CN116046016B - 一种半球谐振陀螺控制电路相位滞后补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半球谐振陀螺控制电路相位滞后补偿方法，步骤一，误差激励载波设计；步骤二误差辨识与补偿。该方法依据半球谐振陀螺控制电路相频特性与半球谐振陀螺振动信号特性进行相位滞后误差激励与辨识，达到半球谐振陀螺相位滞后误差实时估计与补偿，进一步提升全角控制精度的目的。

Description

一种半球谐振陀螺控制电路相位滞后补偿方法

技术领域

本发明属于惯性测量技术领域，具体涉及一种半球谐振陀螺控制电路相位滞后补偿方法。

背景技术

在现代化战争中，要求新一代武器装备具备精确打击、快速反应、强抗干扰能力。陀螺仪器是惯性导航***的核心器件，是提高武器***的战场应变能力、生存能力和协同作战等能力的关键技术。

速率积分半球谐振陀螺是利用半球谐振子振动驻波沿环向的进动来敏感基座角运动的固体波动陀螺。其采用谐振子和平板电极“两件套”结构，具备高精度的同时，结构更加简单，更适合低成本大批量生产，可直接测量载体转动角度，且谐振子的驻波进动系数仅由谐振子结构决定，标度因数稳定性极好，具备高精度、抗辐照、低功耗、小体积、高可靠性、寿命长且全寿命免维护的独特优点，满足新一代武器装备的发展需求。

半球谐振陀螺的信号检测是通过敏感谐振子唇缘与平板电极间的距离变化产生的电流信号完成的。该电流信号非常微弱，需要经过调理电路与放大电路，由于电路中电容、运放、模数转换器等元器件会使电流信号相位发生改变。因此，通过AD采样得到的信号与实际信号存在相位偏差。由于参考信号是通过IQ解调与频率跟踪后得到，该相位偏差同样存在于参考信号中。而半球谐振陀螺的稳幅、正交与虚拟旋转控制均是通过参考信号对控制电压进行调制后施加到平板电极产生静电力实现。而控制信号与谐振子振动信号间的相位偏差会引入额外的控制误差。因此，依据半球谐振陀螺控制电路相频特性与半球谐振陀螺振动信号特性设置特定频率的载波对半球谐振陀螺控制电路误差进行激励，实现半球谐振陀螺控制电路相位滞后误差辨识，达到半球谐振陀螺相位滞后误差实时估计与补偿，进一步提升全角控制精度的目的。

发明内容

本发明提供一种半球谐振陀螺控制电路相位滞后补偿方法,设计特定频率的载波实现控制电路误差激励与辨识，达到提升全角控制精度的目的。

一种半球谐振陀螺控制电路相位滞后补偿方法，包括如下步骤：

步骤一、误差激励载波设计

信号在陀螺控制电路中的传播过程其相位产生偏移，假设存在频率为ω₁的正弦信号，当该信号经过陀螺控制电路后原信号由sin(ω₁t)变为其中/>为陀螺控制电路在频点ω₁处的相位误差；当该信号为谐振子振动信号时，采用IQ解调法对该信号进行解调跟踪：

式中，ω_ref表示参考信号频率，LPF()表示低通滤波器；由上式求得信号与参考信号间的相位差为：

该相位差通过PID控制器反馈给数字频率合成器后将对参考信号的频率与相位进行调整，直至参考信号与谐振子振动信号同频同相；在频率跟踪环路作用下，相位差将无法直接观测，该误差通过参考信号与控制信号调制后影响幅值、正交和虚拟旋转控制回路精度，因此需要对该相位差进行测量与补偿；

若假设ω₂为给定已知频率，通过数字频率合成器生成信号sin(ω₂t)，该信号经过陀螺控制电路后原信号由sin(ω₂t)变为其中/>为陀螺控制电路在频点ω₂处的相位误差；同样采用IQ解调法对该信号进行解调，该信号由数字频率合成器生成，其频率与相位为已知量；以自身做为参考信号，而无需采用锁相环进行频率跟踪，由此可得：

