一種半球諧振陀螺儀的力反饋控制系統及控制方法與流程

2023-07-04 06:05:51 4

本發明涉及一種半球諧振陀螺儀的力反饋控制系統及控制方法，屬於慣性儀表控制技術領域，該控制系統及控制方法應用於半球諧振陀螺儀力反饋工作模式中，是半球諧振陀螺儀控制方法的一種實現方式。

背景技術：

慣性儀表是宇航飛行器控制系統中重要的部件之一，用於測量宇航飛行器的姿態信息。半球諧振陀螺儀是一種具有長壽命、高可靠性、抗輻射的新型固態振動陀螺，是宇航飛行器控制系統中慣性測量部件中的重要的選擇之一。美國在上世紀六十年代率先開始進行半球諧振陀螺儀的研製，俄羅斯和法國等國也逐步開始半球諧振陀螺儀的研製，經過近半個世紀的發展，半球諧振陀螺技術不斷提高，並且已經大面積應用在武器、飛機、鑽井和宇航飛行器等領域中，已經成為重要的慣性姿態敏感器。目前半球諧振陀螺儀在空間領域已正常運行2500萬小時，成功率100％，無一失效。國內對半球諧振陀螺技術的研究起步較晚，於上世紀八十年代後期開始研究半球諧振陀螺，前期也取得了一定階段性的研究成果，並研製出了原理樣機。但是受到當時外界環境因素的影響，國內對半球諧振陀螺的研製投入逐步減弱，半球諧振陀螺技術在國內的發展也就進展緩慢。隨著國外在半球諧振陀螺儀技術上的成熟，並歷經成功的應用飛行經歷，半球諧振技術重新得到國內各科研院所的重視。航天502所和中電26所一直持續跟蹤半球諧振陀螺技術的發展，並開展半球諧振陀螺儀的研製，目前研製的半球諧振陀螺儀已成功應用到武器和宇航飛行器中。2002年我國發射的實踐九號實驗衛星搭載3個半球諧振陀螺，衛星實驗壽命期間半球諧振陀螺工作正常，完成國產半球諧振陀螺的首次空間應用。

目前國內對半球諧振陀螺控制電路的實現上大多採用模擬電路實現，這種實現方式不利於半球諧振陀螺儀性能的提高。半球陀螺中的石英諧振子對外界溫度比較敏感，外界溫度的變化會使半球諧振子的諧振頻率發生漂移；模擬電路對這種變化的適應性較差，會造成半球諧振陀螺的隨機漂移穩定性變差。模擬力反饋控制電路對石英諧振子的諧振頻率漂移無法同步跟蹤，導致波節幅度解調不穩定，影響力反饋控制迴路的控制精度和效果。

技術實現要素：

本發明的技術解決的問題：克服現有模擬力反饋控制迴路對外界溫度適應性較差的問題，提供了一種能適應半球諧振陀螺外界環境溫度變化對半球諧振陀螺儀影響的力反饋控制方法，特別是一種半球諧振陀螺儀的力反饋控制系統及控制方法，該方法及系統能夠保證力反饋控制迴路的控制精度和半球諧振陀螺性能的穩定。

本發明的技術解決方案：

一種半球諧振陀螺儀的力反饋控制系統，該控制系統包括微弱信號檢測模塊、信號預處理模塊、波節信號幅度解調模塊、頻率同步跟蹤模塊、控制器、反饋信號調製模塊和驅動信號高壓轉換模塊；

所述的微弱信號檢測模塊是利用電容檢測的技術將半球諧振子的微振動運動檢測出來，然後將半球諧振子的微振動形變轉化為電壓信號，再將電壓信號輸出給信號預處理模塊；

所述的信號預處理模塊是將微弱信號檢測模塊拾取到反映半球諧振子振動情況的電壓信號進行濾波處理，濾除半球諧振子諧振頻率以外的幹擾信號，提升力反饋控制迴路中信號的信噪比，該信號預處理模塊需要保證濾波的過程中保證信號有較小的信號相移；經過濾波處理後的電壓信號一部分輸出給波節信號幅度解調模塊，另一部分輸出給頻率同步跟蹤模塊；

