一种半球谐振陀螺垂向基座驱动电极的高压驱动起振方法与流程

1.本发明涉及半球谐振陀螺领域，尤其涉及一种半球谐振陀螺垂向基座驱动电极的高压驱动起振方法。


背景技术：

2.经典的陀螺是利用高速旋转的质量所具有的定轴性和进动性而制成的，依据主要原理是角动量守恒。这类陀螺在构造上存在转子和框架支承因而对陀螺造成各种附加误差。为了避免活动部件及机械摩擦导致的附加误差，新型的如光学陀螺、谐振陀螺和压电晶体陀螺应运而生。其中谐振陀螺以其独特的优点越来越受到人们的重视，半球谐振陀螺出现于20世纪60年代才出现的一种新型陀螺。与传统的机械陀螺和光学陀螺相比，半球谐振陀螺具有结构上无高速转子、无活动部件，不需要预热，启动时间短；能承受大的机动过载，具有很强的抗冲击能力，且谐振子材料通常为石英玻璃，其稳定的物理特性使得它具有很高的可靠性和超长的寿命，高品质的石英谐振子具有高q值的特点，即使驱动电极发生故障，高品质石英振子的半球谐振陀螺仍可保持20分钟以上的工作时间；同时石英玻璃具有本征抗辐射能力，所以半球谐振陀螺常用于空间航天器的定姿与导航以及军事导航中。
3.微半球谐振陀螺本质上是一种固体波动式微机械振动陀螺，基于哥氏力效应检测角速度的输入。传统的三件套式半球谐振陀螺主要包括三个部件：谐振子、驱动外壳以及敏感基座。三件式半球谐振陀螺目前在国内已得到了部分应用，在三件式结构中，谐振子的起振驱动、检测与控制分别由谐振子的内、外球面电极实现，激励电容与检测电容被谐振子隔离，从而能够同时实现谐振子振动信号的电驱动与电检测。但三件式半球谐振陀螺复杂的制造工艺和高精度的装配要求，限制了陀螺的量产。新型的两件套式半球谐振陀螺由于其具备结构简易、性能稳定、可靠性高及易于维护等诸多优点，逐渐成为了研究的热点。基于平板电极结构的两件套式半球谐振陀螺结构虽然极大地简化了半球谐振陀螺制造工艺但是由于二件套式结构中，谐振子的起振驱动，电检测与控制均由谐振子的端面电极实现，即驱动电容与检测电容共用同一电极板这意味着，在进行驱动的同时无法进行实时检测，在启动时容易发生起振时间加长,陀螺无法快速进入稳定工作状态,同时也容易造成起振失败，陀螺失效。


技术实现要素：

4.本发明目的之一在于提供一种半球谐振陀螺垂向基座驱动电极的高压驱动起振方法，以解决两件套式半球谐振陀螺共用驱动电容与检测电容存在的起振时间加长,陀螺无法快速进入稳定工作状态的问题。
5.本发明通过下述技术方案实现，一种半球谐振陀螺垂向基座驱动电极的高压驱动起振方法，包括以下步骤：s100、驱动电路输出初始驱动电压；s200、振荡检测电路检测谐振子是否达到起振频率，若谐振子达到起振频率则将所述起振频率输入锁相环，若谐振子未达到起振频率则
进入下一步骤；s300、驱动电路根据振荡检测电路的检测到的谐振子的频率，更改驱动电压的大小；s400、水平检测电极检测谐振子是否达到起振频率，若谐振子达到起振频率则输入锁相环，若谐振子未正常起振则，则重复步骤s300，直至谐振子达到起振频率；s500、锁相环电路接收振荡检测电路的起振频率信号作为反馈参考信号，进行锁相跟踪，并输出锁相跟踪后的信号给驱动电路。
