CN102353366B - 硅微动调混合陀螺仪闭环检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种硅微动调混合陀螺仪闭环检测装置，其包括信号器、力矩器和信号处理模块；信号器包括2对信号检测电极；力矩器包括2对力矩反馈电极；分别用于敏感陀螺仪上2个轴的输入角速度和平衡输入力矩。信号处理模块包括调制载波信号、预载高压、前置放大电路、信号解调电路、差分放大电路和交直流叠加电路。信号检测电极检测到的两轴信号通过前置放大电路放大后进行信号解调；每个解调后检测信号分别通过两个差分放大电路，与预载高压进行同相和反相运算后放大输出，输出的反馈电压信号通过交直流叠加电路与一对反相调制载波信号叠加，然后输出至力矩反馈电极。本发明采用电容检测和静电力反馈形式解决了硅微动调混合陀螺仪的调谐难题。

Description

硅微动调混合陀螺仪闭环检测装置

技术领域

本发明涉及微电子机械系统（MEMS）和微惯性测量技术领域，特别是一种硅微动调混合陀螺仪的闭环检测控制装置及其应用方法。

背景技术

陀螺仪发展过程大致经过框架式陀螺仪、液浮和气浮陀螺、动力调谐陀螺仪、静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和振动陀螺（硅微机械陀螺仪）等。动力调谐陀螺仪由于精度较高，零偏稳定性在0.001^o～1^o/h，成为国内目前最主要的陀螺仪之一，应用领域达到80％左右，但由于其结构、材料和加工特性直接造成了它抗冲击性能较差、启动时间较长和成本较高，尤其是其相对较大的体积限制了它在很多领域的应用。目前，虽然光纤陀螺和激光陀螺的精度已经达到甚至超过动力调谐陀螺仪，但是它们体积较大，价格昂贵，从几万到几十万美元不等，相比动力调谐陀螺不具有太大优势。而后续出现的硅微机械陀螺仪，虽然具有体积小、重量轻、低成本、低能耗、高可靠性、易于智能化和数字化等优点，但是受制于加工工艺和集成电路信号处理能力，硅微陀螺仪目前还处于1^o～100^o/h的中低精度阶段，要实现中高精度还需要一个较长发展过程。因此，市场应用迫切需求一种体积较小、价格较低，而性能指标与昂贵的机电陀螺仪相当的新型陀螺仪。

硅微动调混合陀螺仪的研究正是为了满足这一应用需求。硅微动调混合陀螺仪技术是在挠性陀螺仪技术和硅微机械陀螺仪技术逐步成熟的基础上新发展起来的高新技术。硅微动调混合陀螺仪最初是2003年由美国德雷铂（Charies Stark Draper Lab.简称CSDL）Lyle J. Jenkins等人提出来的，但仅进行了初步的理论探讨。目前，关于硅微动调混合陀螺仪的相关报道较少，东南大学是国内最早开展硅微动调混合陀螺仪研究的单位，其结构可参考公告号为CN 100392353C的专利文件中的相关描述。

硅微动调混合陀螺仪由微型电机、转子体、信号器、力矩器等组成，微型电机由传统精密机械加工或微机电加工技术加工而成，主要用于驱动转子体高速旋转，以获得较大动量矩；转子体、信号器、力矩器采用体硅加工工艺加工而成，转子体上设有上下极板。传统的动力调谐陀螺仪调谐一般通过精密机械加工技术反复调整扭杆的正刚度系数、平衡环的转动惯量及驱动电机的旋转角速度来实现调谐。而硅微动调混合陀螺仪由于硅薄片式平衡环既小又薄，由平衡环产生的负弹性力矩量级很小，仅相当于扭杆正弹性力矩10^-5, 因此，在硅微动调混合陀螺仪中无法采用传统的方式来调谐。其次，在采用传统的开环检测方式进行调谐时，理想条件下（无残余刚度），外界输入角速度的作用将导致转子自转轴的不断进动运动，无法进行信号检测，并且进动陀螺转子甚至会与壳壁相碰，而失去测量功能；而在有残余刚度存在时，开环检测也存在测量范围小、非线性大、信号检测易受机械结构参数和电路参数等开环系统参数变化的影响。而且，传统的动力调谐陀螺仪大多采用电感信号器和动铁式力矩器，不仅体积大、重量重（例如力矩器磁钢），而且在较高速率下工作时发热量很大等缺点。

