CN101382425A - 一种微机械陀螺自激驱动与解调装置 - Google Patents

Abstract

一种微机械陀螺自激驱动与解调装置，是一种能够用来实现微机械陀螺自激驱动和角速度解调的系统，其主要包括输入信号接口电路、单片机芯片、上位机通讯模块、角速度显示模块、自动增益力反馈模块。该回路通过输入信号接口电路获取微机械陀螺驱动质量块和检测质量块的振动位移电压信号，单片机芯片通过幅值提取及自动增益控制算法生成增益控制信号传给自动增益控制系统，自动增益控制系统根据增益控制信号和输入信号接口电路传送来的驱动位移信号产生可变电压，反馈给陀螺驱动端实现对陀螺驱动信号的调整，同时在单片机内部解算出输入角速度。本发明实现了微机械陀螺自激驱动和角速度解调的集成化设计，减小了微机械陀螺的体积和重量，降低了功耗。

Description

一种微机械陀螺自激驱动与解调装置

技术领域

本发明涉及一种微机械陀螺自激驱动与解调装置，用于振动式微机械陀螺驱动回路的控制以及外加输入角速度的解调输出，特别适用于高性能、高集成度等应用场合。

背景技术

从20世纪80年代开始，随着硅微机械加工技术的发展，采用硅表面微细加工工艺生产的微机械螺由于具有体积小，重量轻，成本低，可靠性高等优点在军事和民用的各个领域得到广泛应用。硅微机械陀螺与传统陀螺的区别在于其采用哥氏力原理，利用振动物体感受角速度时会产生哥氏力的现象，通过一定方式将此哥氏力转化为电学量，并对此电学量进行处理，最后解算出机械结构感应到的角速度。一个完整的硅微机械陀螺系统不仅包括陀螺的机械部分即表头结构，包括驱动质量块和检测质量块，同样也必须具有将陀螺驱动到稳定状态的自激驱动回路以及对机械结构微小位移进行测量解算的角速度解调校正回路。

现有的硅微机械陀螺闭环自激驱动和解调装置为模拟电路实现方法，此方法以运算放大器为核心，响应速度快且可靠性高，但运算放大器本身具有压摆率及其他因素限制，使得模拟电路实现方法抗干扰能力差，温度漂移大，并且控制参数修改困难，调试过程复杂，实现较为复杂的控制算法需大量芯片堆积，整个系统体积庞大。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有的微机械陀螺自激驱动和解调装置模拟电路实现方法中存在的温漂大，系统繁杂，体积大，调试复杂，抗干扰能力差的缺点，提供一种高性能、低功耗、高集成化的微机械陀螺自激驱动和解调回路的数字实现方法。

本发明的技术解决方案：一种微机械陀螺自激驱动与解调装置，包括：

输入信号接口电路：包括位移传感器接口电路和位移信号模数转换芯片，位移传感器接口电路与微机械陀螺驱动质量块和检测质量块相连，将反应微机械陀螺驱动质量块和检测质量块振动位移变化的电容信号转化并放大为位移电压信号，位移信号模数转换芯片将位移电压信号转换为数字量输入单片机芯片中；

单片机芯片：控制位移信号模数转换芯片对两路位移电压信号进行采样，判断两路位移电压信号为驱动位移电压信号还是检测位移电压信号，对驱动位移电压信号求导转化为速度电压信号，并进行幅值提取算法和自动增益控制算法处理，解算出自动增益力反馈模块所需的增益控制量，对检测位移电压信号进行角速度解调校正算法处理，解算出角速度显示模块所需的解调角速度量；

上位机通讯模块：包括调试、监控计算机与RS232接口，调试、监控计算机通过RS232接口与单片机芯片相连，用于陀螺驱动质量块和检测质量块谐振频率、质量、阻尼系数，PI控制中比例、积分控制系数及陀螺驱动质量块振动速度电压参考幅值的设置和更改；

角速度显示模块：包括角速度信号数模转换芯片和角速度信号输出显示芯片，角速度信号数模转换芯片将单片机芯片解算出的输入角速度转化为模拟量输出，角速度信号输出显示芯片用于显示解算的输入角速度；

