具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明一种正交力反馈闭环的小频差石英陀螺误差抑制方法做进一步说明和详细描述。

实施例1

本实施例详细阐述了本发明一种正交力反馈闭环的小频差石英陀螺误差抑制方法在具体产品实施时的详细方法。依托的陀螺装置包括石英音叉、驱动模块、检测模块、数字信号处理模块及正交力反馈闭环模块；数字信号处理模块与驱动模块、检测模块以及正交力反馈闭环模块相连。所述方法，包括1)驱动软件单元和驱动模块输出正弦驱动激励信号；2)检测模块开始进行信号检测，得到同相和正交分量；3)建立同相和正交信号PI闭环控制，分别生成同相和正交力反馈闭环信号，再经数模转换生成力反馈闭环信号；4)将力反馈信号加载到石英音叉检测端进行力反馈闭环控制，使得石英音叉检测端位移为零。所述方法实现了高灵敏度且抑制了噪声，有效改善了陀螺的零位漂移且电路易实现。

本发明所述一种正交力反馈闭环的小频差石英陀螺误差抑制方法，具体实施时，依托的石英陀螺的原理框图如图1所示。

图1中的数字处理器，具体实施时，采用STM32F405，驱动模块通过码表查询方式生成频率与石英音叉陀螺驱动端谐振频率相同的正弦驱动激励信号，石英音叉陀螺驱动端的谐振频率为9kHz，码表采用3600点的正弦码表，在STM32F405内部每4us进行一次转换，STM32F405通过DMA方式完成DAC转换，生成与石英音叉驱动端谐振频率相同的9kHz的驱动电压信号，电压信号幅值为5V；驱动激励信号通过驱动DAC单元的DAC芯片DAC80501加载到石英音叉驱动端，其中，DAC的位数为16位。驱动ADC单元的ADC芯片ADS8885 采集石英音叉陀螺驱动端的反馈信号，ADS8885芯片的位数是18位，采样率 400ksps。ADC转换时间为4us，ADC的采集时间需要与驱动DAC单元严格同步；ADS8885采集得到的石英音叉陀螺驱动端的反馈信号表示为：

Vqjin＝Ain*sin(Wd*t+p1)

其中，Vqjin为ADC采样信号，Ain为驱动幅值，Wd为驱动谐振频率，P1 是包括电路及音叉在内的总的相移或延时。STM32F405将输出的驱动激励信号，进行一定的相位补偿，产生同相和正交两路解调信号，分别为sin(Wd*t+P1')和 cos(Wd*t+P1')，用两路参考信号分别跟Vqjin相乘，并进行低通滤波，根据同相和正交两路解调参考信号，同相分量反映了驱动参考振动的幅值信息，正交分量/同相分量约为0；用正交分量/同相分量比值，作为频率调整的输入参数，通过PI算法，产生频率调节量，动态调整驱动频率，使其始终在谐振频率点振动。

检测模块进行角速度信号检测，通过检测端放大器OPA2320AIDRG放大检测端的微弱信号经过放大器放大后可以进入检测ADC，检测ADC的型号为ADS8885芯片将，与驱动ADC一致；检测ADC单元ADS8885芯片将信号经过数模转换并输入数字处理器STM32F405中；检测软件单元在数字处理器内进行正交解调，得到石英音叉陀螺检测信号的同相分量和正交分量；检测端ADC输入信号相对于驱动端的输出正弦信号也有相移P2，设表达式为:

Vjcin＝Bin*sin(Wd*t+P2)；Bin为角速度交流幅值。将输出的数字驱动信号，进行一定的相位补偿，产生同相和正交两路解调参考信号，分别为sin(Wd*t+P2') 和cos(Wd*t+P2')，用两路参考信号分别跟Vjcin相乘，并进行低通滤波，当P2'＝P2 时，则同相解调得到的同相分量幅值为Bin/2*cos(P2-P2')，正交解调得到正交分量幅值为Bin/2*sin(P2-P2')。当P2＝P2'时，同相分量达到最大值Bin/2，而正交分量达到最小；检测端DAC采用DAC80501，数字处理器内部检测力反馈闭环模块生成力反馈闭环信号，该信号包括同相分量和正交分量两部分，力反馈闭环信号通过检测DAC80501转换为模拟信号，该模拟信号连接到石英音叉陀螺检测端检测电极2，根据压电效应，可使石英音叉陀螺检测端产生与机械耦合产生的正交耦合振动和哥式效应产生的同相振动相反的位移，从而使石英音叉陀螺检测端的位移保持在0附近。

图2是本发明所述方法依托的石英陀螺检测端具体实施时的电路图。从图2 可以看出，检测端为串联支路模型，包括R2、L2和C2串联支路、静态电容C02 支路，其中R2L2C2支路代表了音叉的机械参数。在谐振频率点，L2的感抗和 C2的容抗大小相等，极性相反，两者串联起来的阻抗为0，串联支路的阻抗为 R2，支路为纯阻性。

图3和图4是本发明基于图2检测端电路的仿真结果。其中，图3是在单位电压不同频率下R2L2C2支路和C02支路的电流图，取石英音叉陀螺检测端的典型值：R2＝800k，谐振频率11.64k，Q值15000，C02值2pF，驱动信号频率点11.3kHz。在驱动信号频率点11.3kHz处，C02支路的电流是R2L2C2的75 倍，如果在该频率点加载力反馈信号，则力反馈信号通过C0支路产生的输出远大于通过R2L2C2产生的输出。

图4是单位电压下R2L2C2支路和C02支路的在驱动端谐振点处附近的电流图。要实现闭环力反馈，需要R2L2C2支路的电流大于C02支路电流。因此，要求驱动频率大于11.636kHz，与检测端的频差小于4Hz。采用陀螺，使得石英音叉陀螺的灵敏度得到了提高，有效提高了石英陀螺的噪声性能。

图3和图4表明本发明所述方法可应用于小频差石英陀螺，该小频差陀螺通过对石英音叉驱动端结构尺寸进行调整得到，具体为：修改音叉设计与检测端谐振频率小于4Hz的石英音叉驱动端结构。

图5和图6分别为石英音叉陀螺驱动端的闭环频率和幅度控制框图，对应于步骤1.2的具体实施，具体对应1.2中相位(图5)和幅度(图6)补偿系数的计算。

图5中基准相位设置为180度，表芯相频传递函数根据石英音叉驱动端特性通过实验测得，低通滤波器的传递函数根据滤波器设计参数得到，也可通过实验测得；通过PI控制器和环路增益调节，控制石英音叉驱动端工作在谐振频率处。步骤1.2中驱动软件单元通过驱动ADC单元采集石英音叉驱动端的反馈位移信号，构建闭环控制模型；其中，频率闭环控制模型包括表芯相频传递函数、低通滤波器传递函数、基准相位输入的相位加减器、PI控制器以及环路增益；幅度闭环控制模型包括表芯幅频传递函数、低通滤波器传递函数、基准相位输入的相位加减器、PI控制器以及环路增益。通过图6和图5的驱动PI闭环控制，分别计算相位和幅度补偿系数，利用计算得到的相位和幅度补偿系数对驱动激励信号进行实时调节。

图6所示为石英音叉陀螺驱动端的闭环幅度控制框图，石英音叉陀螺驱动端的幅度直接影响了石英音叉陀螺的性能，因此，不仅需要保证驱动端振动在谐振频率，还要保证其恒幅振动。与图5的不同点在于，基准变为了幅度值，即目标幅度值，表芯传递函数由相频传递函数变为幅频传递函数，该函数可根据石英音叉驱动端的特性通过实验方法获得。通过调节PI和环路增益系数，可以使石英音叉驱动端工作在恒幅振动模式。