6.需要说明的是，常见的两件套式半球谐振陀螺由于对传统的三件套式结构进行了简化，仅保留读出基座和谐振子。由于结构的限制，两件套式半球谐振陀螺通常将驱动电容和检测电容合二为一，两个共用同一电极板，并且同时安装于读出基座的水平面上。由于共用统一电极板导致驱动电极无法做大，这造成了驱动的困难。同时也意味着起振驱动与电检测都需要进行特殊的设计从而达到隔离频分，时分以及电极复用来达到避免驱动信号与检测信号间的互相干扰，这造成了电路设计难度的增加。同时电极的复用也意味着在进行驱动的同时无法进行实时检测，在启动时容易发生起振时间加长,陀螺无法快速进入稳定工作状态,同时也容易造成起振失败，陀螺失效。对此申请人通过在保留二件式原有结构的基础上，分离了驱动电极和检测电极，避免了驱动检测共用同一电极的导致的电路复杂，同时通过高压静电和同时检测从而实现谐振子的快速起振。在保留二件式半球谐振陀螺结构简洁的同时，简化了电路设计，实现了高压驱动下的谐振子快速起振。
7.进一步地，高压驱动起振方法还可以包括，驱动电路根据锁相环输出信号持续输出高压静电保持谐振子处于稳定的振动模态。
8.进一步地，振动模态可以为环向波数为2的二阶谐振模态。
9.进一步地，初始驱动电压可为300v的静电。
10.进一步地，驱动电路可包括，驱动信号控制电路、驱动高压放大电路以及安装在垂向基座的侧面以45
°
为间隔分布的8个驱动电极。
11.进一步地，振荡检测电路包括，敏感电容信号提取电路、振动信号电容/电压转换器以及安装在基座水平方向上以45
°
为间隔分布的8个检测电极。
12.需要说明的是，本技术通过在基座上设置凸台，将驱动电极和检测电极分开设置，驱动电极以45
°
为间隔分布在基座凸台的侧面，而检测电极以45
°
为间隔分布在基座的水平面上。在不改变两件式半球谐振陀螺的基本结构的基础上，实现了将同时输出驱动电压和实时检测，简化了电路设计结构，解决了传统两件式半球谐振陀螺中必须要设计复杂的频分、时分以及电极复用方案，简化了电路结构，提高了两件式半球谐振陀螺的可靠性。
13.进一步地，判断谐振子是否达到起振频率，可采用频率和幅度同步检测，当频率和幅度同时满足，f
ifmin
≤f≤f
ifmax
，a
det
≥a
if
；其中，a
det
为输出信号的幅度，无量纲；a
if
为幅度判定条件设定值，无量纲；f为谐振子输出信号频率，hz；f
ifmin
为谐振子频率判定的最大值，hz；f
ifmin
为谐振子频率判定的最小值，hz。
14.进一步地，更改驱动电压的大小包括，通过下式计算得到驱动电容两电极板之间的电势差：u=ua+us=u
f sinωt+ u
s ，其中，u为驱动电容两电极板之间的电势差，v；ua为垂向基座侧边的驱动电极上的电压，v；uf为驱动电极上的电压的幅值，v；us为谐振子内侧面电极所加的偏置电压，v；ω为驱动频率，hz；t为时间，s。
15.并通过下式计算得到，作用于谐振子上的电场力大小：，其中，ε0为真空中的介电常数，f/m；s为垂向基座上驱动电极的单位面积，mm2；d为垂向基座上单位面积驱动电极与谐振子侧面的距离，mm；d0为垂向基座上单位面积驱动电极与谐振子侧面的静态距离，mm；u为谐振子振动纵向位移，mm；由于静电驱动力fe与电势差u的平方成正比，根据上诉公式得到： ，通过上诉计算公式计算得到新的静电驱动电压。
16.进一步地，锁相环电路采用乘法鉴相器获得相位信息，并通过低通滤波器滤除高频信号，相位信息经过pi控制器后进入压控振荡器，压控振荡器根据输入信号调整输出信号的频率及相位。需要说明的是，通过锁相环电路能够更加稳定地实现维持谐振子的振动，提高陀螺检测的稳定性。
17.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：1、本发明通过对两件式半球谐振陀螺的底座进行重新设计，将驱动电极和检测电极分开，避免了传统两件式半球谐振陀螺中驱动和检测共用同一电极带来的电路设计复杂的问题，由于驱动电极的增大能够承受更大的电压，为两件式半球谐振陀螺的高压起振提供了可能；2、本发明通过简化了电路设计结构，无需传统两件式半球谐振陀螺中必备的频分、时分以及电极复用方案，采用简单的驱动电路即可完成谐振子的快速起振；3、本发明通过将驱动电极和检测电极分开，实现了两件式半球谐振陀螺的振动状态实时检测，能够在驱动的同时实现对驱动状态的检测，并且通过检测反馈对驱动电压进行调整，有助于减少起振时间，使谐振子快速起振，进入工作状态。
