一种半球谐振陀螺高可靠起振系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种半球谐振陀螺高可靠起振系统及方法，适用于半球谐振陀螺或类似工作原理的振动陀螺起振控制，属于惯性仪表控制技术领域。本发明专利技术利用半球谐振陀螺谐振子的选频特性和高Q值特点，扫频起振模块可以在未检测到谐振信号情况下，不断输出谐振频率附近的频率信号激励谐振子起振，可确保谐振子起振，可靠性高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半球谐振陀螺高可靠起振系统及方法，适用于半球谐振陀螺或类似工作原理的振动陀螺起振控制，属于惯性仪表控制

技术介绍
半球谐振陀螺(HRG)是利用球壳结构的径向驻波敏感基座旋转的角速度传感器。一般其敏感元件为酒杯状的半球形谐振子，在低振幅驻波下以其谐振频率振荡。半球谐振陀螺主要包括三个部件：半球谐振子、激励罩(力矩器)和敏感基座(信号器)，它们均为熔融石英材料。并封装在高真空环境中，具有很高的品质因数，通常在107以上。由于熔融石英的杨氏模量温度系数作用，谐振器振荡频率的温度系数大约为80ppm/℃，通过起振和频率跟踪电路使参考相位信号相位锁定到谐振器振动的相位上。半球谐振子实质上是一个选频网络，输入信号的频率只有在谐振子的谐振频率附近，信号才能通过谐振子，而且信号会滞后90度相位；如果输入信号的频率和谐振子的谐振频率相差较大，谐振子会使输入信号衰减，信号将不能通过谐振子。根据自激振荡条件可知，经过谐振子选频的信号要在频率控制回路产生90度超前相位偏移，这样才能使自激振荡条件满足。本质上频率控制回路的作用就是对半球谐振子输出信号进行移相操作，使整个回路的信号相位条件满足自激振荡条件，谐振子能持续维持简谐振动。谐振子正常工作之前需要外界提供初始激励信号，保证谐振子正常起振，因此频率控制回路需要有起振功能。一般的方法是在谐振子生产过程中通过测试确定谐振子的谐振频率，在电路设计上通过调整模拟回路的阻容参数或通过跳线调整数字回路的中心频率的方法使得激励信号频率等于谐振频率。这一方面会由于模拟电路参数漂移、谐振子本身谐振频率在不同温度下的漂移，使得实际应用时激励信号频率与谐振子谐振频率发生偏移，轻则造成起振时间加长，使陀螺无法快速进入稳定工作状态，重则会造成起振失败，陀螺失效。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种半球谐振陀螺高可靠起振系统及方法，该方法对半球谐振陀螺谐振子谐振频率适应范围宽，算法简单，参数调整方便，可靠性高，可实现性强，所述的系统使得激励频率能够覆盖所有范围内谐振子谐振频率的范围，包括不同半球谐振陀螺之间保证半球谐振陀螺能够可靠、快速起振，从而提高了半球谐振陀螺的应用可靠性。本专利技术的技术解决方案是：一种半球谐振陀螺高可靠起振系统，所述的半球谐振陀螺中包括半球谐振子、谐振信号检测电极和激励电极，谐振信号检测电极用于检测半球谐振子的谐振运动，并将半球谐振子的谐振运动转换为交流电压信号；该系统包括：过零信号检测模块、扫频起振模块、起振检测模块、频率选择模块、数字频率合成DDS模块、锁相环DPLL、DA控制模块、数模转换模块和高压驱动模块；所述的过零信号检测模块首先接收谐振信号检测电极输出的表征半球谐振子谐振运动的交流电压信号，并对接收到的交流电压信号进行整形，得到方波信号fsq，并将方波信号同时输出到起振检测模块和锁相环DPLL；所述的扫频起振模块接收到外界输入的已知某一温度下的半球谐振子的谐振频率fSC，然后根据接收到的谐振频率fSC产生扫频信号fSWAP并输出给频率选择模块，产生方法为：首先，根据接收到的谐振频率fSC产生的扫频信号fSWAP的初始值为f0SWAP＝fSC-fSD，然后进行第2个扫描点的扫频信号的产生f1SWAP＝f0SWAP+fSTEP，依次类推，得到第i个扫描点的扫频信号fi+1SWAP＝fiSWAP+fSTEP，直到扫频信号fnSWAP≥fSC+fSD时，再根据接收到的谐振频率fSC产生的扫频信号fSWAP的初始值为f0SWAP＝fSC-fSD，然后进行第2个扫频信号的产生f1SWAP＝f0SWAP+fSTEP，依次类推，得到第i个扫频信号fi+1SWAP＝fiSWAP+fSTEP，直到扫频信号fnSWAP≥fSC+fSD，之后重复上述的过程；每个频率扫描点维持时间即扫频激振步进时间为tSTEP；其中，fSTEP为扫频步进频率，fSD为扫频激振频率范围，n为扫描点；所述的起振检测模块以系统时钟fosc为基准，对接收到的方波信号fsq进行计数，得到计数值为NHRG，则半球谐振子的谐振频率为判断半球谐振子的谐振频率fHRG是否满足条件fHRGL≤fHRG≤fHRGH，若满足则表示半球谐振子已起振，输出起振标志StartFlag＝1给频率选择模块，若不满足则表示半球谐振子未起振，输出起振标志StartFlag＝0给频率选择模块，fHRGL为半球谐振子起振判定范围的最低值，fHRGH为半球谐振子起振判定