一种基于双频载波方案的半球陀螺全角控制系统及方法

1.本发明属于半球谐振陀螺控制技术领域，具体涉及一种基于双频载波方案的半球谐振陀螺全角控制系统及方法。


背景技术：

2.微半球谐振陀螺仪作为一种固体波动陀螺仪，因其具备结构简单、高精度、高可靠性和抗扰动能力强等优势，在资源勘探、战略制导、航空航天等多领域有着广泛的应用。半球谐振陀螺的全角控制模式是一种速率积分工作模式，它能够直接输出当前进动角度，角度测量带宽较大，具有很高的研究价值。
3.然而全角模式因其控制原理的复杂性，其测控系统的设计难度也大大增加。本发明依据半球谐振子运动学原理和实验室现有技术条件，针对微半球谐振陀螺的全角控制模式，研究并实现一套数字测控系统，实现的微半球谐振陀螺全角测控系统可以通过读取振型进动角来实现实时检测物理空间旋转角度的功能。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明公开了一种基于双频载波方案的半球谐振陀螺全角控制系统，以zynq soc为主控核心，采用双频载波激励/读出方案，研究并实现一套数字测控电路系统；该系统实现了半球谐振陀螺的全角输出功能，为半球谐振陀螺仪全角模式控制精度的提升提供新的研究思路。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种基于双频载波方案的半球谐振陀螺全角控制系统，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
、cy、sy，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。
7.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。
8.基于双频载波的激励方法是将x、y轴方向上跟踪在谐振频率上的激励信号f
x
、fy调制到不同频率的高频载波上。载波与激励力通过加法电路耦合调制，得到调制后的高频交流信号，再通过反相器反相后得到反相的高频交流信号，再与对应轴向的直流电压耦合，得到两个轴向电极上的静电力信号vx+、vx-、vy+、vy-，他们分别施加在x、y轴上的正负激励电极上，形成差分推挽驱动。
9.前端放大电路的作用是将陀螺仪振动的物理信号通过平板电容的变化转换为电
信号，即将陀螺仪表头输出的读出信号提取出来。由于球壳上的振动信号极其微弱，因而这种放大电路还需要有足够高的增益水平和信噪比，以便后续模数转换电路的顺利读取，一般采用电荷放大器来实现这个目标。本发明使用带有“t型阻容”网络的电荷放大器，t型阻容网络的电荷放大器将普通电荷放大器的一阶高通滤波特性改变为两阶高通滤波特性，在低频率段具有较高的噪声抑制能力，提升高频率信号检测的信噪比。
10.本发明的有益效果为：
11.本发明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，依据半球谐振子运动学原理，针对半球谐振陀螺的全角控制模式，采用双频载波激励/读出方式，研究并实现一套数字测控电路系统。该系统实现了半球谐振陀螺的全角输出功能，具备很高的实用价值。
附图说明
12.图1为本发明设计的半球谐振陀螺仪全角控制系统框架图；
13.图2为本发明基于zynqsoc的陀螺仪嵌入式系统结构图；
14.图3为本发明ps端信号计算程序流程图。
具体实施方式
15.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
16.本发明采用双频载波激励/读出方案。在该方案中，分别用两个不同频率的高频载波将x、y方向的静电驱动力信号调制后作用于陀螺周向激励电极上，使得两个轴向的振动信号在互不干扰的信号频段上传播。此时谐振子球壳相当于公共电容极板，故采用一个前端放大器从谐振子读出两个轴向的调制信号，送入后续电路进行滤波、解调处理后可以得到各轴向的位移信息。由于来自x、y两个轴向的检测信号通过同一个电路读取出来，从而抑制了各向电极的不对称以及x、y检测模拟电路参数不对称造成的误差。
17.本发明实施过程的主要步骤为：
18.步骤一：确定信号流程和硬件模块划分。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(pll)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，进行一系列参数解算得到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fy，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。除了上述模块外，还需要一个单独的dac芯片负责实时输出直流和正交电压。