附图说明
18.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
19.图1为本发明实施例1提供的常见的两件式半球谐振陀螺的结构剖面图。
20.图2为本发明实施例1提供的本发明的两件式半球谐振陀螺的结构剖面图。
21.图3为本发明实施例1提供的二阶模态时谐振子下唇沿的振动状态示意图。
22.图4为本发明实施例1提供的流程图。
23.图5a为本发明实施例1提供的驱动示意图。
24.图5b为本发明实施例1提供的静电力驱动原理图。
25.图6为本发明实施例1提供的驱动电极排布的俯视示意图。
26.图7为本发明实施例1提供的锁相环模块结构示意图。
27.附图标记所代表的为：11-陀螺壳体、12-半球谐振子、13-平板复用电极、14-电信号引针、15-陀螺外壳、16-陀螺系统电路、23-基座垂向面、24-陀螺基座、31-谐振子下唇沿、32-波腹、33-波节、50-谐振子、51-金属膜导电层、52-驱动电极、53-驱动电路、61-凸台、62-谐振子下沿、63-驱动电极、71-乘法器、v
in-输出信号、v
0-余弦信号、v
1-相位误差信号、v
2-直流信号、lpf-低通滤波器、pi-pi控制器、vco-压控振荡器。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
29.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.此外，术语“平行”、“垂直”等并不表示要求部件绝对平行或垂直，而是可以稍微倾斜。如“平行”仅仅是指其方向相对“垂直”而言更加平行，并不是表示该结构一定要完全平行，而是可以稍微倾斜。
31.实施例1半球谐振陀螺本质上是一种固体哥氏振动陀螺，其核心结构是基于熔融石英制造的敏感谐振结构。半球谐振陀螺的敏感谐振结构常见的形式为旋转对称的壳体结构，常见的三件套式半球谐振陀螺通常由外基座、谐振子、内基座三部分组成。在谐振子的表面喷镀有金属薄层，以构成电极的一个极板。外基座内侧有16个激励电极，用来控制谐振子的振动频率、振幅、振型角和正交振动；内基座的外侧有8个检测电极，用来读取谐振子的谐振频率、振幅、振型角等状态，激励与检测电极在整个圆周内均匀分布。
32.三件套半球谐振陀螺对于加工及装配有较高的精度要求，制造成本过高，限制了半球谐振陀螺的应用市场，而两件式的半球谐振陀螺简化了器件结构，降低了装配难度及制造成本，有利于更高精度半球谐振陀螺的研制及应用领域的推广。但两件式半球谐振陀螺简化了器件结构的同时也带来了新的问题，由于结构的简化，导致驱动和检测需要共用同一电极，这就要求设计复杂的时分复用，频分复用以及电极复用电路从而实现利用同一电极实现谐振子的起振和检测。
33.图1示出了常见的两件式半球谐振陀螺的结构剖面图。从图中可以看出，两件式半球谐振陀螺包括，陀螺壳体11、半球谐振子12、平板复用电极13、电信号引针14、陀螺外壳15、陀螺系统电路16。
34.本实施例在不改变两件式半球谐振陀螺大体的结构的基础上，通过改变原有底座的结构，在原有的底座上设置凸台，通过凸台，将驱动电极和检测电极分开设立。驱动电极设置于凸台的垂向面上与谐振子的内侧共同构成了电容。通过这样的结构，能够扩大驱动电极的面积，使其能够输出更高的电压电流，且随着接触面积的增大，也能够提供更大的驱动力使得谐振子能够更加快速地起振。