所述的頻率同步跟蹤模塊對接收到的信號預處理模塊濾波處理後的電壓信號進行同步跟蹤，產生開關控制信號和與信號預處理模塊濾波處理的信號同頻率、相位滯後90°的交流電壓信號，所產生的開關控制信號輸出給波節信號幅度解調模塊，所產生的與信號預處理模塊濾波處理的信號同頻率、相位滯後90°的交流電壓信號輸出給反饋信號調製模塊；

所述的波節信號幅度解調模塊根據接收到的開關控制信號對接收到的經過濾波處理後的電壓信號進行幅值解調，輸出幅值電壓信號給控制器；

所述的控制器對接收到的幅值電壓信號進行校正，並將校正後的幅值電壓信號輸出給反饋信號調製模塊；所述的控制器為帶有積分環節的校正控制器；

所述的反饋信號調製模塊根據接收到的校正後的幅值電壓信號對接收到的交流電壓信號進行乘法調製，得到調製後的交流信號，然後輸出給驅動信號高壓轉換模塊；

所述的驅動信號高壓轉換模塊對接收到的調製後的交流信號進行交流放大，交流放大後的信號輸出到半球諧振子的激勵電極；半球諧振子在激勵電極的作用下完成半球諧振子力反饋控制，使半球諧振子的諧振駐波處於平衡零位；

所述的微弱信號檢測模塊包括兩組電路，該兩組電路的結構組成相同，其中一組電路包括檢測電極CS100、電阻R100和運算放大器OP100；檢測電極CS100的一端接地，檢測電極CS100的另一端接到運算放大器OP100的正輸入端；電阻R100一端接到運算放大器OP100的正輸入端，電阻R100另一端接地；運算放大器OP100的負輸入端與運算放大器OP100的輸出端連接，該組電路的運算放大器OP100的輸出端作為該組電路的輸出埠V1輸出信號V1；另一組電路包括檢測電極CS100』、電阻R100』和運算放大器OP100』；檢測電極CS100』的一端接地，檢測電極CS100』的另一端接到運算放大器OP100』的正輸入端；電阻R100』一端接到運算放大器OP100』的正輸入端，電阻R100』另一端接地；運算放大器OP100』的負輸入端與運算放大器OP100』的輸出端連接，該組電路的運算放大器OP100』的輸出端作為該組電路的輸出埠V2輸出信號V2；

所述的信號預處理模塊包括電阻R200、電阻R201、電阻R202、電阻R203、電阻R204、電阻R205、電阻R206、電阻R207、電容C200、電容C201、運算放大器OP200和運算放大器OP201；電阻R200的一端與微弱信號檢測模塊的電路的輸出埠V1連接，電阻R200的另一端與電阻R203的一端、運算放大器OP200的負輸入端連接，電阻R203的另一端與運算放大器OP200的輸出端、電阻R204的一端連接；電阻R201的一端與微弱信號檢測模塊的電路的輸出埠V2連接，電阻R201的另一端與電阻R202的一端、運算放大器OP200的正輸入端連接，電阻R202的另一端接地；電阻R204的另一端與電容C200的一端、電容C201的一端、電阻R206的一端連接，電阻R206的另一端接地，電容C200的另一端與運算放大器OP201的負輸入端、電阻R205的一端連接，電容C201的另一端與電阻R205的另一端、運算放大器OP201的輸出端連接，且運算放大器OP201的輸出端作為該信號預處理模塊(200)的輸出端V3輸出信號V3；運算放大器OP201的正輸入端與電阻R207的一端連接，電阻R207的另一端接地；

