一种多表头陀螺数字化驱动及检测方法

专利名称：一种多表头陀螺数字化驱动及检测方法
技术领域：
本发明涉及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。
背景技术：
微机械陀螺是典型的惯性器件。它相对于传统机械陀螺、光纤陀螺和激光陀螺而 言，具有外形尺寸小、重量轻、功耗低、启动快、成本低、可靠性高和易于数字化等优点，因此 应用范围迅速扩大，可以用于汽车防侧翻，飞行姿态控制，卫星姿态控制，相机防抖动，汽车 导航系统，微型无人机等各个方面。陀螺电路是微机械陀螺的重要组成部分。传统的模拟 电路，因为模拟器件本身的特性，不可避免的引入温漂，也难以精确实现自标定和自校准， 而数字电路在运算过程不会存在温漂，容易实现自标定和自校准。微机械陀螺驱动电路分 开环和闭环开环驱动电路都是用固定频率的信号去驱动陀螺工作；闭环驱动电路是使用 自激振荡或锁相环的方法使陀螺表头工作在谐振频率上。对于微机械陀螺系统来说，长时 间的工作后，整个系统就存在严重的温漂，所以开环驱动不能用于长时间的工作。申请专利 号为200810223041的专利，提出一种微机械陀螺自激驱动解调装置，通过输入信号接口电 路获取微机械陀螺驱动质量块和检测质量块的振动位移电压信号，单片机芯片通过幅值提 取级自动增益控制算法生成增益控制信号传给自动增益控制系统，自动增益控制系统根据 增益控制信号和输入信号接口电路传送来的驱动位移信号产生可变电压，反馈给陀螺驱动 端实现对陀螺驱动信号的调整，同时在单片机内部解调算出输入角速度。该发明使用单片 机作信号处理，能降低系统温漂，利于实现集成化。但也存在不足陀螺表头谐振频率偏差 较大时系统稳定性差。

发明内容
为了克服现有技术上的缺陷，本发明提出一种多表头陀螺数字化驱动及检测方 法，利用扫频的方法实现陀螺表头谐振频率的锁定，并对驱动信号幅值大小进行及时校正， 同时检测出角速度信号。参阅图1，本方法通过数字方法产生载波Vi,同时由驱动电路产生驱动信号Vdl， Vd2…VdN，将载波Vi和驱动信号Vdl，Vd2…VdN依次加载到陀螺表头1，陀螺表头2……陀螺表 头N上面，N彡2，检测驱动模态电容C1, (V·· Cn，根据检测到的信号调整驱动信号Vdl，Vd2-Vtffl，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'广· C' N，得到N个陀螺的角速度信号Ip^2…！^，由控制器根据N个陀螺的扫频状态SnS2-Sn，处理检测到的角速度信号J^2…{^ ,输出最终角速度^。对于每个陀螺表头η，η取值为1，2，…，N，其后置电路主要由陀螺驱动和角速度 检测两个部分构成。本文将陀螺表头η和其后置的驱动及检测电路，除输出控制外，称为陀 螺η。一种多表头陀螺数字化驱动方法，包括如下步骤
步骤一在陀螺表头η上加载初始驱动信号Vdn和载波信号Vi,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Cn。其中，驱动信号Vdn的频率为(Odntj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\。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X。步骤二 检测陀螺表头η驱动模态电容Cn。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Cn的变化量△(；，转化为电压
fe 号 CallO步骤三将上一步得到的陀螺η的电压信号Van，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^1经过幅值检测，得到信号的幅值。步骤五数据存储。对于陀螺η，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彡2。步骤六当陀螺启动时，扫频锁定陀螺η谐振频率，将其对应的频率控制字Wdn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knl。当 陀螺工作时，根据监测的幅值信息，输出即时校正系数kn2。将knl和U相加得幅值校正系 数kn进行输出。当扫频时输出扫频状态字Sn，其中Sn取值O或1，O代表陀螺η没有扫频， 1代表陀螺η正在扫频。同时读取系统中正在扫频陀螺的个数S·。其中knl，kn2和
位二进制，B彡4，5_=|> 。
\ 设定Ftl为驱动力的幅值，cod为驱动角频率，mx为驱动模态的等效质量，巧=,
TTL
为驱动模态的谐振角频率，么一为驱动模态的阻尼比，则驱动模态稳定振动的幅值氏 为
F0
Bx
_5]mX lil-^f + ASli0^f
Vωχ
(1)设定NCO的相位控制字位数为N，频率控制字为W，输入时钟频率为F。lk，则输出信 号频率F-为
W-FFou=-^-(2)此步骤主要包含四个部分1.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(Omin，ωω3χ0对于任意陀螺 表头η，由公式1得，当《d= ωχ= (Omin时，Bx取最大值，即检测幅值取最大值，记为
6
当系统启动时，任意陀螺η进行扫频锁定表头的谐振频率，此时Snum = N。当任意陀螺η扫频完成后，即时将标准幅值^_和本次检测的幅值^,-进行取差 ^^vmn=v_ -Vmnl，设定Δ ^为扫频判定标准，且AI^q <0.05 ^max。具体判断控制