35.图2示出了本实施例的两件式半球谐振陀螺的结构剖面图，从图中可以看出，相对于传统的两件式半球谐振陀螺的结构来说，本示例通过在基座上设置凸台分隔驱动电极和检测电极，包括，陀螺壳体11、半球谐振子12、陀螺外壳15、基座垂向面23、陀螺基座24、陀螺系统电路16。需要说明的是，图中所示的结构仅为示意图，8个驱动电极以45
°
为间隔分布在基座的垂向面上。
36.谐振子在不同振动模态下，环向波数、谐波频率均各不相同，环向波的个数n越大则谐振频率高。当谐振子的环向波个数n为2时，谐振子将在相互正交的轴上反复形变。驱动电路的目的在于，提供驱动信号，使得谐振子，能够起振，同时在谐振子起振之后提供稳定地电压信号使得谐振子被调制在相应谐振频率上，维持谐振状态。
37.一般来说，谐振子有4个谐振模态，当谐振子谐振处于0阶谐振模态时，其谐振频率为4651hz；当其处在1阶谐振模态时，谐振频率为4918hz；处在2阶谐振状态时，谐振频率为12174hz；3阶谐振状态时则为30569hz。
38.当谐振子谐振模态阶数越大，对应的谐振频率也越大。但过高的谐振频率会增加后期数字化采样电路的精度要求，对于电路部分的采样频率及处理电路设计难度增大。并且随着n的不断增大，谐振子的环向振型将更为复杂，环向波数的增加将加大读出、驱动信号电极的装配难度，装配时易出现位置偏差从而影响了谐振子自身精度。当n小于2时，会对激励电压的频率带宽要求增大，过小的谐振频率需要相应较窄的工作带宽才能够获得要求的信噪比。只有当谐振子处于2阶工作模态时，其谐振频率可以在具有宽信号输入带宽的基础上，同时兼备成本问题。本实施例选择环向波数为2的二阶谐振模态作为谐振子稳定起振的工作状态。
39.当半球谐振子的振动模式处于二阶（n=2）时，谐振子的2阶简并振动模态按以下四个阶段周期运动：在谐振的第一阶段，谐振子唇沿从圆形变成椭圆形；在谐振的第二阶段，谐振子唇沿回归圆形；在谐振的第三阶段，谐振子唇沿变为椭圆形，但与第一阶段相比，椭圆的长轴与短轴互换；在谐振的第四个阶段，恢复为原始的圆形。谐振时的波形产生驻波，具有四个等间距的波腹和波节点。波腹是驻波可能达到的距离中心最远的四个点，波节点是随着驻波的振动，位置始终保持不变的四个点。
40.主振型一般是驱动电路通过驱动电极施加驱动电压使谐振子产生的谐振频率，并维持谐振状态后得到的驻波。在没有外界角速率输入的时候，半球谐振子的振型就是主振型。但是半球谐振子在振动时会围绕其中心轴产生旋转，这时从振型方向会敏感出新的振型，从振型方向在几何上与主振型方向成45
º
。因为主振型的波节点恰好是从振型的波腹点，所以在从振型的波腹方向上并不能检测到主振型的振动信号。同理，因为从振型的波节
点恰好是主振型的波腹点，所以在主振型的波腹方向上并不能检测到从振型的振动信号。综上所述，从振型与主振型两个振动模态是相互独立的。主振型和从振型的叠加形成新的振动模态，就是半球谐振子绕中心轴发生旋转后产生的新振型。或者说，任何一种半球谐振子的实际振动模态都可以沿主振型和从振型方向上进行分解。
41.图3示出了本实施例中的谐振子振动模态处于二阶（n=2）时谐振子下唇沿的振动状态示意图，图中31为谐振子下唇沿，32为波腹，33为波节。