所述的波節信號幅度解調模塊包括電阻R300、電阻R301、電阻R302、電阻R303、電容C300、運算放大器OP300和模擬開關SW300；電阻R300的一端與信號預處理模塊的輸出端V3連接，電阻R300的另一端與電阻R301的一端、運算放大器OP300的負輸入端連接，電阻R301的另一端與運算放大器OP300的輸出端、模擬開關SW300的第二通道ch2連接，運算放大器OP300的正輸入端與電阻R302的一端連接，電阻R302的另一端接地；模擬開關SW300的第一通道ch1與信號預處理模塊的輸出端V3連接，模擬開關SW300的第一通道ch1的通斷由控制信號SWCH1進行控制，模擬開關SW300的第二通道ch2的通斷由控制信號SWCH2進行控制；模擬開關SW300的第一通道ch1的輸出端和模擬開關SW300的第二通道ch2的輸出端均與電阻R303的一端連接，電阻R303的另一端與電容C300的一端連接，電容C300的另一端接地，電阻R303的另一端作為波節信號幅度解調模塊的輸出端V4輸出信號V4；

所述的頻率同步跟蹤模塊包括過零比較器401、鑑頻鑑相器402、比例計數器403、積分計數器404、第一全加器405、寄存器406、第二全加器407、查找表(LUT)408、數模轉換(DA)409；過零比較器401接收信號預處理模塊的輸出的V3信號，對接收到的V3信號進行過零比較，產生方波信號，然後將方波信號輸出到鑑頻鑑相器402；鑑頻鑑相器402接收過零比較器401輸出的方波信號A和寄存器406輸出的方波信號B，並對方波信號A和方波信號B鑑頻鑑相，產生方波信號A和方波信號B之間的相位脈寬信號C，相位脈寬信號C分別輸出到比例計數器403和積分計數器404；比例計數器403對相位脈寬信號C進行周期計數，產生周期計數值NP，並輸出到第一全加器405；積分計數器404對相位脈寬信號C進行持續累加計數，產生累加計數值NI，並輸出到第一全加器405；第一全加器405對NP、NI相加，產生第一全加和N1，並輸出到第二全加器407；第二全加器407對第一全加和N1、寄存器406輸出值和半球諧振陀螺工作頻率設定值相加，產生第二全加和N2，並輸出到寄存器406，同時第二全加和N2作為累加相位輸出到查找表(LUT)408；寄存器406對接收到的第二全加和N2進行緩存，將緩存後的N2作為寄存器406輸出值輸出到第二全加器407，同時將緩存後的N2值的最高位作為反饋信號即方波信號B輸出到鑑頻鑑相器402；查找表(LUT)408根據累加相位產生模擬開關SW300的第一通道ch1的通斷控制信號SWCH1和模擬開關SW300的第二通道ch2的通斷控制信號SWCH2，同時查找表(LUT)408根據累加相位對查表獲得的數據通過數模轉換(DA)409進行數模轉換後作為輸出端輸出交流信號V6。

所述的控制器包括電阻R500、電阻R501、電阻R502、電容C500、電容C501、運算放大器OP500；電阻R500的一端連接波節信號幅度解調模塊的輸出端V4，電阻R500的另一端與電阻R501的一端、電容C500的一端、運算放大器OP500的負輸入端連接，電阻R501的另一端、電容C500的另一端均與電容C501的一端連接，電容C501的另一端與運算放大器OP500的輸出端連接，電容C501的另一端作為控制器輸出端V5輸出信號V5；運算放大器OP500的正輸入端與電阻R502的一端連接，電阻R502的另一端接地；

所述的反饋信號調製模塊對接收到的信號V5和V6進行相乘後通過輸出端V7輸出信號V7；

所述的驅動信號高壓轉換模塊包括電阻R700、電阻R701、電阻R702、電阻R703、電阻R704、電阻R705、電容C700、運算放大器OP700和三極體Q700；電阻R700的一端與反饋信號調製模塊的輸出端V7連接，電阻R700的另一端與運算放大器OP700的負輸入端、電阻R702的一端連接，電阻R701的一端接地，電阻R701的另一端與運算放大器OP700的負輸入端連接，電阻R702的另一端與運算放大器OP700的輸出端、電容C700的一端連接，電容C700的另一端與電阻R703、三極體Q700的基極連接，電阻R703的另一端與電阻R704的一端、高壓電源HV連接，電阻R704的另一端與、電阻R705的一端和三極體Q700的集電極連接，電阻R705的另一端作為輸出端V8輸出信號V8；，三極體Q700的發射極接地。

