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多环谐振陀螺仪模块化测控系统研究

多环谐振陀螺仪模块化测控系统研究

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作者：姚默晗东南大学

学位级别：硕士

多环谐振陀螺仪(DRG)是一种新兴的固体波动陀螺,具有全固态、高精度、高可靠性、低成本等优点,在导航控制、航空航天领域有着广泛的应用前景。但是,目前国内对多环谐振器陀螺仪的研究尚处于起步阶段。结构设计、加工工艺、测控电路、数... 详细信息

多环谐振陀螺仪(DRG)是一种新兴的固体波动陀螺,具有全固态、高精度、高可靠性、低成本等优点,在导航控制、航空航天领域有着广泛的应用前景。但是,目前国内对多环谐振器陀螺仪的研究尚处于起步阶段。结构设计、加工工艺、测控电路、数字化算法等都成为研究的难点,阻碍了多环谐振陀螺仪的广泛应用。目前,多环谐振陀螺仪的结构设计和工作方式种类较多,但测控电路的通用性较差,严重影响了多环谐振陀螺仪的研究进展。本文针对不同多环谐振器陀螺仪的应用,设计了一套基于数模混合电路的模块化测控系统,可以通过更换不同的陀螺仪结构、数模接口以及数字化算法来实现不同的性能的陀螺仪系统。本文对多环谐振陀螺仪的工作模式切换、数字化驱动和检测算法、幅度和相位噪声的影响以及电路设计进行了研究和分析。通过模块化系统对多环谐振陀螺仪在不同结构设计、振动模态下的性能进行了实验对比。论文的主要工作有:(1)分析了多环谐振陀螺仪的工作原理和动力学模型,设计和仿真了适用于n=2和n=3两种模式的多环谐振陀螺仪,介绍了开环、力平衡以及全角三种工作模式。(2)设计了全角和力平衡两种工作模式的算法,并提出了从全角到力平衡模式的切换方法。研究了全角的模式下同向、正交、相位三个回路的功能和工艺误差的影响。简化和验证了力平衡模式下陀螺仪调制和解调后的数学模型。(3)通过简化模式研究了多环谐振陀螺仪的稳定性和带宽拓展。建立了陀螺仪测控电路中相位噪声和幅值噪声的数学模型,并通过仿真研究了不同电路模块对噪声的贡献。理论推导出了噪声对陀螺仪零偏稳定性的影响,并确定了电路的优化方向。(4)设计了一套基于FPGA的模块化数模混合测控电路,可以实现n=2和n=3两种振动模态、全角和力平衡两种工作模式的多环谐振陀螺仪的驱动和检测。设计了高速的AD和DA板卡来降低噪声的影响。设计了数字锁相环、自动增益控制、串口通信协议等重要的数字化算法。(5)对n=2和n=3的多环谐振陀螺仪的进行了性能测试,确定了它们的工艺误差和适合的工作模式。测试了两种振动模态的陀螺仪的整机性能。测试结果验证了基于FPGA的数模混合测控电路的可行性,获得了n=2和n=3两种振动模态陀螺仪的性能特点。结果表明:n=2的陀螺仪标度因数更高,具有更高的灵敏度;n=3的陀螺仪稳定性和噪声性能更好。本文设计的模块化测控系统能够兼容不同结构设计、振动模态、工作模式的多环谐振陀螺仪,为进一步的设计和研究提供了支持。

关键词：多环谐振陀螺仪数模混合测控电路相位噪声高速数模接口模式切换

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