42.而本实施例的主要目的就是通过设置在基座垂向面上的驱动电极输出高压静电使得处于静止状态的谐振子快速起振，达到稳定的2阶简并振动模态，并通过驱动电极持续地输出静电力，使得谐振子能够稳定地维持在2阶简并振动模态。为此本实施例提供了一种半球谐振陀螺垂向基座驱动电极的高压驱动起振方法，图4示出了本实施例的流程图。具体来说，包括如下步骤：步骤1、驱动电路输出初始驱动电压。
43.需要说明的是，一般来说，半球谐振陀螺的驱动方式主要有静电驱动、电磁驱动和压电驱动等，其中，静电驱动具有线性度好、响应速度快等优势，是目前应用最为普遍的方式。
44.半球谐振陀螺的谐振子表面镀有一层金属薄膜，与垂向基座上的驱动电极形成了等效电容器，本实施例中将这个等效电容器称为驱动电容。静电力驱动是由于带电平行极板会产生吸引力，在垂向基座的驱动电极与半球谐振子内壁间施加交变电压将引起驱动电容器贮存能量的周期性改变，从而形成驱动电极与半球谐振子内壁间的周期性静电引力。由于驱动电极基板的刚度远高于谐振子，因而周期性静电引力将引起谐振子的唇沿的受迫振动。当驱动电极施加的交变电压信号频率与谐振子球壳四波腹弯曲振动频率相同时，谐振子球壳便处于谐振状态。
45.图5a示出了本实施例的驱动示意图，图中50为谐振子，51为金属膜导电层，52为驱动电极，53为驱动电路；图5b为静电力驱动原理图，图中，d为两极板之间的距离，s是两极板间的有效面积，c为等效电容，x是两极板间的初始距离，δx是谐振子内壁的形变量, 为驱动电压的大小，v；ud为偏置电压值，v；ua为电压的幅值，v；ω为驱动频率，hz；t为时间，s。
46.从图中可以看出，在本实施例中，安装在垂向基座上的驱动电极与谐振子的内壁可以视为两个平行的极板，可以得到等效平行极板之间存储的电荷能量为：,其中，e为平行极板之间存储的电荷能量；c为平行极板之间的等效电容；u为驱动电极上的驱动电压。
47.静电力可以表示为：，其中，负号代表静电力方向是极板之间的吸引力。将带入上式中可以得到：，
其中，x0表示两极板之间形变后的距离；x两极板之间的初始距离，在x=0处执行泰勒展开得到：，忽略高阶项产生的驱动力，可以发现静电力f与驱动电压的平方成反比，驱动电路的激励电极一般会施加直流与交流叠加的电压，得到静电力为：得到静电力为：得到静电力为：，在本实施例中，由于需要谐振子能够稳定地维持在2阶简并振动模态上，综合上诉原理，驱动电路采用的初始驱动电压为300v的静电。
48.具体来说，驱动电路包括驱动信号控制电路、驱动高压放大电路以及安装在垂向基座的侧面以45
°
为间隔分布的8个驱动电极。
49.图6示出了本实施例的驱动电极排布的俯视示意图，61为凸台；62为谐振子下沿；63为驱动电极。在本实施例中垂向基座分布有的8个驱动电极，以x轴的正方向为0
°
的第一驱动电极；逆时针依次排列有45
°
的第二驱动电极，90
°
的第三驱动电极，135
°
的第四驱动电极，180
°
的第五驱动电极，225
°
的第六驱动电极，270
°
的第七驱动电极，315
°
的第8驱动电极。不同角度的8个驱动电极可以更精确地输出静电力，从而更加稳定地维持谐振子的2阶简并振动模态。
50.步骤2、振荡检测电路判断谐振子是否达到起振频率，若谐振子达到起振频率则将所述起振频率输入锁相环，若谐振子未达到起振频率则进入下一步骤。
51.具体来说，半球谐振子经驱动电压信号激发形成驻波振动状态后，其唇沿端面与检测电极形成的驻波检测电容容值发生近似正弦形式的变化。谐振子振动检测的主要任务即将驻波检测电容的容值变化转换为电压信号变化。所以振荡检测电路包括，敏感电容信号提取电路、振动信号电容/电压转换器以及安装在基座水平方向上以45
°
为间隔分布的8个检测电极。
52.判断谐振子是否达到起振频率，可以采用频率和幅度同步检测，当频率和幅度同时满足f