一種半球諧振陀螺儀的力反饋控制方法，該方法的步驟包括：

(1)採用微弱信號檢測模塊對半球諧振陀螺的半球諧振子的振動狀態進行檢測，然後將半球諧振子的振動狀態轉化為交流電壓信號，並將轉化後的交流電壓信號輸出給信號預處理模塊；

(2)信號預處理模塊對微弱信號檢測模塊輸出的交流電壓信號進行濾波處理，濾除半球諧振子諧振頻率以外的幹擾信號，提升力反饋控制迴路中信號的信噪比，經過濾波處理後的電壓信號一部分輸出給波節信號幅度解調模塊，另一部分輸出給頻率同步跟蹤模塊；

(3)頻率同步跟蹤模塊對接收到的信號預處理模塊濾波處理後的交流電壓信號進行同步跟蹤，產生開關控制信號和與信號預處理模塊濾波處理的信號同頻率、相位滯後90°的交流電壓信號，所產生的開關控制信號輸出給波節信號幅度解調模塊，所產生的與信號預處理模塊濾波處理的信號同頻率、相位滯後90°的交流電壓信號輸出給反饋信號調製模塊；

(4)波節信號幅度解調模塊根據接收到的開關控制信號對接收到的經過濾波處理後的電壓信號進行幅值解調，輸出幅值電壓信號給控制器；

(5)控制器對接收到的幅值電壓信號進行校正，並將校正後的幅值電壓信號輸出給反饋信號調製模塊；所述的控制器為帶有積分環節的校正控制器；

(6)反饋信號調製模塊根據接收到的校正後的幅值電壓信號對接收到的交流電壓信號進行乘法調製，得到調製後的交流信號，然後輸出給驅動信號高壓轉換模塊；

(7)驅動信號高壓轉換模塊對接收到的調製後的交流信號進行交流放大，交流放大後的信號輸出半球諧振子的激勵電極；

(8)半球諧振子在激勵電極的作用下完成半球諧振子力反饋控制，使半球諧振子的諧振駐波處於平衡零位。

有益效果

(1)本發明的一種半球諧振陀螺儀的力反饋控制系統及控制方法能夠有效解決外界環境溫度變化對半球諧振子測量性能的影響，提高了半球諧振陀螺儀的測量精度，保證半球諧振陀螺儀在溫度變化的環境下性能的穩定；

(2)一種半球諧振陀螺儀的力反饋控制系統及控制方法中的頻率同步跟蹤模塊採用全數字鎖相環技術和直接頻率合成技術實現了對半球諧振陀螺儀半球諧振子諧振頻率的高精度動態跟蹤，使得半球諧振子的諧振頻率在外界環境溫度變化時頻率同步跟蹤模塊產生的交流電壓信號與諧振子振動頻率完全同步、相位精確滯後90°；

(3)一種半球諧振陀螺儀的力反饋控制系統及控制方法中的波節信號幅度解調模塊採用開關解調的方法實現波節信號幅值的解調，這種方法實現簡單，精度相對較高。

(4)一種半球諧振陀螺儀的力反饋控制系統及控制方法中的控制器採用帶積分環節的校正器設計，可以使力反饋控制系統削除靜態偏差，獲得較好的測量性能。

(5)一種半球諧振陀螺儀的力反饋控制系統及控制方法中的驅動信號高壓轉換模塊採用高壓放大方法實現反饋控制信號的幅值放大，從而獲得較大的靜電力，提高力反饋控制系統的響應帶寬和半球諧振陀螺儀的測速範圍。