由上式求得在频点ω₂处的电路相位差为：

通过上式即可求取任意频点处的电路相位差；若陀螺控制电路相位误差不变时，通过上述方法可提前对该误差进行标定，在陀螺正常工作时将其补偿到控制调制信号即可消除该误差；对电路相位误差进行实时观测与补偿，任意两个频率处的相位差存在如下关系:

通过任意频点ω₂处的相位误差求取谐振频率处的相位误差；当陀螺处于正常工作状态时，在陀螺信号上施加频率已知的载波信号，表示为：

I_in＝sin(ω₁t)+sin(ω₂t)

经过陀螺控制电路采样得到的信号为：

当采用参考信号作IQ解调时可得

当载波信号频率ω₂接近谐振频率ω₁时，为了保证滤波精度需设置载波信号频率远离谐振子谐振频率，此时采用载波信号自身作IQ解调时可得：

这样即可保证谐振子振动参数正常解算，同时实现陀螺控制电路在频率ω₂处的相位误差实时解算；

步骤二、误差辨识与补偿

依据上述陀螺控制电路相位误差估计方法，通过设计合理的载波信号可实现频点ω₂处的相位误差实时解算，进一步通过函数

即可实现当前谐振频率处的相位差估计与补偿，函数H(·)可通过对电路的传递函数求取。

进一步地，步骤二中，当电路比较复杂，函数H(·)难以直接求取时，可通过求取多个频点处的相位差并建立相位误差的估计模型，实现谐振频率ω₁处的相位误差实时估计与补偿。

本发明的有益效果是，依据半球谐振陀螺控制电路相频特性与半球谐振陀螺振动信号特性，设计特定频率的载波控制电路误差激励与辨识，该算法原理简单且易于实现，可以在不影响半球谐振陀螺正常工作的同时实现相位误差实时估计，提高半球谐振陀螺控制精度。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细说明。

本发明的核心是依据半球谐振陀螺控制电路相频特性与半球谐振陀螺振动信号特性，设计特定频率的载波控制电路误差激励与辨识。

各项关键技术详细论证如下：

步骤一、误差激励载波设计

信号在陀螺控制电路中的传播过程其相位会产生偏移，假设存在频率为ω₁的正弦信号，当该信号经过陀螺控制电路后原信号由sin(ω₁t)变为其中/>为陀螺控制电路在频点ω₁处的相位误差。当该信号为谐振子振动信号时，可采用IQ解调法对该信号进行解调跟踪：

式中，ω_ref表示参考信号频率，LPF()表示低通滤波器。由上式求得信号与参考信号间的相位差为：

该相位差通过PID控制器反馈给数字频率合成器后将对参考信号的频率与相位进行调整，直至参考信号与谐振子振动信号同频同相。因此，在频率跟踪环路作用下，相位差将无法直接观测，该误差通过参考信号与控制信号调制后影响幅值、正交和虚拟旋转控制回路精度。因此需要对该相位差进行测量与补偿。

若假设ω₂为给定已知频率，通过数字频率合成器生成信号sin(ω₂t)，该信号经过陀螺控制电路后原信号由sin(ω₂t)变为其中/>为陀螺控制电路在频点ω₂处的相位误差。同样可采用IQ解调法对该信号进行解调，但不同于谐振子振动信号解调之处在于该信号由数字频率合成器生成，其频率与相位为已知量。因此可以以自身做为参考信号，而无需采用锁相环进行频率跟踪，由此可得

由上式求得在频点ω₂处的电路相位差为：

通过上式即可求取任意频点处的路相位差。若陀螺控制电路相位误差不变时，通过上述方法可提前对该误差进行标定，在陀螺正常工作时将其补偿到控制调制信号即可消除该误差。但电路相位误差不仅受谐振信号频率影响还受温度等外界环境因素影响，需要对其进行实时观测与补偿。通过对电路的幅频特性进行分析可以得到任意两个频率处的相位差存在如下关系:

因此,可以通过任意频点ω₂处的相位误差求取谐振频率处的相位误差。当陀螺处于正常工作状态时，可在陀螺信号上施加频率已知的载波信号，可表示为：

I_in＝sin(ω₁t)+sin(ω₂t)