ifmin
≤f≤f
ifmax
，a
det
≥a
if
时则可以认为谐振子已经达到起振频率。本实施例中采用频率和幅度同步检测是为了使得检测结果更加准确，保证起振的稳定性。
53.其中，a
det
为输出信号的幅度，无量纲；a
if
为幅度判定条件设定值，无量纲；f为谐振子输出信号频率，hz；f
ifmin
为谐振子频率判定的最大值，hz；f
ifmin
为谐振子频率判定的最小值，hz。需要说明的是，幅度判定条件设定值可以根据实际情况进行设置，谐振子频率判定的最大小值可以根据谐振子具体的工作振动模式进行设置，在本实施例中，谐振子的工作振动模式为2阶简并振动模态，可以根据2阶简并振动模态的特点设置相关参数。
54.s300、驱动电路根据振荡检测电路的检测到的谐振子的频率，更改驱动电压的大小。
55.具体来说，垂向基座侧边的驱动电极上的电压ua的幅值为uf驱动频率为ω 时间为t，则可得：
ua=u
f sinωt，谐振子内侧面电极所加的偏置电压为us，此时，驱动电容两电极板之间的电势差为：u=ua+us=u
f sinωt+ u
s ，其中，u为驱动电容两电极板之间的电势差，v；ua为垂向基座侧边的驱动电极上的电压，v；uf为驱动电极上的电压的幅值，v；us为谐振子内侧面电极所加的偏置电压，v；ω为驱动频率，hz；t为时间，s。
56.由于谐振子与驱动电极板间的间隙远小于谐振子变形后的曲率半径，因此驱动电容可以近似为平板电容，同样由于极板间隙远小于极板边长，因此可以忽略电容的边缘效应。同时，由于整个表头内为真空环境。因此，我们可以得到作用于谐振子上的电场力大小为：，其中，ε0为真空中的介电常数，f/m；s为垂向基座上驱动电极的单位面积，mm2；d为垂向基座上单位面积驱动电极与谐振子侧面的距离，mm。
57.电容极板间距离d由静态距离d0和谐振子振动纵向位移u组成，有：d=d0+u，带入可得：，谐振子上的电场力f是关于u和d的非线性函数，直接用于解微分方程较为困难。由于振动位移u远远小于电极板间隔d0，因此我们可以通过泰勒展开对上式进行局部线性化以简化计算，对d0+u在d0处做泰勒展开，在u的二次以上幂次时已经非常小，因此只保留前两项，此时得到：
58.由上式我们可以看出，激振力主要由两部分组成。其中第一项是一个恒为负的吸引力，该力的大小与振动位移无关，只与输入电压有关，相比第二项要大很多，在静电力中占主要部分。第二项是一个与振动位移相关的力，其方向与振动位移的方向相关，吸引和排斥在一个周期内交替变化，相比第一项要小很多。总体来说，f始终为吸引力，其中第二项与输入电压及振动位移均相关，影响因素较多、效率低，一般不用作控制。而第一项在变化的同时会产生一个常值分量和一些正弦分量，常值分量对谐振子的振动没有激励作用，我们使用它的正弦分量对谐振子的振动进行驱动，通过改变电压来改变控制量。
59.由上述内容可知，静电驱动力与电势差u的平方成正比，以fe表示静电驱动力，可得：
ꢀ
，通过上诉计算公式计算得到新的静电驱动电压。
60.步骤4、水平检测电路检测谐振子是否达到起振频率，若谐振子达到起振频率则输入锁相环，若谐振子未正常起振则，则重复步骤3，直至谐振子达到起振频率。
61.步骤5、锁相环电路接收振荡检测电路的起振频率信号作为反馈参考信号，进行锁相跟踪，并输出锁相跟踪后的信号给驱动电路。