(6)半球諧振陀螺儀(HRG)是一種具有高精度、長壽命、高可靠性的新型固態振動陀螺。半球諧振陀螺敏感元件為酒杯狀半球形諧振子，基本工作原理是半球諧振子繞中心軸旋轉時產生的哥氏效應，使其振型在環向相對殼體進動的物理機制。半球諧振陀螺工作可以工作於兩種不同的模式，全形模式和力反饋模式。在這兩種模式下，控制電路必須使陀螺諧振子產生幅度穩定的駐波，同時自同步陀螺諧振子工作頻率。在力反饋模式中，相對全形模式要增加一個力反饋控制迴路，將諧振子的振型固定在某一位置。當諧振子敏感到外界角速度產生振型進動時，力反饋控制迴路檢測振型的進動量，通過施加相應的控制量將其拉回到原位置。同時控制量表徵外界角速度大小，將控制量作為輸出從而完成角速度測量。使用本發明方法設計的半球諧振陀螺力反饋迴路能夠實現半球諧振陀螺工作頻率的同步跟蹤，陀螺波節信號的幅度和相位解調，反饋控制信號的高壓信號調製；同時，不用更改控制器構型，只需修改控制器參數就可以適應半球諧振陀螺的的不同環境應用要求。

(7)微弱信號檢測模塊將微弱的振動運動通過電容檢測的方法拾取出來，將等效電容板上的電荷量轉換成電壓量。

(8)信號預處理模塊將微弱信號檢測部分檢測到的信號進行濾波處理，保證經過信號預處理後，信號中幹擾信號較少，實現信號的濾波淨化處理。

(9)波節信號幅度解調模塊將信號預處理後的波節信號進行幅值解調處理，從波節信號中解算出信號的幅值，用於迴路的反饋校正運算。

(10)頻率同步跟蹤模塊用於同步跟蹤半球諧振陀螺諧振子的諧振頻率；產生波節信號幅度解調模塊的控制信號；生成反饋信號調製模塊的調製信號。

(11)控制器以波節信號幅度解調後的幅值作為輸入，根據半球諧振陀螺儀的應用條件要求，產生反饋控制量和陀螺測量輸出。

(12)反饋信號調製模塊採用頻率同步跟蹤模塊生成的與半球諧振子同頻率、相位滯後90°的調製信號與控制器生成的控制量進行乘法調製，產生用於反饋控制的控制信號。

(13)驅動信號高壓轉換模塊將反饋信號調製模塊產生的反饋控制信號進行高壓變化，實現反饋控制信號的交流幅值和直流分量的增加，以至於能夠產生較大的反饋控制力作用到半球諧振子上。

(14)本發明方法包含的微弱信號檢測模塊、信號預處理模塊、波節信號幅度解調模塊、頻率同步跟蹤模塊、控制器、反饋信號調製模塊和驅動信號高壓轉換模塊之間相互配合，密不可分，協同工作。

附圖說明

圖1為本發明的系統組成示意圖；

圖2(a)為本發明的微弱信號檢測模塊中的一組電路的組成示意圖；

圖2(b)為本發明的微弱信號檢測模塊中的另一組電路的組成示意圖；

圖3為本發明的信號預處理模塊的組成示意圖；

圖4為本發明的波節信號幅度解調模塊的組成示意圖；

圖5為本發明的頻率同步跟蹤模塊的組成示意圖；

圖6為本發明的控制器的組成示意圖；

圖7為本發明的反饋信號解調模塊的組成示意圖；

圖8為本發明的驅動信號高壓轉換模塊的組成示意圖；

圖9為本發明的實施例中各模塊埠信號示意圖。

圖10為本發明實施例中頻率同步跟蹤模塊中各模塊間信號示意圖。

具體實施方式

本發明的半球諧振陀螺力反饋控制方法構成總框圖如圖1所示，包括微弱信號檢測模塊100，信號預處理模塊200，波節信號幅度解調模塊300，頻率同步跟蹤模塊400，控制器500，反饋信號調製模塊600和驅動信號高壓轉換模塊700。

