一種多表頭陀螺數字化驅動及檢測方法

專利名稱：一種多表頭陀螺數字化驅動及檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種多表頭陀螺數字化驅動及檢測方法，屬于微機械陀螺信號處理領 域。
背景技術：
微機械陀螺是典型的慣性器件。它相對于傳統機械陀螺、光纖陀螺和激光陀螺而 言，具有外形尺寸小、重量輕、功耗低、啟動快、成本低、可靠性高和易于數字化等優點，因此 應用范圍迅速擴大，可以用于汽車防側翻，飛行姿態控制，衛星姿態控制，相機防抖動，汽車 導航系統，微型無人機等各個方面。陀螺電路是微機械陀螺的重要組成部分。傳統的模擬 電路，因為模擬器件本身的特性，不可避免的引入溫漂，也難以精確實現自標定和自校準， 而數字電路在運算過程不會存在溫漂，容易實現自標定和自校準。微機械陀螺驅動電路分 開環和閉環開環驅動電路都是用固定頻率的信號去驅動陀螺工作；閉環驅動電路是使用 自激振蕩或鎖相環的方法使陀螺表頭工作在諧振頻率上。對于微機械陀螺系統來說，長時 間的工作后，整個系統就存在嚴重的溫漂，所以開環驅動不能用于長時間的工作。申請專利 號為200810223041的專利，提出一種微機械陀螺自激驅動解調裝置，通過輸入信號接口電 路獲取微機械陀螺驅動質量塊和檢測質量塊的振動位移電壓信號，單片機芯片通過幅值提 取級自動增益控制算法生成增益控制信號傳給自動增益控制系統，自動增益控制系統根據 增益控制信號和輸入信號接口電路傳送來的驅動位移信號產生可變電壓，反饋給陀螺驅動 端實現對陀螺驅動信號的調整，同時在單片機內部解調算出輸入角速度。該發明使用單片 機作信號處理，能降低系統溫漂，利于實現集成化。但也存在不足陀螺表頭諧振頻率偏差 較大時系統穩定性差。

發明內容
為了克服現有技術上的缺陷，本發明提出一種多表頭陀螺數字化驅動及檢測方 法，利用掃頻的方法實現陀螺表頭諧振頻率的鎖定，并對驅動信號幅值大小進行及時校正， 同時檢測出角速度信號。參閱圖1，本方法通過數字方法產生載波Vi,同時由驅動電路產生驅動信號Vdl， Vd2…VdN，將載波Vi和驅動信號Vdl，Vd2…VdN依次加載到陀螺表頭1，陀螺表頭2……陀螺表 頭N上面，N彡2，檢測驅動模態電容C1, (V·· Cn，根據檢測到的信號調整驅動信號Vdl，Vd2-Vtffl，使N個陀螺表頭工作在諧振點。在陀螺驅動的基礎上，檢測敏感模態電容C' 1 C'廣· C' N，得到N個陀螺的角速度信號Ip^2…！^，由控制器根據N個陀螺的掃頻狀態SnS2-Sn，處理檢測到的角速度信號J^2…{^ ,輸出最終角速度^。對于每個陀螺表頭η，η取值為1，2，…，N，其后置電路主要由陀螺驅動和角速度 檢測兩個部分構成。本文將陀螺表頭η和其后置的驅動及檢測電路，除輸出控制外，稱為陀 螺η。一種多表頭陀螺數字化驅動方法，包括如下步驟
步驟一在陀螺表頭η上加載初始驅動信號Vdn和載波信號Vi,信號加載后陀螺表 頭中的質量塊會振動，振動的幅值反映為兩個極板之間電容Cn。其中，驅動信號Vdn的頻率為(Odntj數字芯片內部NCO(數字控制振蕩器)產生固 定頻率正弦波信號^，然后經過后置處理，得到模擬的正弦信號\。后置處理依次包含D/A 轉換(數字信號到模擬信號轉換)、低通濾波、放大過程，本文下面提到的后置處理過程也 相同。而且，本文中提到的模擬信號X對應的數字信號都表示為X。步驟二 檢測陀螺表頭η驅動模態電容Cn。通過電荷放大器或跨阻放大器，進行C/ V轉換(電容量到電壓信號的轉換)，將驅動模態的極板電容Cn的變化量△(；，轉化為電壓