如下(1)当Snum彡h，陀螺η不进行扫频，其中h为最大容许扫频陀螺数，l^hDN-1；(2)当Sm彡h-Ι，RAVmn < AVmn0，陀螺η不进行扫频，且有当* 0时，调整即时 幅度校正系数kn2来调整幅值；(3)当 Snum ( h-Ι，且> AVnm0，陀螺 η 进行扫频。2.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Wdn，进行输出。当陀螺启动时，由公式2得，陀螺η对应的扫频频率控制字范围Wmin η Wmax
η，其中，“。当陀螺启动后扫频时，Wminn = Wxn-AWn,
其中Wx n为陀螺η本次扫频前的陀螺谐振频率对应的频率控制字，
max-n<AW < 腿誦_"。一个完整J级扫频锁定谐振频率工作流程如下
mn max第一级扫频时，频率控制字WWminn开始，每隔时间ΔΤ累加较大的范围AWnl，输 入NC0，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Knl次后，则采集 κη1+ι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 Wnl。其中 1 彡 Δ Wnl 彡 0. 5 · (Wmaxn-Wfflinn)，Knl > (Wmaxn-Wfflinn)/Affnl, Δ T > 然后进行第二级扫频，扫频范围从Wn「Δ Wnl到Wnl+ Δ Wnl，每隔时间Δ T累力卩Δ Wn2， 输入NC0，产生驱动信号输入陀螺表头，等稳定后采集幅值，经过Kn2，次后，采集个 驱动幅值，找出幅值最大值和其对应的频率控制字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则谐振频率对应的频率控制字Wdn = Wnj输出。3.幅频校正系数knl的产生knl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= ωχ，检测幅值 其中，Gn为常数，Wdn为谐振时频率控制字。当Odn= 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 4.即时校正系数U的产生在陀螺扫频η时，将kn2清零。在陀螺η没有扫频时， 每检测到一次驱动幅值& ，都与标准幅值fL·相比较当^ < ν—，U在原来值的基础 上加Akn，其中Akn彡1 ；当,U在原来值的基础上减Akn。步骤七将步骤六得到的谐振频率对应的频率控制字Wn输入NC0，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Kn，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Vdn，加在陀螺表头η上。一种多表头陀螺检测方法，包括如下步骤步骤一检测陀螺表头η的敏感模态电容C' η。通过电荷放大器或跨阻放大器， 进行C/ν转换，将敏感模态电容C' 的变化量AC' n，转化为电压信号Vbn。步骤二 将上一步得到的电压信号Vbn，通过A/D转换，转化成数字信号巧 输出。步骤三使用载波信号Vi对上一步得到的数字信号进行解调，得信号^ 。步骤四将上一步得到的信号采用带通或低通滤波器滤去高频成分，则得到信 号纥。步骤五使用多表头陀螺数字化驱动方法步骤七中NCO直接产生的驱动信号^ 对上一步得到的信号^1进行解调，得信号。步骤六将上一步得到的信号^77采用低通滤波滤去高频成分，得到角速度信号L。步骤七将上一步得到的角速度信号和陀螺驱动实现方法中步骤六得到的扫 频状态字Sn，进行运算，得到最终角速度信号&。 本发明的优点是1.能实现自校正。对于同一种陀螺，当把扫频精度设为多级时，可以实现频率大范 围变动时的自锁定，而不需要人为的大量调试，允许出现较大的加工误差，便于工业生产。2.频率稳定性好。整个电路所有信号的频率都依赖于晶振，而晶振具有很高的频 率稳定性。本方案本身的稳定性不依赖于陀螺驱动的相位匹配度，并且它能实现大范围频 率漂移的锁定，所以更适合长时间和多变环境下工作。3.抗干扰性能好。当陀螺受到突然性的干扰，如突然性的剧烈冲激，因为本系统的 驱动信号由芯片内部产生，幅度调控是逐渐变化，工作中不同时进行扫频而随时保持稳定输出，所以受很小的干扰。
四

图1多表头陀螺系统工作框2陀螺η工作原理图
五具体实施例方式本实例采用微机械陀螺表头数N为3，η取值1，2，3。三个陀螺表头的谐振角频率 范围 ω-η 到 ，其中 ω-η = 2 π · 2990rad/s, ωχ_ = 2 π · 3010rad/so 陀螺的品质 因数为Qx = 1000,mx = my = 10_6Kg，驱动力F0 = 10_6N，载波频率为IOOKHz0数字NCO的相 位控制字32位，时钟频率Felk为IMHz。数字信号处理芯片为FPGA。A/D和D/A转换的采样 频率为IMHz，采样位数16位。具体实现分陀螺驱动和角速度检测两部分一种多表头陀螺数字化驱动方法，包括如下步骤步骤一在陀螺表头η加载载波信号Vi和驱动信号Vdn，信号加载后陀螺表头会在 X方向上振动，振动的幅度反映为两个极板之间的电容cn。系统启动时加载的驱动信号Vdl = Vd2 = Vd3 = 2sin(2 Ji · 2990t)V。