发明内容

本发明针对新型硅微动调混合陀螺仪提供一种基于再平衡技术的闭环检测控制装置，解决对硅微动调混合陀螺仪进行调谐的难题，使信号检测受机械结构参数和电路参数等系统参数变化的影响较小。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种硅微动调混合陀螺仪闭环检测装置，包括信号器、力矩器、信号处理模块；其特征是，所述信号器为电容信号器，包括2对信号检测电极；力矩器为电容力矩器，包括2对力矩反馈电极；各电极的极板均平行于陀螺仪转子设置；1对信号检测电极对应1对力矩反馈电极，用于陀螺仪上1个轴的信号检测和力矩反馈； 

所述信号处理模块包括调制载波信号、预载高压、前置放大电路、信号解调电路、差分放大电路和交直流叠加电路；调制载波信号为2对，每1对中的2个调制载波信号频率相同、幅值相同、相位相反；

信号检测电极检测到的两轴信号通过前置放大电路进行放大，后通过信号解调电路对两轴信号以相应的基波为参考进行信号解调；解调后的两轴检测信号分别输入至两个差分放大电路的同向输入端和反向输入端；同时预载高压分别输入至上述两个差分放大电路的同向输入端；差分放大电路的输出端输出反馈电压信号；2个反馈电压信号通过交直流叠加电路与1对反相的调制载波信号进行叠加，然后输出至相应的力矩反馈电极。

反馈电压可实现两个功能：其一为实现闭环反馈控制，其二为实现负刚度调谐：预载高压作用在信号器的平面检测电容上，在静电力作用下，将产生静电负刚度，该静电负刚度与硅微动调混合陀螺仪的扭杆正刚度相反；因此通过调整预载高压的大小，可以调节静电负刚度的大小。

作为一种改进，信号处理模块中还包括带通选频电路，带通选频电路的信号输入端连接前置放大电路的信号输出端；带通选频电路的信号输出端连接信号解调电路的输入端。具体的，带通选频电路采用多重反馈型带通滤波电路，用于分离两敏感轴的电容检测信号，其可采用现有的相关功能模块或利用现有成熟电路技术实现。

作为一种改进，信号处理模块中还包括低通滤波电路，低通滤波电路的信号输入端连接信号解调电路的信号输出端，低通滤波电路的信号输出端连接差分放大电路的信号输入端。具体的，信号解调电路为相敏解调电路，低通滤波电路与相敏解调电路皆可采用现有的电路模块也可采用现有成熟电路技术实现，共同构成信号解调环节，将调制后的电容信号与噪声信号分离。 

作为一种改进，信号处理模块中还包括陷波电路，陷波电路的信号输入端连接信号解调电路的信号输出端，陷波电路的信号输出端连接差分放大电路的信号输入端。具体的，陷波电路可采用现有的相关电路模块或者利用现有成熟电路技术实现。由于陀螺转子与其自身上下电容极板间不可能绝对平行，因此陀螺转子转动时将产生与转动频率相同的交流干扰，陷波电路用于抑制由陀螺仪转子转动引起的交流干扰。

作为一种改进，信号处理模块中还包括校正电路，校正电路的信号输入端连接信号解调电路的信号输出端，校正电路的信号输出端连接差分放大电路的信号输入端。具体的，校正电路可采用现有的相关电路模块或者利用现有成熟电路技术实现，其用于改善开环系统的幅值裕度和相角裕度特性。

作为一种改进，信号处理模块中还包括解耦电路，解耦电路的信号输入端连接信号解调电路的信号输出端，解耦电路的信号输出端连接差分放大电路的信号输入端。具体的，两轴的校正后检测信号同时输入至解耦电路中，进行解耦运算消除彼此影响后得到更精确的反馈信号。解耦电路可采用现有的相关电路模块或者利用现有成熟电路技术实现。

优选的，所述信号处理模块中的前置放大电路采用公共端差分型前置放大电路，用于放大两敏感轴的电容检测信号，其可采用现有的相关功能模块或利用现有成熟电路技术实现。

优选的， 所述2对载波信号的频率不同，每1对中的2个载波信号为通过1个基波信号源分别连接同相放大器和反相放大器输出得到。使用不同的两个载波信号对电容检测信号进行调制及解调，更加便于区分两轴的敏感检测信号，同时抑制周围寄生效应的影响。基波信号源可由现有的相关信号源器件提供。