62.需要说明的是，实时地跟踪微半球陀螺的谐振频率和锁住相位对半球谐振陀螺的电路系统来说是非常重要的，在半球谐振陀螺驱动电路系统中，谐振信号之间的同频同相用锁相环频率调节环路进行统一控制锁相环回路对谐振子的振动状态进行实时监测，跟踪检测电极上信号的相位，然后反馈给驱动电路从而作用在驱动电极上，最终的目的是使谐振子始终工作在谐振中心频率上。在锁定谐振子振动频率的过程中，锁相环通常将谐振子的输出信号作为反馈参考信号，并与一个稳定的参考信号进行比较。通过不断调节锁相环的参数，例如增益、延迟等，使得锁相环输出的控制信号能够逐渐将谐振子的频率与参考信号的频率保持一致，实现谐振频率的锁定。
63.通过锁相环频率调控回路的控制以实现谐振子控制的各个环路所用到的信号量维持在同频。在谐振子正常工作的时候，谐振子都是工作在谐振频率之下才可以正常检测，由于受到驱动信号控制电路以及驱动高压放大电路的影响，将导致检测和驱动增益产生误差并对振动信号产生相位误差，其中两通道的增益误差可以和装配误差所引起的电容间隙误差等效分析，而相位误差可以等效为锁相环ppl的锁相误差来分析。
64.当锁相环正常工作时进入相位锁定状态，此时两端信号量即可保持恒定的相位值和频率。不过通常半球谐振陀螺正常工作的时候，驱动信号量的频率并不会等同于谐振子自身的固有振动频率。通常在谐振子通过电极施加控制力的时候，其传输信号量中只有和谐振频率一致的信号量才会被响应，通常传输的方波信号量中包含各个频率分量，半球谐振陀螺的谐振子会以自身的谐振频率开始振动，响应同频率控制信号，而不同频率的信号将进行叠加产生偏离。响应的信号量将会很少，导致实际工况中激励信号频率不等于谐振子自身谐振频率，需要通过频率控制环路进行控制才可以使得激励信号量的频率等同于谐振子的自身谐振频率。
65.图7示出了本实施例的锁相环模块结构示意图，在本实施例的锁相环控制回路中，谐振子受到驱动激励后开始起振，输出信号v
in
，输出信号v
in
与压控振荡器vco输出的余弦信号v0通过乘法器71解调出相位误差信号v1，误差信号v1再通过低通滤波器lpf滤除交流信号保留直流信号v2，最后使用pi控制器输出对相位的控制信号，从而实现闭环的锁相的功能。
66.步骤6：驱动电路根据锁相环输出信号，持续输出高压静电保持谐振子处于稳定的n=2的四波腹驻波振动模态。
67.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种半球谐振陀螺垂向基座驱动电极的高压驱动起振方法，其特征在于，所述高压驱动起振方法包括，s100、驱动电路输出初始驱动电压；s200、振荡检测电路判断谐振子是否达到起振频率，若谐振子达到起振频率则将所述起振频率输入锁相环，若谐振子未达到起振频率则进入下一步骤；s300、驱动电路根据振荡检测电路的检测到的谐振子的频率，更改驱动电压的大小；s400、水平检测电路检测谐振子是否达到起振频率，若谐振子达到起振频率则输入锁相环，若谐振子未正常起振则，则重复步骤s300，直至谐振子达到起振频率；s500、锁相环电路接收振荡检测电路的起振频率信号作为反馈参考信号，进行锁相跟踪，并输出锁相跟踪后的信号给驱动电路。2.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺垂向基座驱动电极的高压驱动起振方法，其特征在于，所述高压驱动起振方法还包括，驱动电路根据锁相环输出信号持续输出高压静电保持谐振子处于稳定的振动模态。3.根据权利要求2所述的半球谐振陀螺垂向基座驱动电极的高压驱动起振方法，其特征在于，所述振动模态为环向波数为2的二阶谐振模态。4.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺垂向基座驱动电极的高压驱动起振方法，其特征在于，所述初始驱动电压为300v的静电。5.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺垂向基座驱动电极的高压驱动起振方法，其特征在于，所述驱动电路包括，驱动信号控制电路、驱动高压放大电路以及安装在垂向基座的侧面以45