fe 號 CallO步驟三將上一步得到的陀螺η的電壓信號Van，通過A/D轉換(模擬信號到數字 信號轉換)，轉化成數字信號,送入數字信號處理芯片。步驟四將上一步得到的數字信號^1經過幅值檢測，得到信號的幅值。步驟五數據存儲。對于陀螺η，當處于掃頻過程時，每變動頻率一次，將檢測到的 信號幅值^ 進行存儲。當陀螺穩定工作時，每檢測一次幅值，都將放入存儲器，存儲檢測 來的最近M個驅動信號幅值，其中M彡2。步驟六當陀螺啟動時，掃頻鎖定陀螺η諧振頻率，將其對應的頻率控制字Wdn輸入 NCO產生驅動頻率。同時每變動一下頻率控制字，則產生與頻率對應的幅頻校正系數knl。當 陀螺工作時，根據監測的幅值信息，輸出即時校正系數kn2。將knl和U相加得幅值校正系 數kn進行輸出。當掃頻時輸出掃頻狀態字Sn，其中Sn取值O或1，O代表陀螺η沒有掃頻， 1代表陀螺η正在掃頻。同時讀取系統中正在掃頻陀螺的個數S·。其中knl，kn2和
位二進制，B彡4，5_=|> 。
\ 設定Ftl為驅動力的幅值，cod為驅動角頻率，mx為驅動模態的等效質量，巧=,
TTL
為驅動模態的諧振角頻率，么一為驅動模態的阻尼比，則驅動模態穩定振動的幅值氏 為
F0
Bx
_5]mX lil-^f + ASli0^f
Vωχ
(1)設定NCO的相位控制字位數為N，頻率控制字為W，輸入時鐘頻率為F。lk，則輸出信 號頻率F-為
W-FFou=-^-(2)此步驟主要包含四個部分1.整個系統掃頻狀態控制設實驗測得陀螺的諧振角頻率的最小和最大值依次為(Omin，ωω3χ0對于任意陀螺 表頭η，由公式1得，當《d= ωχ= (Omin時，Bx取最大值，即檢測幅值取最大值，記為
6
當系統啟動時，任意陀螺η進行掃頻鎖定表頭的諧振頻率，此時Snum = N。當任意陀螺η掃頻完成后，即時將標準幅值^_和本次檢測的幅值^,-進行取差 ^^vmn=v_ -Vmnl，設定Δ ^為掃頻判定標準，且AI^q <0.05 ^max。具體判斷控制
如下(1)當Snum彡h，陀螺η不進行掃頻，其中h為最大容許掃頻陀螺數，l^hDN-1；(2)當Sm彡h-Ι，RAVmn < AVmn0，陀螺η不進行掃頻，且有當* 0時，調整即時 幅度校正系數kn2來調整幅值；(3)當 Snum ( h-Ι，且> AVnm0，陀螺 η 進行掃頻。2.頻率控制字的產生電路在掃頻過程中產生變動的頻率控制字，輸入NCO產生對應的信號，根據驅動 模態檢測幅值，查出最大幅值對應的頻率控制字Wdn，進行輸出。當陀螺啟動時，由公式2得，陀螺η對應的掃頻頻率控制字范圍Wmin η Wmax
η，其中，“。當陀螺啟動后掃頻時，Wminn = Wxn-AWn,
其中Wx n為陀螺η本次掃頻前的陀螺諧振頻率對應的頻率控制字，
max-n<AW < 腿誦_"。一個完整J級掃頻鎖定諧振頻率工作流程如下
mn max第一級掃頻時，頻率控制字WWminn開始，每隔時間ΔΤ累加較大的范圍AWnl，輸 入NC0，產生驅動信號輸入陀螺表頭，等穩定后采集幅值，送入存儲器，經過Knl次后，則采集 κη1+ι個驅動幅值。由控制器比較，找出最大值和其對應的頻 率控制字 Wnl。其中 1 彡 Δ Wnl 彡 0. 5 · (Wmaxn-Wfflinn)，Knl > (Wmaxn-Wfflinn)/Affnl, Δ T > 然后進行第二級掃頻，掃頻范圍從Wn「Δ Wnl到Wnl+ Δ Wnl，每隔時間Δ T累力卩Δ Wn2， 輸入NC0，產生驅動信號輸入陀螺表頭，等穩定后采集幅值，經過Kn2，次后，采集個 驅動幅值，找出幅值最大值和其對應的頻率控制字Wn^其中1 ( Affn2 <0.5- Δ Wnl, 2D Δ Wnl/Δ Wn2，M = 1^+1。然后按同樣的過程進行第三級掃頻，第四級掃頻……第J級掃頻，則第J級掃頻中 檢測到的最大幅值對應的頻率控制字則諧振頻率對應的頻率控制字Wdn = Wnj輸出。3.幅頻校正系數knl的產生knl伴隨著掃頻過程中頻率控制字的變化而變化。由公式1和2推得，當諧振時，即= ωχ，檢測幅值 其中，Gn為常數，Wdn為諧振時頻率控制字。當Odn= min時，&取最大值^