范围的最高值，fHRGL和fHRGH的取值根据半球谐振子的谐振频率的离散范围确定；所述的锁相环DPLL对接收到的方波信号fsq进行锁相跟踪，并输出锁相跟踪后的信号fpll给频率选择模块；所述的频率选择模块根据接收到的起振标志StartFlag，如果起振标志StartFlag＝1，则将接收到的锁相跟踪后的信号fpll输出给数字频率合成DDS模块，如果起振标志StartFlag＝0，则将接收到的扫频信号fSWAP输出给数字频率合成DDS模块；所述的数字频率合成DDS模块对接收到的锁相跟踪后的信号fpll或扫频信号fSWAP进行信号变换，产生与信号fpll或扫频信号fSWAP频率相同的正弦信号数字量，并输出到DA控制模块；所述的DA控制模块根据系统时钟fosc产生控制时序并连同接收到的正弦信号数字量一同输出给数模转换模块；所述的数模转换模块根据接收到的控制时序将接收到的正弦信号数字量转换为模拟交流信号，并将模拟交流信号输出到高压驱动模块；所述的高压驱动模块对接收到的模拟交流信号进行放大，然后将放大后的模拟交流信号输出到激励电极；所述的激励电极根据接收到的模拟交流信号产生静电力用于半球谐振陀螺谐振子激励控制，从而完成半球谐振陀螺高可靠起振。一种半球谐振陀螺高可靠起振方法，步骤包括：(1)过零信号检测模块首先接收谐振信号检测电极输出的表征半球谐振子谐振运动的交流电压信号，并对接收到的交流电压信号进行整形，得到方波信号fsq，并将方波信号同时输出到起振检测模块和锁相环DPLL；(2)扫频起振模块接收到外界输入的已知某一温度下的半球谐振子的谐振频率fSC，然后根据接收到的谐振频率fSC产生扫频信号fSWAP并输出给频率选择模块，产生方法为：首先，根据接收到的谐振频率fSC产生的扫频信号fSWAP的初始值为f0SWAP＝fSC-fSD，然后进行第2个扫描点的扫频信号的产生f1SWAP＝f0SWAP+fSTEP，依次类推，得到第i个扫描点的扫频信号fi+1SWAP＝fiSWAP+fSTEP，直到扫频信号fnSWAP≥fSC+fSD时，再根据接收到的谐振频率fSC产生的扫频信号fSWAP的初始值为f0SWAP＝fSC-fSD，然后进行第2个扫频信号的产生f1SWAP＝f0SWAP+fSTEP，依次类推，得到第i个扫频信号fi+1SWAP＝fiSWAP+fSTEP，直到扫频信号fnSWAP≥fSC+fSD，之后重复上述的过程；每个频率扫描点维持时间即扫频激振步进时间为tSTEP；其中，fSTEP为扫频步进频率，fSD为扫频激振频率范围，n为扫描点；(3)起振检测模块以系统时钟fosc为基准，对接收到的方波信号fsq进行计数，得到计数值为NHR本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半球谐振陀螺高可靠起振系统，其特征在于：该系统包括过零信号检测模块、扫频起振模块、起振检测模块、频率选择模块、数字频率合成DDS模块、锁相环DPLL、DA控制模块、数模转换模块和高压驱动模块；所述的过零信号检测模块首先接收谐振信号检测电极输出的表征半球谐振子谐振运动的交流电压信号，并对接收到的交流电压信号进行整形，得到方波信号fsq，并将方波信号同时输出到起振检测模块和锁相环DPLL；所述的扫频起振模块接收到外界输入的已知某一温度下的半球谐振子的谐振频率fSC，然后根据接收到的谐振频率fSC产生扫频信号fSWAP并输出给频率选择模块；所述的起振检测模块以系统时钟fosc为基准，对接收到的方波信号fsq进行计数，得到计数值为NHRG，则半球谐振子的谐振频率为判断半球谐振子的谐振频率fHRG是否满足条件fHRGL≤fHRG≤fHRGH，若满足则表示半球谐振子已起振，输出起振标志StartFlag＝1给频率选择模块，若不满足则表示半球谐振子未起振，输出起振标志StartFlag＝0给频率选择模块，fHRGL为半球谐振子起振判定范围的最低值，fHRGH为半球谐振子起振判定范围的最高值，fHRGL和fHRGH的取值根据半球谐振子的谐振频率的离散范围确定；所述的锁相环DPLL对接收到的方波信号fsq进行锁相跟踪，并输出锁相跟踪后的信号fpll给频率选择模块；所述的频率选择模块根据接收到的起振标志StartFlag，如果起振标志StartFlag＝1，则将接收到的锁相跟踪后的信号fpll输出给数字频率合成DDS模块，如果起振标志StartFlag＝0，则将接收到的扫频信号fSWAP输出给数字频率合成DDS模块；所述的数字频率合成DDS模块对接收到的锁相跟踪后的信号fpll或扫频信号fSWAP进行信号变换，产生与信号fpll或扫频信号fSWAP频率相同的正弦信号数字量，并输出到DA控制模块；所述的DA控制模块根据系统时钟fosc产生控制时序并连同接收到的正弦信号数字量一同输出给数模转换模块；所述的数模转换模块根据接收到的控制时序将接收到的正弦信号数字量转换为模拟交流信号，并将模拟交流信号输出到高压驱动模块；所述的高压驱动模块对接收到的模拟交流信号进行放大，然后将放大后的模拟交流信号输出到激励电极。...