自动增益力反馈模块：包括可变增益控制电压数模转换芯片、自动增益控制系统，可变增益控制电压数模转换芯片将单片机芯片内部通过幅值提取及自动增益控制算法计算出的控制增益数字量转化为模拟量，用以调节自动增益控制系统的电压输出，并反馈到微机械陀螺驱动质量块。

所述的位移传感器接口电路采用电容-电压、电流-电压或电容-频率转换方法。

所述的单片机芯片采用MSP430FG461X系列或C8051系列。

所述的幅值提取及自动增益控制算法为：判断检测质量块的振动位移电压信号，如果为0，则提取此时的驱动质量块振动速度电压信号值作为幅值，将此幅值与上位机通讯模块设定的陀螺驱动质量块振动速度电压参考幅值进行比较，比较后的误差量经过积分分离PI算法得到自动增益力反馈模块的增益控制量。

所述的角速度解调校正算法为：在单片机芯片中，将检测质量块的振动位移电压信号分为两路处理，一路进入解调程序，检测质量块的振动位移电压信号与驱动质量块振动速度电压信号相乘后进行数字低通滤波，得到包含输入角速度幅值和频率成分的信号，作为解调系数校正计算程序中的待校正信号；另一路信号进入解调系数校正计算程序，从上位机通讯模块接收陀螺驱动质量块和检测质量块的谐振频率、质量、阻尼系数，计算出待校正信号与实际输入角速度信号的幅值倍数值以及相位偏移值，利用此幅值倍数值和相位偏移值校正解调输出的包含输入角速度幅值和频率成分的待校正信号，得到输入角速度。

所述的角速度信号输出显示芯片为LCD或LED。

本发明的原理：微机械陀螺机械结构分为驱动质量块和检测质量块两部分，本发明所述装置与机械结构一起，主要实现微机械陀螺自激驱动和角速度解调的功能。自激驱动回路由微机械陀螺驱动质量块、位移传感器接口电路、位移信号模数转换芯片、单片机芯片、可变增益控制电压数模转换芯片及自动增益控制系统闭环组成，角速度解调回路由微机械陀螺检测质量块、位移传感器接口电路、位移信号模数转换芯片、单片机芯片、角速度信号数模转换芯片和角速度信号输出显示芯片组成；自激驱动回路通过单片机芯片内部的幅值提取及自动增益控制算法为自动增益控制系统提供可以使自激驱动回路达到自激振荡状态的增益控制值，当自激驱动回路达到自激振荡状态后，陀螺驱动质量块则以一定的幅值，跟踪其谐振频率变化的频率振动；当振动的驱动质量块感受到了外界输入角速度，产生哥氏力，哥氏力作用到检测质量块上，通过输入信号接口电路将反映驱动质量块和检测质量块位移变化的电容信号转化为位移电压信号，再通过单片机芯片内部的解调校正算法对其进行解调，最后解算出施加在陀螺驱动质量块上的输入角速度。

理想微机械陀螺驱动质量块可以等效为一个如下所示的二阶系统：

$\stackrel{..}{x}+\frac{{\mathrm{\ω}}_x}{Q_x}\stackrel{.}{x}+{\mathrm{\ω}}_x^{2}x=\frac{F}{m_x}$

其中，x为陀螺驱动质量块的振动位移，ω_x为驱动质量块的谐振频率，Q_x为驱动质量块的品质因数，F为驱动力，m_x为驱动质量块的质量。

对于不同微机械陀螺的驱动质量块而言，其允许的最大振动幅值不同，为了增强自激驱动装置的通用性，且使驱动质量块在允许范围内振动幅值最大，以提高陀螺的灵敏度和稳定性，本发明在自激驱动回路中采用积分分离比例积分(PI)控制，根据不同微机械陀螺设置驱动质量块的振动速度电压参考幅值，调节驱动质量块的振动速度维持在参考幅值上。

将自动增益力反馈模块的控制增益值Δu(k)叠加到微机械陀螺驱动质量块振动速度

上，得到：

$F=\mathrm{\Δu}\left(k\right)*\stackrel{.}{x}$

即

$\stackrel{..}{x}+\frac{{\mathrm{\ω}}_x}{Q_x}\stackrel{.}{x}+{\mathrm{\ω}}_x^{2}x=\frac{\mathrm{\Δu}\left(k\right)\stackrel{.}{x}}{m_x}$