优选的，所述校正电路包括两级运算放大器，第一级运算放大器的反相输入端即校正电路的信号输入端；第一级运算放大器的输出端连接第二级运算放大器的反相输入端；第二级运算放大器的输出端即校正电路的信号输出端；两级运算放大器的反相输入端与信号输出端之间跨接有T型电路。在应用时可通过设置运算放大器的增益放大倍数，调整零极点来改善系统的动态和静态性能。

优选的，本发明的解耦电路采用对角线解耦，将系统解耦成两个二型二阶系统，解耦网络的传递函数为：

                                                            

                   （1）

式（1）中J为陀螺转子的转动惯量，H为硅微动调混合陀螺仪的输入角动量。解耦后得到的是两个二型二阶系统，且增益较低。

有益效果

本发明的硅微动调混合陀螺仪的闭环检测装置采用静电负刚度方式进行调谐：预载高压通过力矩反馈电极作用在平面检测电容上，在静电力作用下产生与硅微动调混合陀螺仪的扭杆正刚度相反的静电负刚度，通过调整预载高压U的大小，可以调节静电负刚度的大小；调谐过程中通过调整静电负电刚度的大小来补偿内、外扭杆的正弹性力矩实现调谐。本发明具有以下优点：

（1）闭环检测测量范围大、非线性小、且信号检测受机械结构参数和电路参数等系统参数变化的影响较小；同时带有解耦功能的闭环检测可以实现两轴信号解耦控制和信号检测；升压模块产生的预载高压，不仅用作构成反馈电压信号的直流偏置电压，而且由其产生的负刚度效应还可以用于转子平衡环的调谐，即消除扭杆的残余刚度，解决了硅微动调混合陀螺仪的调谐难题，且方法简单，调试方便； 

（2）采用两路不同频率基波信号对两路电容检测信号进行调制、选频和解调可以有效区分两轴检测信号，抑制寄生效应的影响；

（3）体积小、结构简单、灵敏度高、发热量小。

附图说明

图1所示为本发明的硅微动调混合陀螺仪闭环检测装置框图；

图2所示为本发明与陀螺仪的接口电路图；

图3所示为本发明的校正电路图；

图4所示为本发明的解耦电路图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加明显易懂，以下结合附图和具体实施方式做进一步说明。

结合图1, 本发明的硅微动调混合陀螺仪的闭环检测装置包括信号器和力矩器，信号器包括2对信号检测电极 (E、F)、（G、H)，力矩器包括2对力矩反馈电极（A、B）、（C、D）。反馈电极（A、B）、（C、D），以及信号检测电极(E、F)、（G、H)的极板皆与陀螺转子10上的极板相互平行，构成差动敏感检测电容。

信号检测电极(E、F)、（G、H)检测到由输入角速度引起的电容变化信号，并将信号输出至前置放大器11中，经前置放大后的信号由带通选频放大器12、18进行两轴信号的分离，并将分离后的两轴信号分别输出至相敏解调电路13、19。相敏解调器13、19以基波信号源作为参考波形，对信号进行解调；解调后的信号输出至低通滤波器14、20和陷波器15、21，进行干扰信号的消除。之后，信号输入至校正电路16、22进行幅值裕度和相角裕度的改善；校正后的两轴信号皆输出至解耦电路23中，通过解耦消除两轴信号的相互影响，并输出反馈信号Vf1、Vf2。

升压模块1提供直流预载高压U，分四路分别输入至运算放大器2、3、4、5中的同相输入端；反馈信号Vf1分别输入至运算放大器3的同相端和运算放大器2的反相端；反馈信号Vf2分别输入至运算放大器5的同相端和运算放大器4的反相端，得到差分放大后的反馈电压信号U-Vf1、U+Vf1、U-Vf2、U+Vf2，分别输入至交直流叠加电路6、7、8、9中与交流载波进行线性叠加。

基波信号源24、25为两个频率不同的基波信号源。各自通过同相基波信号放大电路27、29，和反相基波信号放大电路26、28进行放大，得到两对反相的调制载波信号（+V1、-V1）和（+V2、-V2），频率分别为64kHZ、120kHZ；+V1、-V1、+V2、-V2分别输入至交直流叠加电路6、7、8、9中与反馈电压信号叠加。