【技术特征摘要】
1.一种半球谐振陀螺高可靠起振系统，其特征在于：该系统包括过零信号检测模块、扫频起振模块、起振检测模块、频率选择模块、数字频率合成DDS模块、锁相环DPLL、DA控制模块、数模转换模块和高压驱动模块；所述的过零信号检测模块首先接收谐振信号检测电极输出的表征半球谐振子谐振运动的交流电压信号，并对接收到的交流电压信号进行整形，得到方波信号fsq，并将方波信号同时输出到起振检测模块和锁相环DPLL；所述的扫频起振模块接收到外界输入的已知某一温度下的半球谐振子的谐振频率fSC，然后根据接收到的谐振频率fSC产生扫频信号fSWAP并输出给频率选择模块；所述的起振检测模块以系统时钟fosc为基准，对接收到的方波信号fsq进行计数，得到计数值为NHRG，则半球谐振子的谐振频率为判断半球谐振子的谐振频率fHRG是否满足条件fHRGL≤fHRG≤fHRGH，若满足则表示半球谐振子已起振，输出起振标志StartFlag＝1给频率选择模块，若不满足则表示半球谐振子未起振，输出起振标志StartFlag＝0给频率选择模块，fHRGL为半球谐振子起振判定范围的最低值，fHRGH为半球谐振子起振判定范围的最高值，fHRGL和fHRGH的取值根据半球谐振子的谐振频率的离散范围确定；所述的锁相环DPLL对接收到的方波信号fsq进行锁相跟踪，并输出锁相跟踪后的信号fpll给频率选择模块；所述的频率选择模块根据接收到的起振标志StartFlag，如果起振标志StartFlag＝1，则将接收到的锁相跟踪后的信号fpll输出给数字频率合成DDS模块，如果起振标志StartFlag＝0，则将接收到的扫频信号fSWAP输出给数字频率合成DDS模块；所述的数字频率合成DDS模块对接收到的锁相跟踪后的信号fpll或扫频信号fSWAP进行信号变换，产生与信号fpll或扫频信号fSWAP频率相同的正弦信号数字量，并输出到DA控制模块；所述的DA控制模块根据系统时钟fosc产生控制时序并连同接收到的正弦信号数字量一同输出给数模转换模块；所述的数模转换模块根据接收到的控制时序将接收到的正弦信号数字量转换为模拟交流信号，并将模拟交流信号输出到高压驱动模块；所述的高压驱动模块对接收到的模拟交流信号进行放大，然后将放大后的模拟交流信号输出到激励电极。2.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺高可靠起振系统，其特征在于：所述的扫频起振模块根据谐振频率fSC产生扫频信号fSWAP的产生方法为：首先，根据接收到的谐振频率fSC产生的扫频信号fSWAP的初始值为f0SWAP＝fSC-fSD，然后进行第2个扫描点的扫频信号的产生f1SWAP＝f0SWAP+fSTEP，依次类推，得到第i个扫描点的扫频信号fi+1SWAP＝fiSWAP+fSTEP，直到扫频信号fnSWAP≥fSC+fSD时，再根据接收到的谐振频率fSC产生的扫频信号fSWAP的初始值为f0SWAP＝fSC-fSD，然后进行第2个扫频信号的产生f1SWAP＝f0SWAP+fSTEP，依次类推，得到第i个扫频信号fi+1SWAP＝fiSWAP+fSTEP，直到扫频信号fnSWAP≥fSC+fSD，之后重复上述的过程；每个频率扫描点维持时间即扫频激振步进时间为tSTEP；其中，fSTEP为扫频步进频率，fSD为扫频激振频率范围，n为扫描点。3.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺高可靠起振系统，其特征在于：所述的半球谐振陀螺中包括半球谐振子、谐振信号检测电极和激励电极。4.根据权利要求3所述的一种半球谐振陀螺高可靠起振系统，其特征在于：谐振信号检测电极用于检测半球谐振子的谐振运动，并将半球谐振子的谐振运动转换为交流电压信号。5.根据权利要求3所述的一种半球谐振陀螺高可靠...

【专利技术属性】
技术研发人员：武志忠，李建朋，冯士伟，刘吉利，李恺，付明睿，李杰彦，王月，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11