定為標準幅值，此時對應頻率控制字 由公式3得頻率控制字為W時的幅頻校正系數為 4.即時校正系數U的產生在陀螺掃頻η時，將kn2清零。在陀螺η沒有掃頻時， 每檢測到一次驅動幅值& ，都與標準幅值fL·相比較當^ < ν—，U在原來值的基礎 上加Akn，其中Akn彡1 ；當,U在原來值的基礎上減Akn。步驟七將步驟六得到的諧振頻率對應的頻率控制字Wn輸入NC0，控制NCO產生驅 動信號。步驟八將步驟七產生的驅動信號和步驟六中產生的校正系數Kn，送入幅值校 正模塊，輸出校正后的驅動信號。則 步驟九后置處理。將上一步得校正后的數字驅動信號]經過D/A轉換器，低通濾 波器和放大器后，形成最終驅動信號Vdn，加在陀螺表頭η上。一種多表頭陀螺檢測方法，包括如下步驟步驟一檢測陀螺表頭η的敏感模態電容C' η。通過電荷放大器或跨阻放大器， 進行C/ν轉換，將敏感模態電容C' 的變化量AC' n，轉化為電壓信號Vbn。步驟二 將上一步得到的電壓信號Vbn，通過A/D轉換，轉化成數字信號巧 輸出。步驟三使用載波信號Vi對上一步得到的數字信號進行解調，得信號^ 。步驟四將上一步得到的信號采用帶通或低通濾波器濾去高頻成分，則得到信 號紇。步驟五使用多表頭陀螺數字化驅動方法步驟七中NCO直接產生的驅動信號^ 對上一步得到的信號^1進行解調，得信號。步驟六將上一步得到的信號^77采用低通濾波濾去高頻成分，得到角速度信號L。步驟七將上一步得到的角速度信號和陀螺驅動實現方法中步驟六得到的掃 頻狀態字Sn，進行運算，得到最終角速度信號&。 本發明的優點是1.能實現自校正。對于同一種陀螺，當把掃頻精度設為多級時，可以實現頻率大范 圍變動時的自鎖定，而不需要人為的大量調試，允許出現較大的加工誤差，便于工業生產。2.頻率穩定性好。整個電路所有信號的頻率都依賴于晶振，而晶振具有很高的頻 率穩定性。本方案本身的穩定性不依賴于陀螺驅動的相位匹配度，并且它能實現大范圍頻 率漂移的鎖定，所以更適合長時間和多變環境下工作。3.抗干擾性能好。當陀螺受到突然性的干擾，如突然性的劇烈沖激，因為本系統的 驅動信號由芯片內部產生，幅度調控是逐漸變化，工作中不同時進行掃頻而隨時保持穩定輸出，所以受很小的干擾。
四

圖1多表頭陀螺系統工作框2陀螺η工作原理圖
五具體實施例方式本實例采用微機械陀螺表頭數N為3，η取值1，2，3。三個陀螺表頭的諧振角頻率 范圍 ω-η 到 ，其中 ω-η = 2 π · 2990rad/s, ωχ_ = 2 π · 3010rad/so 陀螺的品質 因數為Qx = 1000,mx = my = 10_6Kg，驅動力F0 = 10_6N，載波頻率為IOOKHz0數字NCO的相 位控制字32位，時鐘頻率Felk為IMHz。數字信號處理芯片為FPGA。A/D和D/A轉換的采樣 頻率為IMHz，采樣位數16位。具體實現分陀螺驅動和角速度檢測兩部分一種多表頭陀螺數字化驅動方法，包括如下步驟步驟一在陀螺表頭η加載載波信號Vi和驅動信號Vdn，信號加載后陀螺表頭會在 X方向上振動，振動的幅度反映為兩個極板之間的電容cn。系統啟動時加載的驅動信號Vdl = Vd2 = Vd3 = 2sin(2 Ji · 2990t)V。載波信號由數字芯片內部NCO產生頻率IOOKHz正弦波信號0 ，則 V1=I15 $1η(2π-IO5t + <p)，其中t = 0/106，1/106，2/106···，且本例下面數字信號中的時間t都 相同。將巧經過后置電路處理，得到模擬的正弦信號Vi = 5sin(2 π *105t)。步驟二 檢測陀螺表頭η驅動模態電容Cn。