图7和图8分别对应步骤3的具体实施，即建立石英音叉检测端同相信号 PI闭环控制(图8)和正交信号PI闭环控制(图7)，分别生成同相力反馈闭环信号和正交力反馈闭环信号，再经数模转换生成力反馈闭环信号。

图7所示为石英音叉陀螺检测端的正交分量PI闭环控制框图，这部分功能可生成力反馈闭环信号的正交分量。正交耦合输入信号为石英音叉陀螺驱动端到检测端的机械耦合信号，根据石英音叉陀螺表芯的相频传递函数和数字滤波器传递函数，设计PI闭环控制系统，通过调节PI和环路增益系数，得到与正交耦合信号相对应的力反馈闭环信号正交分量，该分量会通过检测DAC加载到石英音叉陀螺检测端检测电极2，通过石英晶体压电效应产生使石英音叉陀螺检测端产生与正交耦合相反的振动位移，从而使石英音叉陀螺检测端在正交方向的位移保持在零附近。

图8所示为石英音叉陀螺检测端的同相分量PI闭环控制框图，这部分功能可生成力反馈闭环信号的同相分量。角速度输入信号为石英音叉陀螺检测端通过哥式效应产生的与角速度成比例的信号，根据石英音叉陀螺表芯的相频传递函数和数字滤波器传递函数，设计PI闭环控制系统，通过调节PI和环路增益系数，得到与同相分量信号相对应的力反馈闭环信号同相分量，该分量会通过检测DAC加载到石英音叉陀螺检测端检测电极2，通过石英晶体压电效应产生使石英音叉陀螺检测端产生与同相相反的振动位移，从而使石英音叉陀螺检测端在同相方向的位移保持在零附近。

结合图7与图8两种力反馈闭环控制，使石英音叉陀螺检测端在正交和同相分量信号影响下的位移都为零，从而使石英音叉陀螺检测端一直保持在零位移附近；力反馈闭环信号同相分量与角速度分量有明确的对应关系，因此，通过力反馈闭环信号同相分量得到角速度的测量值，同时，避免了进行在频差处的信号滤波，因此，带宽不再受限于频差，使得石英音叉陀螺的带宽得到了拓展，能满足实际使用条件。

图9所示为石英音叉陀螺正交力反馈闭环模块电路图，包括DAC芯片 DAC80501，该芯片左侧为模拟部分，右侧为数字部分；由数字处理器通过力反馈闭环控制产生的力反馈闭环信号通过DAC80501右侧的SPI接口进入DAC80501， DAC80501将此数字信号转换为模拟信号，通过左侧的VOUT引脚输出，该模拟信号直接加载到石英音叉陀螺检测端检测电极2，至此，完成力反馈闭环控制功能。

将所述方法步骤3中生成的正交力反馈闭环信号加载到石英音叉陀螺的检测端，通过石英晶体的压电效应，使检测端产生与正交耦合和哥式运动相反的振动位移，使石英音叉陀螺检测端的位移始终维持在零附近。由于机械耦合误差正是由于石英音叉陀螺检测端的正交耦合运动引起，因此，由于检测端位移保持在零附近，则正交耦合误差信号不会通过检测放大器和检测ADC进入数字处理器，正交耦合误差信号得到了有效的抑制，通过对正交机械耦合误差的抑制可以提高陀螺的零位精度。

所述方法中，除放大器、ADC、DAC芯片外，所有功能都通过软件方法在数字信号处理器内部完成，因此，原先由模拟电路滤波器和模拟解调电路引起的直流失调、漂移引起的陀螺误差能有效消除，并且电路原理简单。

所述方法相比现有技术方案，增加了一个检测DAC芯片并且将DAC输出直接接入石英音叉陀螺检测端检测电极2，因此，电路改动简单。PI闭环控制通过软件编程实现，不需要增加新的硬件电路，因此，对原有陀螺的电路改动较小，结构无改动，实现简单可便于产品升级。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。