移项得：

$\stackrel{..}{x}+(\frac{{\mathrm{\ω}}_x}{Q_x}-\frac{\mathrm{\Δu}\left(k\right)}{m_x})\stackrel{.}{x}+{\mathrm{\ω}}_x^{2}x=0$

其中Δu(k)为自动增益力反馈模块的控制增益，k＝1，2，3…，此值由积分分离比例积分PI控制计算得到，初始时，固定ω_x、Q_x、m_x，计算出使 $\frac{{\mathrm{\ω}}_x}{Q_x}-\frac{\mathrm{\Δu}\left(k\right)}{m_x}=0$ 的Δu(k)值，微机械陀螺自激驱动回路动力学方程转化为 $\stackrel{..}{x}+{\mathrm{\ω}}_x^{2}x=0,$ 系统进入无阻尼状态，陀螺驱动质量块以谐振频率ω_x稳幅振动。由典型二阶系统幅频特性

$A\left(\mathrm{\ω}\right)=1/\sqrt{{[1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_x}\right)}^2]}^2+{\left(2\mathrm{\ζ}\frac{\mathrm{\ω}}{{\mathrm{\ω}}_x}\right)}^2},$ 本发明中， $\mathrm{\ζ}=\frac{1}{2{\mathrm{\ω}}_x}(\frac{{\mathrm{\ω}}_x}{Q_x}-\frac{\mathrm{\Δu}\left(k\right)}{m_x})$ 可知：当ω_x发生变化，驱动质量块的振动幅值发生变化，通过积分分离比例积分PI控制，调节Δu(k)，使 $\frac{{\mathrm{\ω}}_x}{Q_x}-\frac{\mathrm{\Δu}\left(k\right)}{m_x}=0,$ 则陀螺驱动质量块可以保持以其谐振频率ω_x稳幅振动。

本发明中，积分分离比例积分PI控制通过单片机内部的自动增益控制算法实现，由上位机通讯模块提供陀螺驱动质量块的谐振频率、质量、阻尼系数，PI控制中比例、积分控制系数和振动速度的参考幅值，单片机芯片按照这些参数运行幅值提取及自动增益控制算法，计算出Δu(k)值，使 $\frac{{\mathrm{\ω}}_x}{Q_x}-\frac{\mathrm{\Δu}\left(k\right)}{m_x}=0.$

微机械陀螺输入角速度的解算需要用驱动质量块输出速度信号对检测质量块的输出信号进行解调。设输入角速度为Ω＝Ω₀cos(ω_rt+φ_r)，当驱动回路实现自激振荡后可得，x＝Rcos(ω_xt)，则 $\stackrel{.}{x}=-{\mathrm{R\ω}}_x\sin \left({\mathrm{\ω}}_{x}t\right),$ 其中Ω₀为输入角速度幅值，ω_r为输入角速度频率，φ_r为输入角速度相位，R为陀螺驱动质量块稳定振动后的振动幅值，ω_x为驱动质量块谐振频率，x为驱动质量块的振动位移，

为驱动质量块的振动速度。

微机械陀螺检测质量块动力学方程为：

其中，ω_y为陀螺检测质量块谐振频率，ζ_y为陀螺检测质量块的阻尼系数，

为输入角加速度，y为检测质量块的位移。

解微机械陀螺检测质量块动力学方程，得到检测质量块位移：

y＝A₁ sin((ω_x+ω_r)t+φ_r-θ₁)+A₂ sin((ω_x-ω_r)t-φ_r-θ₂)

其中

经过解调后输出信号：

$y\′=y*\stackrel{.}{x}$

  $=[A_1\sin (({\mathrm{\ω}}_x+{\mathrm{\ω}}_r)t+{\mathrm{\φ}}_r-{\mathrm{\θ}}_1)+A_2\sin (({\mathrm{\ω}}_x-{\mathrm{\ω}}_r)t-{\mathrm{\φ}}_r-{\mathrm{\θ}}_2)]\×(-{\mathrm{R\ω}}_x\sin \left({\mathrm{\ω}}_{x}t\right))$