通過電荷放大器，進行C/V轉換，將 ACn，轉化為電壓信號Van，采用差動方式檢測電容，反饋電容Cfn= lpf，則輸出電壓為 步驟三將上一步得到的電壓信號Van，通過A/D轉換，轉化成數字信號& 。設電壓 +IV轉化數字信號數值214，則的幅值214。步驟四將上一步得到的數字信號經過幅值檢測，得到信號幅值，則三個陀 螺的當前幅值4 =L =L 二214。步驟五數據存儲。在掃頻過程中，每變動頻率一次，存一次驅動信號幅值。在穩 定工作時每檢測一次幅值，都將放入存儲器，存最近128個驅動信號幅值。對于陀螺n， 對應的128個檢測的驅動信號幅值依次為;H、h步驟六當陀螺啟動時，掃頻鎖定諧振頻率，將其對應的頻率控制字Wdn輸入NCO產 生驅動信號。同時每變動一下頻率控制字，則產生與頻率對應的幅頻校正系數knl。當陀螺 工作時，根據幅值信息，輸出即時校正系數kn2。將knl和U相加得幅值校正系數kn進行輸 出。當掃頻時輸出掃頻狀態字Sn，同時讀取系統中正在掃頻陀螺的個數SM。其中knl，kn2
9和 kn 都為 16 位二進制，Snum = S1+S2+S30此步驟主要包含四個部分1.整個系統掃頻狀態控制對于任意陀螺表頭n，當cod = ωχ = ωω η時，Bx取最大值，即檢測幅值取最大值， 設為 =20000。當系統啟動時，3個陀螺全部進行掃頻鎖定諧振頻率，此時Smm = 3，。當3個陀螺全部啟動完成后，對任意陀螺η工作時，即時將標準幅值20000和本次 檢測的幅值廣^進行取差MAVmn =20000-Vmn,。設定掃頻判定標準A^ifl =100。對任 意陀螺η，具體判斷控制如下(1)當Snum彡2，陀螺η不進行掃頻；(2)當Snum彡1，且ΔΙ^<100，陀螺η不進行掃頻，且有當時，調整即時幅 度校正系數kn2來調整幅值；(3)當Snum彡1，且ΔΙ^2100，陀螺η進行掃頻。陀螺η進行掃頻時，Sn = 1 ；否則，Sn = O。2.頻率控制字的產生電路在掃頻過程中產生變動的頻率控制字，輸入NCO產生對應的信號，根據驅動 模態檢測幅值，查出最大幅值對應的頻率控制字Wdn，進行輸出。設ω — = 2 π · 2990rad/s, ω· = 2 π · 3010rad/s。當陀螺啟動時，任意 陀螺η對應的掃頻頻率控制字范圍Wmin η Wmax η，其中Rnm =^^=12841952,
。當陀螺啟動后掃頻時，Wmin n = Wx η_ Δ Wn，Wmax Wn，其中Wx n為陀螺η本次掃頻前的陀螺諧振頻率對應的頻率控制字，
本例中設為128。啟動時采用四級掃頻，對于陀螺1，
完整四級掃頻鎖定諧振頻率工作流程如下第一級掃頻，頻率控制字從12841952，每次相隔時間1 μ s遞加4096，遞加21次， 直到12927968。每次頻率變動都會將一個最大幅值存儲，本次掃頻結束后，查出最大值和其 所對應的頻率控 字，如頻率控制字為12884960 (對應頻率3000. 1353Hz)，則確定第二級 掃頻頻率控制字范圍為 12880864(12884960-4096) 12889056(12884860+4096)。第二級掃頻，初始頻率控制字為12880864，每次相隔時間Iys頻率控制字加 256，加32次，找到最大幅值所對應的頻率控制字，如12880370，確定第三級掃頻范圍 12880114(12880370-256) 12880626(1284370+256)；第三級掃頻，初始頻率控制字為12880114，每次相隔時間Iys頻率控制字 加16，加32次，找到最大幅值所對應的頻率控制字，如12880365，確字第四級掃頻范圍 12880349(12880365-16) 12880381 (12880365+16)；第四級掃頻，初始頻率控制字為12880349，每次相隔時間1 μ s頻率控制字加1，加 32次，找到最大幅值所對應的頻率控制字W1 = 12880363，將12880363輸入NCO產生正弦波，此時陀螺表頭1的諧振頻率為2998. 