载波信号由数字芯片内部NCO产生频率IOOKHz正弦波信号0 ，则 V1=I15 $1η(2π-IO5t + <p)，其中t = 0/106，1/106，2/106···，且本例下面数字信号中的时间t都 相同。将巧经过后置电路处理，得到模拟的正弦信号Vi = 5sin(2 π *105t)。步骤二 检测陀螺表头η驱动模态电容Cn。通过电荷放大器，进行C/V转换，将 ACn，转化为电压信号Van，采用差动方式检测电容，反馈电容Cfn= lpf，则输出电压为 步骤三将上一步得到的电压信号Van，通过A/D转换，转化成数字信号& 。设电压 +IV转化数字信号数值214，则的幅值214。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，则三个陀 螺的当前幅值4 =L =L 二214。步骤五数据存储。在扫频过程中，每变动频率一次，存一次驱动信号幅值。在稳 定工作时每检测一次幅值，都将放入存储器，存最近128个驱动信号幅值。对于陀螺n， 对应的128个检测的驱动信号幅值依次为;H、h步骤六当陀螺启动时，扫频锁定谐振频率，将其对应的频率控制字Wdn输入NCO产 生驱动信号。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knl。当陀螺 工作时，根据幅值信息，输出即时校正系数kn2。将knl和U相加得幅值校正系数kn进行输 出。当扫频时输出扫频状态字Sn，同时读取系统中正在扫频陀螺的个数SM。其中knl，kn2
9和 kn 都为 16 位二进制，Snum = S1+S2+S30此步骤主要包含四个部分1.整个系统扫频状态控制对于任意陀螺表头n，当cod = ωχ = ωω η时，Bx取最大值，即检测幅值取最大值， 设为 =20000。当系统启动时，3个陀螺全部进行扫频锁定谐振频率，此时Smm = 3，。当3个陀螺全部启动完成后，对任意陀螺η工作时，即时将标准幅值20000和本次 检测的幅值广^进行取差MAVmn =20000-Vmn,。设定扫频判定标准A^ifl =100。对任 意陀螺η，具体判断控制如下(1)当Snum彡2，陀螺η不进行扫频；(2)当Snum彡1，且ΔΙ^<100，陀螺η不进行扫频，且有当时，调整即时幅 度校正系数kn2来调整幅值；(3)当Snum彡1，且ΔΙ^2100，陀螺η进行扫频。陀螺η进行扫频时，Sn = 1 ；否则，Sn = O。2.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Wdn，进行输出。设ω — = 2 π · 2990rad/s, ω· = 2 π · 3010rad/s。当陀螺启动时，任意 陀螺η对应的扫频频率控制字范围Wmin η Wmax η，其中Rnm =^^=12841952,
。当陀螺启动后扫频时，Wmin n = Wx η_ Δ Wn，Wmax Wn，其中Wx n为陀螺η本次扫频前的陀螺谐振频率对应的频率控制字，
本例中设为128。启动时采用四级扫频，对于陀螺1，
完整四级扫频锁定谐振频率工作流程如下第一级扫频，频率控制字从12841952，每次相隔时间1 μ s递加4096，递加21次， 直到12927968。每次频率变动都会将一个最大幅值存储，本次扫频结束后，查出最大值和其 所对应的频率控 字，如频率控制字为12884960 (对应频率3000. 1353Hz)，则确定第二级 扫频频率控制字范围为 12880864(12884960-4096) 12889056(12884860+4096)。第二级扫频，初始频率控制字为12880864，每次相隔时间Iys频率控制字加 256，加32次，找到最大幅值所对应的频率控制字，如12880370，确定第三级扫频范围 12880114(12880370-256) 12880626(1284370+256)；第三级扫频，初始频率控制字为12880114，每次相隔时间Iys频率控制字 加16，加32次，找到最大幅值所对应的频率控制字，如12880365，确字第四级扫频范围 12880349(12880365-16) 12880381 (12880365+16)；第四级扫频，初始频率控制字为12880349，每次相隔时间1 μ s频率控制字加1，加 32次，找到最大幅值所对应的频率控制字W1 = 12880363，将12880363输入NCO产生正弦波，此时陀螺表头1的谐振频率为2998. 9432Hz。同样，锁定陀螺2，3的谐振频率为2996. 6482Hz, 3001. 9348Hz，对应频率控制字W2 =12870506 和 W3 = 12893212。则三个陀螺的谐振角频率为 ωχ1 = 2π · 2998. 9432rad/ s, ωχ2 = 2 π · 2996. 6482rad/s, ωχ3 = 2 π · 3001. 9348rad/s0对任意陀螺η，当系统工作后因>100扫频时，扫频范围为，Wmin η = Wx η-128到 Wfflax n = Wx η+128，其中Wx η为扫频前的驱动频率控制字。则从上面的第三级扫频开始，进行 二级扫频直到锁定谐振频率。3.幅频校正系数knl的产生knl伴随着扫频过程中频率控制字的变化而变化。当谐振时，SP cod = ωχ，检测幅值Vmn =(2)其中，6 为常数，Wdn为谐振时频率控制字。当(Odn= ω Xmin时，(取最大值^^ax， 定为标准幅值，设为20000，此时对应频率控制字Wmin n = 12841952。由公式2得频率控制字为Wdn时的幅频校正系数为 Γ , 216.128419522Κ、=-—2--(3)