经过陀螺控制电路采样得到的信号为：

当采用参考信号作IQ解调时可得

由上式可知，谐振子振动参数的辨识精度受载波信号频率与低通滤波性能影响。当载波信号频率ω₂接近谐振频率ω₁时，要消除载波信号对振动参数解算的影响对低通滤波器的设计提出了较高的要求，低通滤波器截止频率需位于ω₁与ω₂之间，且需具有较高的衰减倍数。因此，为了保证滤波精度需设置载波信号频率远离谐振子谐振频率，此时采用载波信号自身作IQ解调时可得

这样即可保证谐振子振动参数正常解算，同时实现陀螺控制电路在频率ω₂处的相位误差实时解算。

步骤二、误差辨识与补偿

依据上述陀螺控制电路相位误差估计方法，通过设计合理的载波信号可实现频点ω₂处的相位误差实时解算，进一步通过函数

即可实现当前谐振频率处的相位差估计与补偿。而函数H(·)可通过对电路的传递函数求取。当电路比较复杂函数H(·)难以直接求取时，可通过求取多个频点处的相位差并建立相位误差的估计模型，实现谐振频率ω₁处的相位误差实时估计与补偿。

上述具体实施方式仅限于解释和说明本发明的技术方案，但并不能构成对权利要求保护范围的限定。在本发明的技术方案的基础上做任何简单的变形或替换而得到的新的技术方案，均落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种半球谐振陀螺控制电路相位滞后补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、误差激励载波设计

信号在陀螺控制电路中的传播过程其相位产生偏移，假设存在频率为ω₁的正弦信号，当该信号经过陀螺控制电路后原信号由sin(ω₁t)变为其中/>为陀螺控制电路在频点ω₁处的相位误差；当该信号为谐振子振动信号时，采用IQ解调法对该信号进行解调跟踪：

式中，ω_ref表示参考信号频率，LPF()表示低通滤波器；由上式求得信号与参考信号间的相位差为：

该相位差通过PID控制器反馈给数字频率合成器后将对参考信号的频率与相位进行调整，直至参考信号与谐振子振动信号同频同相；在频率跟踪环路作用下，相位差将无法直接观测，该误差通过参考信号与控制信号调制后影响幅值、正交和虚拟旋转控制回路精度，因此需要对该相位差进行测量与补偿；

若假设ω₂为给定已知频率，通过数字频率合成器生成信号sin(ω₂t)，该信号经过陀螺控制电路后原信号由sin(ω₂t)变为其中/>为陀螺控制电路在频点ω₂处的相位误差；同样采用IQ解调法对该信号进行解调，该信号由数字频率合成器生成，其频率与相位为已知量；以自身做为参考信号，而无需采用锁相环进行频率跟踪，由此可得：

由上式求得在频点ω₂处的电路相位差为：

通过上式即可求取任意频点处的电路相位差；若陀螺控制电路相位误差不变时，通过上述方法可提前对该误差进行标定，在陀螺正常工作时将其补偿到控制调制信号即可消除该误差；对电路相位误差进行实时观测与补偿，任意两个频率处的相位差存在如下关系:

通过任意频点ω₂处的相位误差求取谐振频率处的相位误差；当陀螺处于正常工作状态时，在陀螺信号上施加频率已知的载波信号，表示为：

I_in＝sin(ω₁t)+sin(ω₂t)

经过陀螺控制电路采样得到的信号为：

当采用参考信号作IQ解调时可得

当载波信号频率ω₂接近谐振频率ω₁时，为了保证滤波精度需设置载波信号频率远离谐振子谐振频率，此时采用载波信号自身作IQ解调时可得：

这样即可保证谐振子振动参数正常解算，同时实现陀螺控制电路在频率ω₂处的相位误差实时解算；

步骤二、误差辨识与补偿

依据上述陀螺控制电路相位误差估计方法，通过设计合理的载波信号可实现频点ω₂处的相位误差实时解算，进一步通过函数

即可实现当前谐振频率处的相位差估计与补偿，函数H(·)可通过对电路的传递函数求取。

2.根据权利要求1所述的一种半球谐振陀螺控制电路相位滞后补偿方法，其特征在于，步骤二中，当电路比较复杂，函数H(·)难以直接求取时，可通过求取多个频点处的相位差并建立相位误差的估计模型，实现谐振频率ω₁处的相位误差实时估计与补偿。