全角模式半球谐振陀螺控制电路设计与实现

摘要

半球谐振陀螺是一种新式振动陀螺，具有高精度、高可靠性、寿命长等特点。全角模式半球谐振陀螺（Whole-AngleModeHemisphericalResonatorGyro）更是具有大范围角速率输出的优点，能够满足国防领域中对飞航导弹的准确定位、高速巡航、精确打击等要求。相对于传统机械陀螺和光学陀螺，其两件套结构更加简单、体积更小、质量更轻。其制造工艺更适合大批量生产，能够为深空探测器、空间卫星、飞航武器、舰艇、潜水器等设备批量化生产提供必要保障。但是因为目前全角模式半球谐振陀螺制造工艺尚不成熟等原因，国内鲜有人研究全角模式半球谐振陀螺控制电路。本课题提出了一套针对全角模式半球谐振陀螺的控制方案，并设计实现了完整的控制电路。课题研究内容如下：　　依据薄壳理论、弹性力学理论建立理想状态下半球谐振陀螺的动力学模型，在依次加入弹性轴、阻尼轴误差影响最终给出较为详细的动力学模型。并依据等效电容器原理推导分析了全角模式半球谐振陀螺的检测机理和驱动机理。　　根据吕志清提出的半球谐振陀螺检测信号解调方法设计了全角模式半球谐振陀螺控制方案，设计了三个控制环路：频相跟踪环路、幅值控制环路、正交控制环路。并根据需求设计了无限脉冲响应滤波器(IIR)，最终给出整体控制逻辑框图。　　根据设计成熟的控制方案，设计实现了DSP+FPGA的双核心架构控制电路板。利用高精度浮点数DSP完成信号的计算、PI算法等，利用FPGA完成对半球谐振陀螺控制。并实现对DSP、FPGA的编程，最后给出程序流程图。　　搭建了半球谐振陀螺的测试平台，并测试了控制电路的各项性能如：DSP数据处理速度、DSP功耗、FPGA功耗、AD/DA电路功耗等。测试了半球谐振陀螺系统的各项指标如：陀螺起振时长、零漂稳定性、随机游走等。

目录

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 近年来国内外研究现状

1.3 论文的主要研究内容

第2章 半球谐振陀螺模型分析

2.1 引言

2.2 半球谐振陀螺结构分析

2.3 半球谐振陀螺振动机理分析

2.4 半球谐振陀螺检测和驱动机理分析

2.5 本章小结

第3章 全角模式半球谐振陀螺控制方案设计

3.1 引言

3.2 半球谐振陀螺电信号的解算方法

3.3 无限脉冲响应滤波器设计

3.4 半球谐振陀螺控制环路设计

3.5 整体控制方案框架

3.6 本章小结

第4章 全角模式半球谐振陀螺控制电路实现

4.1 引言

4.2 硬件电路实现

4.3 软件程序设计实现

4.4 半球谐振陀螺平台搭建与测试

4.5 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