9432Hz。同樣，鎖定陀螺2，3的諧振頻率為2996. 6482Hz, 3001. 9348Hz，對應頻率控制字W2 =12870506 和 W3 = 12893212。則三個陀螺的諧振角頻率為 ωχ1 = 2π · 2998. 9432rad/ s, ωχ2 = 2 π · 2996. 6482rad/s, ωχ3 = 2 π · 3001. 9348rad/s0對任意陀螺η，當系統工作后因>100掃頻時，掃頻范圍為，Wmin η = Wx η-128到 Wfflax n = Wx η+128，其中Wx η為掃頻前的驅動頻率控制字。則從上面的第三級掃頻開始，進行 二級掃頻直到鎖定諧振頻率。3.幅頻校正系數knl的產生knl伴隨著掃頻過程中頻率控制字的變化而變化。當諧振時，SP cod = ωχ，檢測幅值Vmn =(2)其中，6 為常數，Wdn為諧振時頻率控制字。當(Odn= ω Xmin時，(取最大值^^ax， 定為標準幅值，設為20000，此時對應頻率控制字Wmin n = 12841952。由公式2得頻率控制字為Wdn時的幅頻校正系數為 Γ , 216.128419522Κ、=-—2--(3)
"dn對陀螺1，頻率控制字為12880363時，Ii11 = 390 ；對陀螺2，頻率控制字為12870506 時，k21 = 290 ；對陀螺3，頻率控制字為12893212時，k31 = 520。4.即時校正系數Iin2的產生在陀螺掃頻η時，將U清零。在陀螺η沒有掃頻時，每檢測到一次驅動幅值， 都與標準幅值廣^liax =20000相比較當廣m <20000，kn2在原來值的基礎上加1 ；當， U在原來值的基礎上減1。剛掃頻結束時，驅動頻率等于諧振頻率，則k12 = k22 = k32 = 0。因此Ii1 = 390，k2 =290，k3 = 520。步驟七將上一步得到的頻率控制字Wdl，Wd2，Wd3輸入NCO，產生驅動信號 v0d,。設定NCO的信號幅值為20000，則有
VQdx = 20000cos{2n ■ 2998.9432/1 + φ Χ)；
f0d2 = 20000cos(2tt·2996.6482/ + φα2)；
V0d3 = 20000 C0S(2^·· 3001.9348 +^3)。步驟八將上一步產生的信號1^ 和第六步產生的1^依次送入幅值校正模塊，輸出
信號& 。剛掃頻結束時，驅動頻率等于諧振頻率，則有
J^1 =(1 +-F0iil =20119cos(2^-2998.9432i +^rfl)；Vd2 = (1 +1)· V0d2 = 20089cos(2^- ·2996.6482 + φα2)；
Vd3 =(1 + ^)·V0d3 = 20159cos(2Trra001.9348/1 + 。步驟九后置處理。將^)經過D/A轉換器，低通濾波器，放大器轉化為模擬信號Vdn，
加在表頭陀螺η上。設214轉化為+IV電壓，則
Vdl = 1.228 cos(2^- · 2998.9432/1 + <pdl)；
Vd2 =1.226 cos(2^. 2996.6482t + φ 1)-’
F^3 =1.230cos(2^-3001.9348i + ^3)。一種多表頭陀螺檢測方法，包括如下步驟步驟一檢測陀螺表頭η的敏感模態電容C' η。通過電荷放大器或跨阻放大器， 采用差動方式進行C/V轉換，將C' 的變化量AC' η，轉化為電壓信號Vbn，可表示為Vhn=-^V1(4)C' fn為反饋電容，AC' 為電容變化量，Vi為載波。設經過放大后的信號為
