幅值对应的频率控制字W_nJ；则谐振频率对应的频率控制字W_dn＝W_nJ输出；第三部分：幅频校正系数k_n1的产生k_n1伴随着扫频过程中频率控制字的变化而变化；由公式1和2推得，当谐振时，即ω_d＝ω_x，检测幅值：其中，G_n为常数，W_dn为谐振时频率控制字；当ω_dn＝ω_min时，取最大值定为标准幅值，此时对应频率控制字由公式3得频率控制字为W时的幅频校正系数为：第四部分：即时校正系数k_n2的产生在陀螺扫频n时，将k_n2清零；在陀螺n没有扫频时，每检测到一次驱动幅值都与标准幅值相比较：当k_n2在原来值的基础上加Δk_n，其中Δk_n≥1；当k_n2在原来值的基础上减Δk_n；步骤七：将步骤六得到的谐振频率对应的频率控制字W_n输入NCO，控制NCO产生驱动信号步骤八：将步骤七产生的驱动信号和步骤六中产生的校正系数k_n，送入幅值校正模块，输出校正后的驱动信号则：步骤九：后置处理；将上一步得校正后的数字驱动信号经过D/A转换器，低通滤波器和放大器后，形成最终驱动信号V_dn，加在陀螺表头n上。