  $=\frac{A_1{\mathrm{R\ω}}_x}{2}\{\cos [(2{\mathrm{\ω}}_x+{\mathrm{\ω}}_r)t+{\mathrm{\φ}}_r-{\mathrm{\θ}}_1]-\cos ({\mathrm{\ω}}_{r}t+{\mathrm{\φ}}_r-{\mathrm{\θ}}_1)\}$

   $+\frac{A_2{\mathrm{R\ω}}_x}{2}\{\cos [(2{\mathrm{\ω}}_x-{\mathrm{\ω}}_r)t-{\mathrm{\φ}}_r-{\mathrm{\θ}}_1]-\cos ({\mathrm{\ω}}_{r}t+{\mathrm{\φ}}_r+{\mathrm{\θ}}_1)\}$

经过数字低通滤波解调出输入角速度为

$y\′\′=(B_1\cos {\mathrm{\θ}}_1+B_2\cos {\mathrm{\θ}}_2)\cos ({\mathrm{\ω}}_{r}t+{\mathrm{\φ}}_r)+(B_1\sin {\mathrm{\θ}}_1-B_2\sin {\mathrm{\θ}}_2)\sin ({\mathrm{\ω}}_{r}t+{\mathrm{\φ}}_r)$

   $=\sqrt{{(B_1\cos {\mathrm{\θ}}_1+B_2\cos {\mathrm{\θ}}_2)}^2+{(B_1\sin {\mathrm{\θ}}_1-B_2\sin {\mathrm{\θ}}_2)}^2}\sin ({\mathrm{\ω}}_{r}t+{\mathrm{\φ}}_r+{\mathrm{\θ}}_3)$

   $=C\sin ({\mathrm{\ω}}_{r}t+{\mathrm{\φ}}_r+{\mathrm{\θ}}_3)$

其中

$B_1=-\frac{A_1{\mathrm{R\ω}}_x}{2},B_2=-\frac{A_2{\mathrm{R\ω}}_x}{2}$

$C=\sqrt{{(B_1\cos {\mathrm{\θ}}_1+B_2\cos {\mathrm{\θ}}_2)}^2+{(B_1\sin {\mathrm{\θ}}_1-B_2\sin {\mathrm{\θ}}_2)}^2}$

在本发明中，从上位机通讯模块中接收陀螺检测质量块和驱动质量块的谐振频率、质量、阻尼系数参数，带入校正公式中计算出C值和θ₃值，根据C值和θ₃值进行相应的幅值和相位校正，就可得到实际输入的角速度幅值及相位。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用单片机芯片来构建微机械陀螺自激驱动和解调装置的核心。与现有的微机械陀螺自激驱动和解调装置普遍采用的模拟实现方法相比具有以下特点：

(1)与传统的以运算放大器为核心的模拟实现装置相比，本发明具有数字电路的优点：调试灵活、方便、体积小、重量轻、开发周期短、成本低、功耗低，便于实现复杂的控制算法。

(2)本发明省去了现有模拟实现装置中控制器硬件的搭建，用单片机芯片将输入检测信号通过幅值提取及自动增益控制算法直接输出自动增益力反馈模块的控制信号，减少了干扰，提高了控制精度。

(3)本发明省去了现有模拟实现装置中解调回路的硬件搭建，采用数字算法对输入检测信号进行解调，在单片机内部增加相位校正功能，增加了系统的可靠性，使得解调出的输入角速度值更加精确。