"dn对陀螺1，频率控制字为12880363时，Ii11 = 390 ；对陀螺2，频率控制字为12870506 时，k21 = 290 ；对陀螺3，频率控制字为12893212时，k31 = 520。4.即时校正系数Iin2的产生在陀螺扫频η时，将U清零。在陀螺η没有扫频时，每检测到一次驱动幅值， 都与标准幅值广^liax =20000相比较当广m <20000，kn2在原来值的基础上加1 ；当， U在原来值的基础上减1。刚扫频结束时，驱动频率等于谐振频率，则k12 = k22 = k32 = 0。因此Ii1 = 390，k2 =290，k3 = 520。步骤七将上一步得到的频率控制字Wdl，Wd2，Wd3输入NCO，产生驱动信号 v0d,。设定NCO的信号幅值为20000，则有
VQdx = 20000cos{2n ■ 2998.9432/1 + φ Χ)；
f0d2 = 20000cos(2tt·2996.6482/ + φα2)；
V0d3 = 20000 C0S(2^·· 3001.9348 +^3)。步骤八将上一步产生的信号1^ 和第六步产生的1^依次送入幅值校正模块，输出
信号& 。刚扫频结束时，驱动频率等于谐振频率，则有
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 + 。步骤九后置处理。将^)经过D/A转换器，低通滤波器，放大器转化为模拟信号Vdn，
加在表头陀螺η上。设214转化为+IV电压，则
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)。一种多表头陀螺检测方法，包括如下步骤步骤一检测陀螺表头η的敏感模态电容C' η。通过电荷放大器或跨阻放大器， 采用差动方式进行C/V转换，将C' 的变化量AC' η，转化为电压信号Vbn，可表示为Vhn=-^V1(4)C' fn为反馈电容，AC' 为电容变化量，Vi为载波。设经过放大后的信号为
Kn = K cos(a； + φιη) COS(OydJ)Kl7 (ω)(5)(Oi为载波频率，灼 为驱动信号相位，codn为驱动信号频率，V0为信号幅值，Κη(ω) 为陀螺η的检测角速度信号，设稳定角速度运动，且&(ω) =0. 1+δη，δ η为随机误差。设 (Oi = 2 π · 105rad/s, V0 = 5V。步骤二 将上一步得到的电压信号Vbn，通过A/D转换，转化成数字信号巧 。步骤三使用载波信号Vi对上一步得到的数字信号^ 进行解调，即巧与进行逐
采样点相乘，得信号& ，则
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)&为加载在陀螺η上的载波相位，为了使三个陀螺保持一致，使载波相位差
Vm —炉', =0。步骤四将上一步得到的信号采用带通或低通滤波器滤去高频成分，则得到信
(7)其中0 0) = ^^0啦, 1’,)= ·^，设定滤波增益，使得^…)=G2(Co)= G3 (ω) = 20000，则-20000 cos( +φ η) Kn (ω)。步骤五使用陀螺驱动方法步骤七中NCO直接产生的驱动信号Rrf,,对上一步得到
的信号L进行解调，得。为了保证三陀螺输出信号一致，使得相位差^^‘=0。则有 步骤六将上一步得到的信号Vcst1采用低通滤波滤去高频 成分，得到角速度信号& 。设低通滤波器的增益为1/20000，则 Val =20000 K1 (ω)， ω2 =20000 K2 (ω)，V0l3 =20000 K3 (ω)。
步骤七角速度控制输出。
当没有陀螺扫频时必
当有且仅有陀螺1扫频时
当有且仅有陀螺1没有扫频时，则屹,=20000Κ}(ω)。
1权利要求
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Vdn和载波信号Vi，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Cn；其中，驱动信号Vdn的频率为ωdn；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Vi；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Cn；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Cn的变化量ΔCn，转化为电压信号Van；步骤三将上一步得到的陀螺n的电压信号Van，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Wdn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kn1；当陀螺工作时，根据监测的幅值信息，输出即时校正系数kn2；将kn1和kn2相加得幅值校正系数kn进行输出；当扫频时输出扫频状态字Sn，其中Sn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Snum；其中kn1，kn2和kn为B位二进制，B≥4， 