Kn = K cos(a； + φιη) COS(OydJ)Kl7 (ω)(5)(Oi為載波頻率，灼 為驅動信號相位，codn為驅動信號頻率，V0為信號幅值，Κη(ω) 為陀螺η的檢測角速度信號，設穩定角速度運動，且&(ω) =0. 1+δη，δ η為隨機誤差。設 (Oi = 2 π · 105rad/s, V0 = 5V。步驟二 將上一步得到的電壓信號Vbn，通過A/D轉換，轉化成數字信號巧 。步驟三使用載波信號Vi對上一步得到的數字信號^ 進行解調，即巧與進行逐
采樣點相乘，得信號& ，則
L· =Vhn-Vl
=V0 cosOZ + φιη)COS(O)dll + φ η)Κη{ω) · Vi0 cos(>,i + φ丨)
γγ
=+φ η)·Κη(ω)·(cos(2iy,i + φιη + φm) + cos(^ ~φιη))
(6)&為加載在陀螺η上的載波相位，為了使三個陀螺保持一致，使載波相位差
Vm —爐', =0。步驟四將上一步得到的信號采用帶通或低通濾波器濾去高頻成分，則得到信
(7)其中0 0) = ^^0啦, 1’,)= ·^，設定濾波增益，使得^…)=G2(Co)= G3 (ω) = 20000，則-20000 cos( +φ η) Kn (ω)。步驟五使用陀螺驅動方法步驟七中NCO直接產生的驅動信號Rrf,,對上一步得到
的信號L進行解調，得。為了保證三陀螺輸出信號一致，使得相位差^^‘=0。則有 步驟六將上一步得到的信號Vcst1采用低通濾波濾去高頻 成分，得到角速度信號& 。設低通濾波器的增益為1/20000，則 Val =20000 K1 (ω)， ω2 =20000 K2 (ω)，V0l3 =20000 K3 (ω)。
步驟七角速度控制輸出。
當沒有陀螺掃頻時必
當有且僅有陀螺1掃頻時
當有且僅有陀螺1沒有掃頻時，則屹,=20000Κ}(ω)。
1權利要求
一種多表頭陀螺數字化驅動方法，其特征在于包括如下步驟步驟一在陀螺表頭n上加載初始驅動信號Vdn和載波信號Vi，信號加載后陀螺表頭中的質量塊會振動，振動的幅值反映為兩個極板之間電容Cn；其中，驅動信號Vdn的頻率為ωdn；數字芯片內部NCO(數字控制振蕩器)產生固定頻率正弦波信號 ，然后經過后置處理，得到模擬的正弦信號Vi；后置處理依次包含D/A轉換(數字信號到模擬信號轉換)、低通濾波、放大過程，本文下面提到的后置處理過程也相同；而且，本文中提到的模擬信號X對應的數字信號都表示為 步驟二檢測陀螺表頭n驅動模態電容Cn；通過電荷放大器或跨阻放大器，進行C/V轉換(電容量到電壓信號的轉換)，將驅動模態的極板電容Cn的變化量ΔCn，轉化為電壓信號Van；步驟三將上一步得到的陀螺n的電壓信號Van，通過A/D轉換(模擬信號到數字信號轉換)，轉化成數字信號 送入數字信號處理芯片；步驟四將上一步得到的數字信號 經過幅值檢測，得到信號幅值 步驟五數據存儲；對于陀螺n，當處于掃頻過程時，每變動頻率一次，將檢測到的信號幅值 進行存儲；當陀螺穩定工作時，每檢測一次幅值，都將 放入存儲器，存儲檢測來的最近M個驅動信號幅值 其中M≥2；步驟六當陀螺啟動時，掃頻鎖定陀螺n諧振頻率，將其對應的頻率控制字Wdn輸入NCO產生驅動頻率；同時每變動一下頻率控制字，則產生與頻率對應的幅頻校正系數kn1；當陀螺工作時，根據監測的幅值信息，輸出即時校正系數kn2；將kn1和kn2相加得幅值校正系數kn進行輸出；當掃頻時輸出掃頻狀態字Sn，其中Sn取值0或1，0代表陀螺n沒有掃頻，1代表陀螺n正在掃頻；同時讀取系統中正在掃頻陀螺的個數Snum；其中kn1，kn2和kn為B位二進制，B≥4， 設定F0為驅動力的幅值，ωd為驅動角頻率，mx為驅動模態的等效質量， 為驅 動模態的諧振角頻率， 為驅動模態的阻尼比，則驅動模態穩定振動的幅值Bx為設定NCO的頻率相位控制字位數為N，頻率控制字為W，輸入時鐘頻率為Fclk，則輸出信號頻率Fout為此步驟主要包含四個部分第一部分整個系統掃頻狀態控制設實驗測得陀螺的諧振角頻率的最小和最大值依次為ωmin，ωmax；對于任意陀螺表頭n，由公式1得，當ωd＝ωx＝ωmin時，Bx取最大值，即檢測幅值取最大值，記為 