(4)该发明实现了系统的数字化和集成化，缩小了体积，降低了功耗，特别适用于航空航天等对功耗和体积有要求的领域。

附图说明

图1为本发明的结构组成框图；

图2为本发明的位移传感器接口电路；

图3为本发明的位移信号模数转换电路；

图4为本发明的上位机通讯模块的电路图；

图5为本发明的单片机芯片外围电路图；

图6为本发明的自动增益力反馈模块及角速度显示模块电路图；

图7为本发明的总体程序流程图；

图8为本发明的幅值提取及自动增益控制算法流程图；

图9为本发明的角速度解调校正算法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的硬件模块主要由输入信号接口电路1、单片机芯片10、上位机通讯模块6、角速度显示模块9以及自动增益力反馈模块11组成，其中输入信号接口电路1包括位移传感器接口电路2和位移信号模数转换芯片3，位移传感器接口电路2与微机械陀螺驱动质量块和微机械陀螺检测质量块相连，将微机械陀螺驱动质量块和检测质量块的电容信号转化并放大为位移电压信号，位移信号模数转换芯片3将两路位移电压信号转换为数字量输入单片机芯片10中；单片机芯片10控制位移信号模数转换芯片3对两路位移电压信号进行采样，内部通过幅值提取及自动增益控制算法和角速度解调校正算法，对位移信号模数转换芯片3采样得到的位移电压信号进行处理，解算出自动增益力反馈模块11所需的增益控制量和角速度显示模块9所需的解调角速度量；上位机通讯模块6包括调试、监控计算机5和RS232接口4，调试、监控计算机5通过RS232接口4与单片机芯片10相连，用于陀螺驱动质量块和检测质量块谐振频率、质量、阻尼系数，PI控制中比例、积分控制系数及陀螺驱动质量块振动速度电压参考幅值的设置和更改；角速度显示模块9包括角速度信号数模转换芯片7和角速度信号输出显示芯片8，角速度信号数模转换芯片7将单片机芯片10解算出的输入角速度转化为模拟量输出，角速度信号输出显示芯片8用于显示解算的输入角速度；自动增益力反馈模块11包括可变增益控制电压数模转换芯片12和自动增益控制系统13，可变增益控制电压数模转换芯片12将单片机芯片10内部通过幅值提取及自动增益控制算法计算出的控制增益数字量转化为模拟量，用以调节自动增益控制系统13的电压输出，并反馈到微机械陀螺驱动质量块。位移传感器接口电路2可以采用电容-电压、电流-电压或电容-频率转换方法，本实施例采用电容-电压检测电路的方法。当陀螺感受到外界角速度时，其驱动质量块和检测质量块位移发生变化，变化的位移产生变化的电容，位移传感器接口电路2将变化的电容转化为电压值，并将其放大到位移信号模数转换芯片3允许的电压范围-1.25V～+1.25V，单片机芯片10接收上位机通讯模块6中调试、监控计算机5的指令，控制位移信号模数转换芯片3对两路位移电压信号进行采样并存储，单片机芯片10判断输入为驱动位移电压信号还是检测位移电压信号，若为驱动位移电压信号，则对其进行求导转化为速度电压信号，并进行幅值提取算法和自动增益控制算法的处理，将解算出的自动增益控制电压数字信号传给可变增益控制电压数模转换芯片12转化为模拟电压量，此模拟电压量对自动增益控制系统13的可变增益运算放大器的增益值进行控制，自动增益控制系统13输出随可变增益控制电压数模转换芯片12输出信号变化而变化的差分电压信号，反馈给陀螺驱动端，实现整个驱动回路的闭环自激振荡控制；若单片机芯片10的输入信号为检测电压信号，则对其进行解调校正算法的处理，解调出施加在陀螺驱动质量块上的角速度信号，根据上位机通讯模块6的指令选择以数字信号的方式输出还是以模拟信号的方式输出。

如图2所示，给出了本发明的位移传感器接口电路，整个电路要求所用的运放精度高，因此选择双运放MC33282，使用电容-电压检测方法，检测微机械陀螺驱动质量块的电容变化和检测质量块的电容变化，MC33282对两路信号进行放大并转化为电压信号。由于检测的信号为微弱信号，因此所选运算放大器的偏置电流和偏置电压要小，并且此位移传感器接口电路的检测信号是后续处理电路的依据，其检测性能对整个系统性能的影响至关重要。

如图3所示，给出了本发明的位移信号模数转换芯片3的电路图，采用MAXIM公司的芯片MAX1332，该芯片具有12位精度、双路差分输入，转换速度为3Msps，而其功耗只有38mW。采用一片芯片就可以达到采样两路电压信号的目的，其3Msps的转换器完全可以满足系统实时性的要求，并可以满足后续程序对采样值的要求。与单片机的通讯采用SPI串口通讯形式，由单片机发出控制信号对模数转换芯片的两通道进行选择，减少了外围电路，且满足系统设计要求的实时性。38mW的功耗以及3mm*3mm的TQFN封装满足了微机械陀螺低功耗和小体积的要求。