°
为间隔分布的8个驱动电极。6.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺垂向基座驱动电极的高压驱动起振方法，其特征在于，所述振荡检测电路包括，敏感电容信号提取电路、振动信号电容/电压转换器以及安装在基座水平方向上以45
°
为间隔分布的8个检测电极。7.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺垂向基座驱动电极的高压驱动起振方法，其特征在于，所述判断谐振子是否达到起振频率，采用频率和幅度同步检测，当频率和幅度同时满足，f
if min
≤ f ≤f
if max ，a
det ≥a
if ；其中，a
det
为输出信号的幅度，无量纲；a
if
为幅度判定条件设定值，无量纲；f为谐振子输出信号频率，hz；f
if min
为谐振子频率判定的最大值，hz；f
if min
为谐振子频率判定的最小值，hz。8.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺垂向基座驱动电极的高压驱动起振方法，其特征在于，所述更改驱动电压的大小包括，通过下式计算得到驱动电容两电极板之间的电势差：u= u
a
+u
s = u
f sinωt+ u
s ，其中，u为驱动电容两电极板之间的电势差，v；u
a
为垂向基座侧边的驱动电极上的电压，v；u
f
为驱动电极上的电压的幅值，v；u
s
为谐振子内侧面电极所加的偏置电压，v；ω为驱动频率，hz；t为时间，s；并通过下式计算得到，作用于谐振子上的电场力大小：，
d=d0+u，，其中，ε0为真空中的介电常数，f/m；s为垂向基座上驱动电极的单位面积，mm2；d为垂向基座上单位面积驱动电极与谐振子侧面的距离，mm；d0为垂向基座上单位面积驱动电极与谐振子侧面的静态距离，mm；u为谐振子振动纵向位移，mm；由于静电驱动力f
e
与电势差u的平方成正比，根据上诉公式可得：，通过上诉计算公式计算得到新的静电驱动电压。9.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺垂向基座驱动电极的高压驱动起振方法，其特征在于，所述锁相环电路采用乘法鉴相器获得相位信息，并通过低通滤波器滤除高频信号，相位信息经过pi控制器后进入压控振荡器，压控振荡器根据输入信号调整输出信号的频率及相位。

技术总结
本发明公开了一种半球谐振陀螺垂向基座驱动电极的高压驱动起振方法，所述起振方法包括，驱动电路输出初始驱动电压；振荡检测电路判断谐振子是否达到起振频率，若谐振子达到起振频率则将所述起振频率输入锁相环，若谐振子未达到起振频率则进入下一步骤；驱动电路根据振荡检测电路的检测到的谐振子的频率，更改驱动电压的大小；水平检测电路检测谐振子是否达到起振频率，若谐振子达到起振频率则输入锁相环，若谐振子未正常起振则，则重复上一步骤，直至谐振子达到起振频率；锁相环电路接收振荡检测电路的起振频率信号作为反馈参考信号，进行锁相跟踪，并输出锁相跟踪后的信号给驱动电路。本发明具有起振时间短，能使谐振子快速进入工作状态。入工作状态。入工作状态。


技术研发人员：李永德
受保护的技术使用者：四川图林科技有限责任公司
技术研发日：2023.09.01
技术公布日：2023/10/6