當系統啟動時，任意陀螺n進行掃頻鎖定表頭的諧振頻率，此時Snum＝N；當任意陀螺n掃頻完成后，即時將標準幅值 和本次檢測的幅值 進行取差 即 設定 為掃頻判定標準，且 具體判斷控制如下(1)當Snum≥h，陀螺n不進行掃頻，其中h為最大容許掃頻陀螺數，1≤h□N 1；(2)當Snum≤h 1，且 陀螺n不進行掃頻，且有當 時，調整即時幅度校正系數kn2來調整幅值；(3)當Snum≤h 1，且 陀螺n進行掃頻；第二部分頻率控制字的產生電路在掃頻過程中產生變動的頻率控制字，輸入NCO產生對應的信號，根據驅動模態檢測幅值，查出最大幅值對應的頻率控制字Wdn，進行輸出；當陀螺啟動時，由公式2得，陀螺n對應的掃頻頻率控制字范圍Wmin_n～Wmax_n，其中 當陀螺啟動后掃頻時，Wmin_n＝Wx_n ΔWn，Wmax_n＝Wx_n+ΔWn，其中Wx_n為陀螺n本次掃頻前的陀螺諧振頻率對應的頻率控制字， 一個完整J級掃頻鎖定諧振頻率工作流程如下第一級掃頻時，頻率控制字從Wmin_n開始，每隔時間ΔT累加較大的范圍ΔWn1(1≤ΔWn1≤0.5·(Wmax_n Wmin_n))，輸入NCO，產生驅動信號輸入陀螺表頭，等穩定后采集幅值，送入存儲器，經過Kn1次后，則采集Kn1+1個驅動幅值 由控制器比較 找出最大值和其對應的頻率控制字Wn1；其中Kn1＞(Wmax_n Wmin_n)/ΔWn1，ΔT＞2π/ωx_min，此過程M＝Kn1+1；然后進行第二級掃頻，掃頻范圍從Wn1 ΔWn1到Wn1+ΔWn1，每隔時間ΔT累加ΔWn2，其中1≤ΔWn2＜0.5·ΔWn1，輸入NCO，產生驅動信號輸入陀螺表頭，等穩定后采集幅值，經過Kn2，次后，采集Kn2+1個驅動幅值 找出幅值最大值和其對應的頻率控制字Wn2；其中Kn2＞2□ΔWn1/ΔWn2，此過程M＝Kn2+1；然后按同樣的過程進行第三級掃頻，第四級掃頻……第J級掃頻，則第J級掃頻中檢測到的最大幅值對應的頻率控制字WnJ；則諧振頻率對應的頻率控制字Wdn＝WnJ輸出；第三部分幅頻校正系數kn1的產生kn1伴隨著掃頻過程中頻率控制字的變化而變化；由公式1和2推得，當諧振時，即ωd＝ωx，檢測幅值其中，Gn為常數，Wdn為諧振時頻率控制字；當ωdn＝ωmin時， 取最大值 定為標準幅值，此時對應頻率控制字 由公式3得頻率控制字為W時的幅頻校正系數為第四部分即時校正系數kn2的產生在陀螺掃頻n時，將kn2清零；在陀螺n沒有掃頻時，每檢測到一次驅動幅值 都與 標準幅值 相比較當 kn2在原來值的基礎上加Δkn，其中Δkn≥1；當 kn2在原來值的基礎上減Δkn；步驟七將步驟六得到的諧振頻率對應的頻率控制字Wn輸入NCO，控制NCO產生驅動信號 步驟八將步驟七產生的驅動信號 和步驟六中產生的校正系數kn，送入幅值校正模塊，輸出校正后的驅動信號 則步驟九后置處理；將上一步得校正后的數字驅動信號 經過D/A轉換器，低通濾波器和放大器后，形成最終驅動信號Vdn，加在陀螺表頭n上。FSA00000175203100011.tif,FSA00000175203100012.tif,FSA00000175203100013.tif,FSA00000175203100014.tif,FSA00000175203100015.tif,FSA00000175203100016.tif,FSA00000175203100017.tif,FSA00000175203100018.tif,FSA00000175203100019.tif,FSA000001752031000110.tif,FSA00000