如图4所示，为本发明的上位机通讯模块的电路图，采用MAXIM公司的电平接口芯片MAX232AEWE实现单片机3.3VTTL电平到PC5VCMOS电平的转换，实现单片机芯片10与调试、监控计算机5的通讯。

如图5所示，为本发明的单片机芯片外围电路图，单片机芯片采用MSP430FG461X系列或C8051系列，本实施例采用Ti公司的MSP430FG4618，该芯片采用FLL+模式时钟系统，该模式满足低功耗的要求，采用两个晶振，8M的晶振作为系统时钟、32.768KHz晶振作为外部辅助时钟，5种省电模式可以使系统功耗达到更低，内部集成4个乘法器，保证了控制算法的高速执行，丰富的I/O资源使得与外围芯片的接口非常方便。该芯片控制模数转换器对两路位移电压信号进行采样，当此两路位移电压信号分时进入单片机时，运行相应的幅值提取及自动增益控制算法和角速度解调校正算法程序，完成对整个系统的控制和外加输入角速度的解调。

如图6所示，为本发明的自动增益力反馈模块11及角速度显示模块9的电路图，自动增益力反馈模块11由可变增益控制电压数模转换芯片12和自动增益控制系统13组成；角速度显示模块9由角速度信号数模转换芯片7和角速度信号输出显示芯片8组成。可变增益控制电压数模转换芯片12采用AD公司的数模转换芯片AD7247，完成增益控制信号由数字量到模拟量的转化，自动增益控制系统13采用AD公司的模拟可变增益运算放大器AD605，AD605通过VGN1引脚接收来自AD7247的增益控制模拟电压信号作为其输出电压的增益控制量，变增益放大后的输出信号反馈到陀螺驱动端完成整个系统的闭环反馈；角速度信号模数转换芯片7采用AD公司的数模转换芯片AD7247，将角速度解调校正算法计算出的输入角速度转化为模拟信号并通过OUT0引脚输出，角速度信号输出显示芯片8可采用LCD或LED实现，本实施例采用LCD实现。

本发明的总体程序流程如图7所示：系统上电后，单片机首先进行初始化，将A/D中断标志位Flag、电压通道判断位Col、角速度输出判断位Out清零，其中Flag＝1表示位移信号模数转换芯片3完成一次转换，已准备好向单片机发送转换完成的数字信号，Flag＝0表示位移信号模数转换芯片3尚未完成转换，Col＝1表示位移信号模数转换芯片3输出端的信号为驱动质量块的位移电压信号，Col＝0表示位移信号模数转换芯片3输出端的信号为检测质量块的位移电压信号，Out＝1表示单片机芯片10解算出的输入角速度通过RS232接口4上传给调试、监控计算机5，Out＝0表示单片机芯片10解算出的输入角速度通过角速度显示模块9显示输出。初始化结束后进入工作模式，当A/D中断标志位Flag＝0时，表明位移信号模数转换芯片3未有信号送出，单片机执行空操作；当位移信号模数转换芯片3一次转换完成，发出中断请求，即A/D中断标志位Flag＝1，单片机根据电压通道判断位Col分辨采样进入单片机的信号是驱动质量块的位移电压信号还是检测质量块的位移电压信号，若Col＝1，则采样驱动质量块的位移电压信号，将其转化为速度电压信号，并运行幅值提取及自动增益控制程序，得到输出增益系数一路传给自动增益力反馈模块，一路传给调试监控计算机5，若Col＝0，则采样检测质量块的电压信号，运行角速度解调校正程序，程序运行完后根据角速度输出判断位Out的值判断解算出的角速度是上传给调试监控计算机5，还是输出显示，若Out值为1，则解算出的角速度以数字信号方式输出，若Out值为0，则解算出的角速度以模拟信号方式输出。