微弱信號檢測模塊100組成如圖2(a)、2(b)所示，微弱信號檢測模塊包括兩組電路，該兩組電路的結構組成相同，其中一組電路包括檢測電極CS100、電阻R100和運算放大器OP100；檢測電極CS100的一端接地，檢測電極CS100的另一端接到運算放大器OP100的正輸入端；電阻R100一端接到運算放大器OP100的正輸入端，電阻R100另一端接地；該組電路的運算放大器OP100的輸出端作為該組電路的輸出埠V1輸出信號V1；另一組電路包括檢測電極CS100』、電阻R100』和運算放大器OP100』；檢測電極CS100』的一端接地，檢測電極CS100』的另一端接到運算放大器OP100』的正輸入端；電阻R100』一端接到運算放大器OP100』的正輸入端，電阻R100』另一端接地；該組電路的運算放大器OP100』的輸出端作為該組電路的輸出埠V2輸出信號V2；

信號預處理模塊200組成如圖3所示，信號預處理模塊包括電阻R200、電阻R201、電阻R202、電阻R203、電阻R204、電阻R205、電阻R206、電阻R207、電容C200、電容C201、運算放大器OP200和運算放大器OP201；電阻R200的一端與微弱信號檢測模塊的電路的輸出埠V1連接，電阻R200的另一端與電阻R203的一端、運算放大器OP200的負輸入端連接，電阻R203的另一端與運算放大器OP200的輸出端、電阻R204的一端連接；電阻R201的一端與微弱信號檢測模塊的電路的輸出埠V2連接，電阻R201的另一端與電阻R202的一端、運算放大器OP200的正輸入端連接，電阻R202的另一端接地；電阻R204的另一端與電容C200的一端、電容C201的一端、電阻R206的一端連接，電阻R206的另一端接地，電容C200的另一端與運算放大器OP201的負輸入端、電阻R205的一端連接，電容C201的另一端與電阻R205的另一端、運算放大器OP201的輸出端連接，且運算放大器OP201的輸出端作為該信號預處理模塊(200)的輸出端V3輸出信號V3；運算放大器OP201的正輸入端與電阻R207的一端連接，電阻R207的另一端接地；

本模塊的作用是將差分信號轉換為單端信號，再進行帶通濾波，濾除除諧振子同頻率外的幹擾信號。

波節信號幅度解調模塊300組成如圖4所示，是用於解調波節電壓信號的幅值。波節信號幅度解調模塊包括電阻R300、電阻R301、電阻R302、電阻R303、電容C300、運算放大器OP300和模擬開關SW300；電阻R300的一端與信號預處理模塊的輸出端V3連接，電阻R300的另一端與電阻R301的一端、運算放大器OP300的負輸入端連接，電阻R301的另一端與運算放大器OP300的輸出端、模擬開關SW300的第二通道ch2連接，運算放大器OP300的正輸入端與電阻R302的一端連接，電阻R302的另一端接地；模擬開關SW300的第一通道ch1與信號預處理模塊的輸出端V3連接，模擬開關SW300的第一通道ch1的通斷由控制信號SWCH1進行控制，模擬開關SW300的第二通道ch2的通斷由控制信號SWCH2進行控制；模擬開關SW300的第一通道ch1的輸出端和模擬開關SW300的第二通道ch2的輸出端均與電阻R303的一端連接，電阻R303的另一端與電容C300的一端連接，電容C300的另一端接地，電阻R303的另一端作為波節信號幅度解調模塊的輸出端V4輸出信號V4；

