半球谐振陀螺力再平衡数字控制技术

【摘要】：半球谐振陀螺是利用哥氏效应工作的振动惯性器件,因其高精度、高可靠性、长寿命等优点在军事和民用领域具有广阔的应用前景。目前,国内研制的半球谐振陀螺样机多采用模拟控制方案,但模拟电路存在漂移误差大、调试费力、温度误差难以补偿等一系列固有缺点。本文实现了力再平衡模式下半球谐振陀螺数字控制方案。论文首先对半球谐振陀螺数字控制关键技术与实现方法进行了研究,然后设计实现了半球谐振陀螺力再平衡数字控制回路,并且基于数字控制回路中谐振频率与陀螺振子温度的相关性,对半球谐振陀螺温度漂移进行补偿。论文的主要研究工作和创新点如下: 1.基于FPGA平台设计实现了半球谐振陀螺数字控制回路,包括频率跟踪控制回路、幅值控制回路、正交控制回路、速率控制回路,完成了各回路功能验证和性能测试。 2.针对频率跟踪控制回路,分析了半球谐振陀螺的频率特性,设计了数字锁相环的控制方案,解决了半球谐振陀螺激励信号与输出信号频率不一致的问题。 3.针对幅值控制回路,研究了力再平衡模式下谐振子的振动过程,在此基础上进行了理论推导并给出了幅值控制回路的控制方案,维持振型幅值的恒定。 4.针对正交控制回路,建立了半球谐振陀螺正交漂移的数学模型,设计了将0度电极轴与45度电极轴上振型的相位差作为正交控制回路误差量的控制方法,解决了半球谐振子周向频率不一致的问题。实验结果表明利用这种控制方案可以有效的消除半球谐振陀螺的正交漂移。 5.针对速率控制回路,分析了谐振子振型的进动过程,推导了振型位置与反馈激励力之间的数学关系,解决了由于载体旋转导致谐振子振型进动的问题,维持了振型的零进动状态。 6.深入分析了温度效应对半球谐振陀螺控制电路的影响,并对半球谐振陀螺温度补偿方法进行了研究。针对半球谐振陀螺温度难以直接测量这一问题,设计了通过谐振频率间接测量温度的方法。在此基础上建立半球谐振陀螺温度漂移模型并在软件补偿了温度误差。实验结果表明,在经过补偿后,当温度从-10℃变化到40℃时,半球谐振陀螺的温漂误差降低到原来的30%,有效的抑制半球谐振陀螺的温度漂移,提高了陀螺的精度。