19.步骤二：根据ps端和pl端特性进行分工。pl端负责处理高频、并行且对时序要求较高的工作，即对外设的驱动、信号收发及滤波解调，ps端负责进行较为复杂的浮点运算，例如e、q、l等参数的提取和pi参数控制，以及与上位机的通讯。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
、cy、sy等信号保存到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。
20.步骤三：搭建外设驱动硬件逻辑。首先本系统的主要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。但针对输出控制力的20位高精度dac11001b，采用的是spi串行数据通讯方式，因而需要编写通讯协议模块完成对它的控制。依据时序要求搭建dac驱动逻辑代码，
21.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(cic、fir)、位移信号乘法解调(得到低频变量c
x
、s
x
、cy、sy)。谐振子球壳的读出信号通过前端模拟放大器以及模拟滤波器后被adc采集输送到fpga中，经过两个载波的解调后分离成x轴向和y轴向的信号，再分别滤波。滤波时第一级的cic滤波器滤除一部分高频信号的同时对信号进行降采样，降到适合fir滤波器工作的采样频率，之后再经过一级cic滤波器升采样，提升采样率至与锁相环信号采样率一致，以便进行下一级缓变量解调。整个流程需要严格的采样时序控制，因此安排在zynqpl端使用硬件逻辑实现。
22.步骤五：信号生成逻辑设计。在双频载波方案中，需要持续输出两种类型的正弦波信号，一种是两路高频载波信号，其频率固定不变；另一种是跟踪陀螺仪谐振频率的锁相环信号，通过pi控制器的调节保证与谐振子的振动状态同步。该模块使用时间同步性较好的pl端实现。实现的方法是采用查表的方式，事先生成一个正弦信号的rom表，然后在fpga中调用blockram资源，作为rom表数据的存储器，通过地址不断递增的方式实现正弦信号的持续输出。其中，载波信号是固定频率的正弦波，因而地址的增量恒定不变，但跟踪谐振频率的锁相环信号需要不断调整频率，因此地址的增量由pi控制。最后，把信号输出的数字量输出到dac中，转换成所需的模拟电压信号。
23.步骤六：完成pl端逻辑功能设计。将逻辑部分的各控制模块设计完成后，设计顶层模块调用各个分工模块并进行例化，每次例化相当于在系统中复用了一次该模块，类似于软件语言中函数的功能，而顶层模块的作用是将各功能模块相互联系形成一个完整的fpga片上硬件逻辑系统。将整个系统封装得到pl端的ip核，pl端控制逻辑ip核除了外界输入时钟信号、复位信号线，以及与axi总线控制ip核交换数据的总线端口，还包含与控制外设的fpga引脚绑定的信号线。最终在vivado的新工程中建立blockdesign，添加zynq本体ip核，根据硬件情况对zynq进行基本配置，并将axi总线ip核以及封装的pl端ip核添加到设计中，点击自动连接选项，系统会自动生成配套的互联模块，并使用ps端生成的复位信号作为全局复位，ps端内部锁相环生成的100mhz时钟信号作为pl端时钟，再进一步完成时序约束和引脚约束，最终生成比特流文件。
24.步骤七：完成ps端软件程序设计。图3展示了ps端进行信号计算的流程，在开机时配置好各项参数之后进入循环等待来自pl端的中断信号，当四个低频变量更新时即触发中断，进入中断服务程序开始信号计算流程。首先ps端从axi总线寄存器中获取当前pl端传输
来的低频变量，然后解算出e、q、l、s、r五个重要参数，进而进入锁相、幅度和正交控制环路的增量式pi控制器，并计算出当前振型进动角度，最后将幅度、正交控制力合成并分解到x、y轴向上。除此之外，ps端还负责实时将重要的数据信息通过uart端口传送到上位机，上位机程序采集并保存后可以对数据进行分析处理。
25.需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
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
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，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
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、c
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、s
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；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
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、f