頻率同步跟蹤模塊400的組成如圖5所示，頻率同步跟蹤模塊包括過零比較器401、鑑頻鑑相器402、比例計數器403、積分計數器404、第一全加器405、寄存器406、第二全加器407、查找表(LUT)408、數模轉換(DA)409；過零比較器401接收信號預處理模塊的輸出的V3信號，對接收到的V3信號進行過零比較，產生方波信號，然後將方波信號輸出到鑑頻鑑相器402；鑑頻鑑相器402接收過零比較器401輸出的方波信號A和寄存器406輸出的方波信號B，並對方波信號A和方波信號B鑑頻鑑相，產生方波信號A和方波信號B之間的相位脈寬信號C，相位脈寬信號C分別輸出到比例計數器403和積分計數器404；比例計數器403對相位脈寬信號C進行周期計數，產生周期計數值NP，並輸出到第一全加器405；積分計數器404對相位脈寬信號C進行持續累加計數，產生累加計數值NI，並輸出到第一全加器405；第一全加器405對NP、NI相加，產生第一全加和N1，並輸出到第二全加器407；第二全加器407對第一全加和N1、寄存器406輸出值和半球諧振陀螺工作頻率設定值相加，產生第二全加和N2，並輸出到寄存器406，同時第二全加和N2作為累加相位輸出到查找表(LUT)408；寄存器406對接收到的第二全加和N2進行緩存，將緩存後的N2作為寄存器406輸出值輸出到第二全加器407，同時將緩存後的N2值的最高位作為反饋信號即方波信號B輸出到鑑頻鑑相器402；查找表(LUT)408根據累加相位產生模擬開關SW300的第一通道ch1的通斷控制信號SWCH1和模擬開關SW300的第二通道ch2的通斷控制信號SWCH2，同時查找表(LUT)408根據累加相位對查表獲得的數據通過數模轉換(DA)409進行數模轉換後作為輸出端輸出交流信號V6。

控制器500組成如圖6所示，控制器包括電阻R500、電阻R501、電阻R502、電容C500、電容C501、運算放大器OP500；電阻R500的一端連接波節信號幅度解調模塊的輸出端V4，電阻R500的另一端與電阻R501的一端、電容C500的一端、運算放大器OP500的負輸入端連接，電阻R501的另一端、電容C500的另一端均與電容C501的一端連接，電容C501的另一端與運算放大器OP500的輸出端連接，電容C501的另一端作為控制器輸出端V5輸出信號V5；運算放大器OP500的正輸入端與電阻R502的一端連接，電阻R502的另一端接地；

反饋信號調製模塊600的組成如圖7所示，實質上是採用一個乘法器將兩路信號進行相乘操作。信號V5是控制器500輸出的信號，信號V6是頻率同步跟蹤模塊400輸出端的輸出信號。

驅動信號高壓轉換模塊700組成如圖8所示，驅動信號高壓轉換模塊包括電阻R700、電阻R701、電阻R702、電阻R703、電阻R704、電阻R705、電容C700、運算放大器OP700和三極體Q700；電阻R700的一端與反饋信號調製模塊的輸出端V7連接，電阻R700的另一端與運算放大器OP700的負輸入端、電阻R702的一端連接，電阻R701的一端接地，電阻R701的另一端與運算放大器OP700的負輸入端連接，電阻R702的另一端與運算放大器OP700的輸出端、電容C700的一端連接，電容C700的另一端與電阻R703、三極體Q700的基極連接，電阻R703的另一端與電阻R704的一端、高壓電源HV連接，電阻R704的另一端與、電阻R705的一端和三極體Q700的集電極連接，電阻R705的另一端作為輸出端V8輸出信號V8；，三極體Q700的發射極接地。圖8中HV為高電壓，一般選取100V～300V之間。

本發明的半球諧振陀螺力反饋控制方法，首先採用微弱信號檢測模塊100對半球諧振陀螺的諧振子振動狀態進行檢測，並將諧振子的振動運動狀態轉化為交流電壓信號；其次，信號預處理模塊200對檢測到的反映諧振振動狀態的電壓信號進行變換和濾波處理；濾波後的交流電壓信號送入到波節信號幅度解調模塊300進行交流電壓幅度解調，解調出反映諧振子振動幅度的電壓幅度值；濾波後的交流電壓信號同時也送入頻率同步跟蹤模塊400進行同步跟蹤，同步跟蹤模塊400對交流信號進行同步相位、頻率跟蹤，並產生控制波節信號幅度解調模塊300多路開關的控制信號和相對輸入信號相位滯後90°、頻率相同的信號，用於反饋信號調製模塊600的調製；然後，控制器500對波節信號幅度解調模塊300輸入的幅值直流信號進行校正；之後，反饋信號調製模塊600將與諧振交流信號相位滯後90°、頻率相同信號和校正後的直流量進行乘法調製；最後，調製後的信號經過驅動信號高壓轉換模塊700的放大處理，直接作用與諧振子的施力電極，從而完成半球諧振陀螺力反饋控制。所述的力反饋控制迴路是由半球諧振子、微弱信號檢測模塊100、信號預處理模塊200、波節信號幅度解調模塊300、控制器500、反饋信號調製模塊600和驅動信號高壓轉換模塊700形成的迴路。