175203100021.tif,FSA00000175203100022.tif,FSA00000175203100023.tif,FSA00000175203100024.tif,FSA00000175203100025.tif,FSA00000175203100026.tif,FSA00000175203100027.tif,FSA00000175203100028.tif,FSA00000175203100029.tif,FSA000001752031000210.tif,FSA000001752031000211.tif,FSA000001752031000212.tif,FSA000001752031000213.tif,FSA000001752031000214.tif,FSA00000175203100031.tif,FSA00000175203100032.tif,FSA00000175203100033.tif,FSA00000175203100034.tif,FSA00000175203100035.tif,FSA00000175203100036.tif,FSA00000175203100037.tif,FSA00000175203100038.tif,FSA00000175203100039.tif,FSA000001752031000310.tif,FSA00000175203100041.tif,FSA00000175203100042.tif,FSA00000175203100043.tif,FSA00000175203100044.tif,FSA00000175203100045.tif,FSA00000175203100046.tif,FSA00000175203100047.tif,FSA00000175203100048.tif
2. 一種多表頭陀螺檢測方法，包括如下步驟步驟一檢測陀螺表頭η的敏感模態電容C' ;通過電荷放大器或跨阻放大器，進行C/ V轉換，將敏感模態電容C' 的變化量AC' n，轉化為電壓信號Vbn;步驟二 將上一步得到的電壓信號Vbn，通過A/D轉換，轉化成數字信號輸出； 步驟三使用載波信號Vi對上一步得到的數字信號巧 進行解調，得信號 -·’ 步驟四將上一步得到的信號采用帶通或低通濾波器濾去高頻成分，則得到信號 步驟五使用多表頭陀螺數字化驅動方法步驟七中NCO直接產生的驅動信號Raw對上 一步得到的信號&進行解調，得信號步驟六將上一步得到的信號采用低通濾波濾去高頻成分，得到角速度信號 步驟七將上一步得到的角速度信號和陀螺驅動實現方法中步驟六得到的掃頻狀 態字Sn，進行運算，得到最終角速度信號fn··
全文摘要
本發明公開了一種多表頭陀螺數字化驅動及檢測方法，屬于微機械陀螺信號處理領域。本方法通過數字方法產生載波Vi，同時由驅動電路產生驅動信號Vd1，Vd2…VdN，將載波Vi和驅動信號Vd1，Vd2…VdN依次加載到陀螺表頭1，陀螺表頭2……陀螺表頭N上面，N≥2，檢測驅動模態電容C1，C2…CN，根據檢測到的信號調整驅動信號Vd1，Vd2…VdN，使N個陀螺表頭工作在諧振點。在陀螺驅動的基礎上，檢測敏感模態電容C′1，C′2…C′N，得到N個陀螺的角速度信號由控制器根據N個陀螺的掃頻狀態S1，S2…SN，處理檢測到的角速度信號輸出最終角速度本發明最主要的特點是用掃頻檢測驅動輸出信號幅值的方法來鎖定諧振頻率。優點是能實現自校正；頻率穩定性好；抗干擾性能好。
文檔編號G01C19/5776GK101900554SQ20101021030
公開日2010年12月1日 申請日期2010年6月24日 優先權日2010年6月24日
發明者丁繼亮, 呂湘連, 常洪龍, 李小卿, 李慧敏, 王玉朝, 趙海濤 申請人:西北工業大學