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，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
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，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
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、s
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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。7.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：步骤四具体如下：谐振子球壳的读出信号通过前端模拟放大器以及模拟滤波器后被adc采集输送到fpga中，经过两个载波的解调后分离成x轴向和y轴向的信号，再分别滤波；滤波时第一级的cic滤波器滤除一部分高频信号的同时对信号进行降采样，降到适合fir滤波器工作的采样频率，之后再经过一级cic滤波器升采样，提升采样率至与锁相环信号采样率一致，以便进行下一级缓变量解调；整个流程采样的时序控制，在zynqpl端使用硬件逻辑实现。8.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：步骤五具体如下：在双频载波方案中，需要持续输出两种类型的正弦波信号，一种是两路高频载波信号，其频率固定不变；另一种是跟踪陀螺仪谐振频率的锁相环信号，通过pi控制器的调节保证与谐振子的振动状态同步；该模块使用时间同步性好的pl端实现；实现的方法是采用查表的方式，事先生成一个正弦信号的rom表，然后在fpga中调用blockram资源，作为rom表数据的存储器，通过地址不断递增的方式实现正弦信号的持续输出；其中，载波信号是固定频率的正弦波，因而地址的增量恒定不变，但跟踪谐振频率的锁相环信号需要不断调整频率，因此地址的增量由pi控制；最后，把信号输出的数字量输出到dac中，转换成所需的模拟电压信号。9.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：步骤六具体如下：将逻辑部分的各控制模块设计完成后，设计顶层模块调用各个分工模块并进行例化，每次例化相当于在系统中复用了一次该模块，类似于软件语言中函数的功能，而顶层模块的作用是将各功能模块相互联系形成一个完整的fpga片上硬件逻辑系统；将整个系统封装得到pl端的ip核，pl端控制逻辑ip核除了外界输入时钟信号、复位信号线，以及与axi总线控制ip核交换数据的总线端口，还包含与控制外设的fpga引脚绑定的信号线；最终在vivado的新工程中建立blockdesign，添加zynq本体ip核，根据硬件情况对zynq进行基本配置，并将axi总线ip核以及封装的pl端ip核添加到设计中，点击自动连接选项，系统会自动生成配套的互联模块，并使用ps端生成的复位信号作为全局复位，ps端内部锁相环生成的100mhz时钟信号作为pl端时钟，再进一步完成时序约束和引脚约束，最终生成比特流文件。10.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：步骤七具体如下：在开机时配置好各项参数之后进入循环等待来自pl端的中断信号，当四个低频变量更
新时即触发中断，进入中断服务程序开始信号计算流程；首先ps端从axi总线寄存器中获取当前pl端传输来的低频变量，然后解算出e、q、l、s、r五个重要参数，进而进入锁相、幅度和正交控制环路的增量式pi控制器，并计算出当前振型进动角度，最后将幅度、正交控制力合成并分解到x、y轴向上；除此之外，ps端还实时将重要的数据信息通过uart端口传送到上位机，上位机程序采集并保存后可以对数据进行分析处理。

技术总结
本发明公开了一种基于双频载波方案的半球陀螺全角控制系统及方法，采用双频载波激励/读出方案。在该方案中，分别用两个不同频率的高频载波将x、y方向的静电驱动力信号调制后作用于陀螺周向激励电极上，使得两个轴向的振动信号在互不干扰的信号频段上传播。此时谐振子球壳相当于公共电容极板，故采用一个前端放大器从谐振子读出两个轴向的调制信号，送入后续电路进行滤波、解调处理后可以得到各轴向的位移信息。由于来自x、y两个轴向的检测信号通过同一个电路读取出来，从而抑制了各向电极的不对称以及x、y检测模拟电路参数不对称造成的误差。该系统实现了半球谐振陀螺的全角输出功能，具备很高的实用价值。具备很高的实用价值。具备很高的实用价值。


技术研发人员：李宏生 谢庸
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/14