基於半球諧振陀螺儀的一種力反饋控制迴路設計方法，包括：微弱信號檢測模塊100，信號預處理模塊200，波節信號幅度解調模塊300，頻率同步跟蹤模塊400，控制器500，反饋信號調製模塊600和驅動信號高壓轉換模塊700部分。

微弱信號檢測模塊100將微弱的振動運動通過電容檢測的方法拾取出來，將等效電容板上的電荷量轉換成電壓量。

信號預處理模塊200，將微弱信號檢測部分檢測到的信號進行濾波處理，保證經過信號預處理後，信號中幹擾信號較少，實現信號的濾波淨化處理。

波節信號幅度解調模塊300將信號預處理後的波節信號進行幅值解調處理，從波節信號中解算出信號的幅值，用於迴路的反饋校正運算。

頻率同步跟蹤模塊400同步跟蹤半球諧振陀螺諧振子的諧振頻率；產生波節信號幅度解調模塊300的控制信號；生成反饋信號調製模塊600的調製信號。頻率同步跟蹤模塊400是本發明方法的核心組成，是實現本方法的關鍵部分。

控制器500以波節信號幅度解調後的幅值作為輸入，根據半球諧振陀螺儀的應用條件要求，產生反饋控制量和陀螺測量輸出。

反饋信號調製模塊600採用頻率同步跟蹤模塊400生成的與半球諧振子同頻率、相位滯後90°的調製信號與控制器500生成的控制量進行乘法調製，產生用於反饋控制的控制信號。

驅動信號高壓轉換模塊700將反饋信號調製模塊600產生的反饋控制信號進行高壓變化，實現反饋控制信號的交流幅值和直流分量的增加，以至於能夠產生較大的反饋控制力作用到半球諧振子上。

本發明方法包含的微弱信號檢測模塊100，信號預處理模塊200，波節信號幅度解調模塊300，頻率同步跟蹤模塊400，控制器500，反饋信號調製模塊600和驅動信號高壓轉換模塊700之間相互配合，密不可分，協同工作。

實施例

一種半球諧振陀螺儀的力反饋控制系統，該控制系統包括微弱信號檢測模塊100、信號預處理模塊200、波節信號幅度解調模塊300、頻率同步跟蹤模塊400、控制器500、反饋信號調製模塊600和驅動信號高壓轉換模塊700；

如圖9所示，所述的微弱信號檢測模塊100輸出信號V1和輸出信號V2；

所述的信號預處理模塊200輸出信號V3；

所述的波節信號幅度解調模塊300輸出信號V4；

所述的控制器500輸出信號V5；

所述的頻率同步跟蹤模塊400輸出交流信號V6；

所述的反饋信號調製模塊600輸出信號V7；

如圖10所示，所述的頻率同步跟蹤模塊400內部模塊之間的信號為：過零比較器401的輸出信號A，寄存器406輸出的信號B，鑑頻鑑相器402輸出的信號C，比例計數器403輸出的計數值NP，積分計數器404輸出的計數值NI，第一全加器輸出的值N1，數模轉換DA409輸出信號V6，查找表LUT408輸出的控制信號SWCH1和SWCH2，控制信號SWCH1和SWCH2輸出到波節信號幅度解調模塊300用于波節信號開關解調。

本發明未詳細說明部分屬本領域技術人員公知常識。