本发明的幅值提取及自动增益控制算法流程如图8所示：单片机芯片接收来自位移信号模数转换芯片3的检测质量块的振动位移电压信号和单片机内部已转换的驱动质量块振动速度电压信号，利用二阶系统输入输出相位差为90°的特点，对检测质量块的振动位移电压信号y(k)进行过零判断，若其为0，则记录驱动质量块振动速度电压信号并保持作为此周期的振动速度电压幅值A。将驱动质量块速度电压信号幅值A与参考幅值r(k)作差比较得到误差量e(k)＝r(k)-A，设置积分分离PI算法阈值量E0，将|e(k)|与E0比较，若|e(k)|<E0，则进行比例积分控制，增益控制量 $\mathrm{\&Delta;u}\left(k\right)=K_p*e\left(k\right)+K_i*\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\&Sigma;}}}e\left(j\right),$ 若|e(k)|>E0，则仅进行比例控制，增益控制量Δu(k)＝K_p*e(k)，将增益控制量叠加到驱动质量块电压信号

上，得到反馈的驱动力 $F\left(k\right)=\stackrel{.}{x}\left(k\right)*\mathrm{\&Delta;u}\left(k\right).$ 上述中，A为驱动质量块的振动速度电压信号幅值，r(k)为驱动质量块的振动速度电压信号参考幅值，e(k)为驱动质量块振动速度电压信号幅值误差量，E0为积分分离PI算法阈值量，Δu(k)为自动增益控制的增益控制量，K_p为PI控制比例系数，K_i为PI控制积分系数，

为驱动质量块振动速度电压信号，F(k)为反馈的驱动力，k＝1，2，3…。

本发明的角速度解调校正算法流程如图9所示：单片机芯片接收来自位移信号模数转换芯片3的检测质量块的振动位移电压信号和单片机内部已转换的驱动质量块振动速度电压信号，其中检测质量块的振动位移电压信号分为两路处理，一路进入解调程序，将检测质量块的振动位移电压信号与驱动质量块的振动速度电压信号相乘，得到y₁，y₁经过数字低通滤波得到

其中 $C=\sqrt{{(B_1\cos {\mathrm{\&theta;}}_1+B_2\cos {\mathrm{\&theta;}}_2)}^2+{(B_1\sin {\mathrm{\&theta;}}_1-B_2\sin {\mathrm{\&theta;}}_2)}^2},$ y₂的频率ω_r为输入角速度的频率，θ₃为相位偏移，C为y₂的幅值，由C的表达式可知，其包含输入角速度的幅值。另一路信号进入解调系数校正计算程序，从上位机通讯模块6接收陀螺检测质量块和驱动质量块的谐振频率、质量、阻尼系数值，并计算得到：

利用A₁，A₂，θ₁，θ₂求得 $B_1^{\&prime;}=-\frac{A_1^{\&prime;}{\mathrm{R\&omega;}}_x}{2},B_2^{\&prime;}=-\frac{A_2^{\&prime;}{\mathrm{R\&omega;}}_x}{2},$ 进而求得 $C\&prime;=\sqrt{{(B_1^{\&prime;}\cos {\mathrm{\&theta;}}_1+B_2^{\&prime;}\cos {\mathrm{\&theta;}}_2)}^2+{(B_1^{\&prime;}\sin {\mathrm{\&theta;}}_1-B_2^{\&prime;}\sin {\mathrm{\&theta;}}_2)}^2},$ ${\mathrm{\&theta;}}_3=\arctan \left(\frac{B_1\sin {\mathrm{\&theta;}}_1-B_2\sin {\mathrm{\&theta;}}_2}{B_1\cos {\mathrm{\&theta;}}_1+B_2\cos {\mathrm{\&theta;}}_2}\right),$ C′为经过解调算法后，陀螺实际输出与输入角速度的比值，θ₃为经过解调算法后陀螺实际输出信号与输入角速度的相位差。由C和C′的表达式可知，C和C′相差Ω₀倍，求C和C′比值即可得到输入角速度的真实幅值Ω₀；又由于陀螺感受外界输入角速度后产生检测质量块的位移运动，将此位移运动经过解调算法后的输出角速度