设定F0为驱动力的幅值，ωd为驱动角频率，mx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Bx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Fclk，则输出信号频率Fout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ωmin，ωmax；对于任意陀螺表头n，由公式1得，当ωd＝ωx＝ωmin时，Bx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Snum＝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Snum≥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Snum≤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kn2来调整幅值；(3)当Snum≤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Wdn，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Wmin_n～Wmax_n，其中 当陀螺启动后扫频时，Wmin_n＝Wx_n ΔWn，Wmax_n＝Wx_n+ΔWn，其中Wx_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Wmin_n开始，每隔时间ΔT累加较大的范围ΔWn1(1≤ΔWn1≤0.5·(Wmax_n Wmin_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Kn1次后，则采集Kn1+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Wn1；其中Kn1＞(Wmax_n Wmin_n)/ΔWn1，ΔT＞2π/ωx_min，此过程M＝Kn1+1；然后进行第二级扫频，扫频范围从Wn1 ΔWn1到Wn1+ΔWn1，每隔时间ΔT累加ΔWn2，其中1≤ΔWn2＜0.5·ΔWn1，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Kn2，次后，采集Kn2+1个驱动幅值 找出幅值最大值和其对应的频率控制字Wn2；其中Kn2＞2□ΔWn1/ΔWn2，此过程M＝Kn2+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WnJ；则谐振频率对应的频率控制字Wdn＝WnJ输出；第三部分幅频校正系数kn1的产生kn1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ωd＝ωx，检测幅值其中，Gn为常数，Wdn为谐振时频率控制字；当ωdn＝ωmin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kn2的产生在陀螺扫频n时，将kn2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 kn2在原来值的基础上加Δkn，其中Δkn≥1；当 kn2在原来值的基础上减Δkn；步骤七将步骤六得到的谐振频率对应的频率控制字Wn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kn，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Vdn，加在陀螺表头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. 一种多表头陀螺检测方法，包括如下步骤步骤一检测陀螺表头η的敏感模态电容C' ;通过电荷放大器或跨阻放大器，进行C/ V转换，将敏感模态电容C' 的变化量AC' n，转化为电压信号Vbn;步骤二 将上一步得到的电压信号Vbn，通过A/D转换，转化成数字信号输出； 步骤三使用载波信号Vi对上一步得到的数字信号巧 进行解调，得信号 -·’ 步骤四将上一步得到的信号采用带通或低通滤波器滤去高频成分，则得到信号 步骤五使用多表头陀螺数字化驱动方法步骤七中NCO直接产生的驱动信号Raw对上 一步得到的信号&进行解调，得信号步骤六将上一步得到的信号采用低通滤波滤去高频成分，得到角速度信号 步骤七将上一步得到的角速度信号和陀螺驱动实现方法中步骤六得到的扫频状 态字Sn，进行运算，得到最终角速度信号fn··
全文摘要
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Vi，同时由驱动电路产生驱动信号Vd1，Vd2…VdN，将载波Vi和驱动信号Vd1，Vd2…VdN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…CN，根据检测到的信号调整驱动信号Vd1，Vd2…VdN，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…SN，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。
文档编号G01C19/5776GK101900554SQ20101021030
公开日2010年12月1日 申请日期2010年6月24日 优先权日2010年6月24日
发明者丁继亮, 吕湘连, 常洪龙, 李小卿, 李慧敏, 王玉朝, 赵海涛 申请人:西北工业大学