与真实输入角速度Ω＝Ω₀cos(ω_rt+φ_r)比较，可得其相位偏移了θ₃，通过单片机内部的移相算法对

移相θ₃即可解算出输入角速度Ω＝Ω₀ cos(ω_rt+φ_r)。上述中，ω_x为驱动质量块谐振频率，ω_y为检测质量块谐振频率，ω_r为输入角速度频率，

为输入角速度相位，ζ_y为检测质量块阻尼系数，R为驱动质量块稳定振动后的位移信号幅值，Ω₀输入角速度幅值。

Claims (6)

1、一种微机械陀螺自激驱动与解调装置，其特征在于：包括：

输入信号接口电路(1)：包括位移传感器接口电路(2)和位移信号模数转换芯片(3)，位移传感器接口电路(2)与微机械陀螺驱动质量块和检测质量块相连，将反应微机械陀螺驱动质量块和检测质量块振动位移变化的电容信号转化并放大为位移电压信号，位移信号模数转换芯片(3)将位移电压信号转换为数字量输入单片机芯片(10)中；

单片机芯片(10)：控制位移信号模数转换芯片(3)对两路位移电压信号进行采样，判断两路位移电压信号为驱动位移电压信号还是检测位移电压信号，对驱动位移电压信号求导转化为速度电压信号，并进行幅值提取算法和自动增益控制算法处理，解算出自动增益力反馈模块(11)所需的增益控制量，对检测位移电压信号进行角速度解调校正算法处理，解算出角速度显示模块(9)所需的解调角速度量；

上位机通讯模块(6)：包括调试、监控计算机(5)与RS232接口(4)，调试、监控计算机(5)通过RS232接口(4)与单片机芯片(10)相连，用于陀螺驱动质量块和检测质量块谐振频率、质量、阻尼系数，PI控制中比例、积分控制系数及陀螺驱动质量块振动速度电压参考幅值的设置和更改；

角速度显示模块(9)：包括角速度信号数模转换芯片(7)和角速度信号输出显示芯片(8)，角速度信号数模转换芯片(7)将单片机芯片(10)解算出的输入角速度转化为模拟量输出，角速度信号输出显示芯片(8)用于显示解算的输入角速度；

自动增益力反馈模块(11)：包括可变增益控制电压数模转换芯片(12)、自动增益控制系统(13)，可变增益控制电压数模转换芯片(12)将单片机芯片(10)内部通过幅值提取及自动增益控制算法计算出的控制增益数字量转化为模拟量，用以调节自动增益控制系统(13)的电压输出，并反馈到微机械陀螺驱动质量块。

2、根据权利要求1所述的微机械陀螺自激驱动与解调装置，其特征在于：所述的位移传感器接口电路(2)采用电容-电压、电流-电压或电容-频率转换方法。

3、根据权利要求1所述的微机械陀螺自激驱动与解调装置，其特征在于：所述的单片机芯片(10)采用MSP430FG461X系列或C8051系列。

4、根据权利要求1所述的微机械陀螺自激驱动和解调装置，其特征在于：所述的幅值提取及自动增益控制算法为：判断检测质量块的振动位移电压信号，如果为0，则提取此时的驱动质量块振动速度电压信号值作为幅值，将此幅值与上位机通讯模块(6)设定的陀螺驱动质量块振动速度电压参考幅值进行比较，比较后的误差量经过积分分离PI算法得到自动增益力反馈模块(11)的增益控制量。

5、根据权利要求1所述的微机械陀螺自激驱动与解调装置，其特征在于：所述的角速度解调校正算法为：在单片机芯片(10)中，将检测质量块的振动位移电压信号分为两路处理，一路进入解调程序，检测质量块的振动位移电压信号与驱动质量块振动速度电压信号相乘后进行数字低通滤波，得到包含输入角速度幅值和频率成分的信号，作为解调系数校正计算程序中的待校正信号；另一路信号进入解调系数校正计算程序，从上位机通讯模块(6)接收陀螺驱动质量块和检测质量块的谐振频率、质量、阻尼系数，计算出待校正信号与实际输入角速度信号的幅值倍数值以及相位偏移值，利用此幅值倍数值和相位偏移值校正解调输出的包含输入角速度幅值和频率成分的待校正信号，得到输入角速度。

6、根据权利要求1所述的微机械陀螺自激驱动与解调装置，其特征在于：所述的角速度信号输出显示芯片(8)为LCD或LED。

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