结合图2所示，前置放大电路中采用公共端差分检测型前放电路，并采用双载波调制方式，力矩反馈电极A、B、C、D既是调制载波信号+V1、-V1、+V2、-V2的接口电极，又是反馈电压信号U-Vf1、U+Vf1、U-Vf2、U+Vf2的接口电极。调制载波信号对由输入角速度导致的差动敏感电容C1、C2、C3、C4的电容变化信号进行调制，调制信号经常值电容C5、C6、C7、C8由信号检测电极(E、F)、（G、H)输出，被前置放大器放大，通过带通选频电路12、18将两轴检测信号分离开来，可获得两对差动敏感电容的变化。后续通过解调、校正、解耦等信号处理，获得反应输入角速度大小的反馈电压信号U-Vf1、U+Vf1、U-Vf2、U+Vf2。 

根据机械结构参数和调谐要求不同，预载高压U一般在50~150V左右，反馈电压信号U-Vf1、U+Vf1、U-Vf2、U+Vf2分别作用在反馈电极A、B、C、D上实现闭环反馈控制，在差动静电力的作用下，形成两路反馈力矩，平衡由外界角速度输入导致的陀螺力矩。

本发明采用静电负刚度方式进行调谐：预载高压U通过力矩反馈电极A、B、C、D作用在平面检测电容C1、C2、C3、C4上，在静电力作用下将产生静电负刚度，该静电负刚度与硅微动调混合陀螺仪的扭杆正刚度相反，通过调整预载高压U的大小，可以调节静电负刚度的大小；调谐过程中通过调整静电负电刚度的大小来补偿内、外扭杆的正弹性力矩实现调谐。

结合图3，本发明的校正电路采用了两级超前校正的形式，通过设置增益放大倍数，调整零极点来改善系统的动态和静态性能。校正电路中包括两级运算放大器U2、U3，第一级运算放大器U2的反相输入端通过电阻连接R2校正电路的信号输入端Vin1，同相输入端接地；第一级运算放大器U2的输出端通过电阻R6连接第二级运算放大器U3的反相输入端，第二级运算放大器U3的同相端接地；第二级运算放大器U3的输出端即为校正电路的信号输出端Vout1；两级运算放大器的反相输入端与信号输出端之间跨接有T型电路。电阻R3与电阻R4串接在第一级运算放大器U2的反向端与输出端之间，电阻R5一端接在电阻R3与电阻R4之间，另一端与电容C10的一端相连，电容C10的另一端与地相连。类似第一个T型电阻网络，电阻R7与电阻R8串接在第二级运算放大器U3的反向端与输出端之间，电阻R9一端接在电阻R7与电阻R8之间，另一端与电容C11的一端相连，电容C11的另一端接地。

本发明采用对角线解耦，将系统解耦成两个二型二阶系统，解耦网络的传递函数为：

                          （1）                               

式（1）中J为陀螺转子的转动惯量，H为硅微动调混合陀螺仪的输入角动量，解耦后得到的是两个二型二阶系统，且增益较低。公式（1）对应的电路实现如图4所示，两轴检测电容信号各自经校正电路后的输出信号作为解耦电路的输入信号Vin2和Vin3，Vin2同时与电阻R10与R15连接，电阻R10、电容C12和运算放大器U4构成积分电路；电阻R10的另一端连接在运算放大器U4的反向端，U4的同向端接地，电容C12跨接在运算放大器U4的反向端和输出端；运算放大器U5构成跟随电路，运算放大器U4的输出端接在运算放大器U5的同向端，运算放大器U5的反向端与输出端直接相连。另一路输入信号Vin3同时与电阻R11与R18连接，电阻R11、电容C13和运算放大器U6构成积分电路，R11的另一端连接在运算放大器U6的反向端，U6的同向端接地，电容C13跨接在运算放大器U6的反向端和输出端；电阻R12、R13和运算放大器U7构成反向放大电路，运算放大器U6的输出端接在电阻R12的一端，电阻R12的另一端接在运算放大器U7的反向端，运算放大器U7的同向端接地，电阻R13跨接在运算放大器U7的反向端与输出端之间。电阻R14、R15、R16和运算放大器U8构成加法电路，运算放大器U7的输出端与电阻R14连接，R14的另一端与运算放大器U8的反向端，电阻R15的另一端接运算放大器的反向端，电阻R16跨接在运算放大器U8反向端和输出端之间，运算放大器U8的输出为一路解耦信号Vf1；电阻R17、R18、R19和运算放大器U9构成加法电路，运算放大器U5的输出端与电阻R17连接，R17的另一端与运算放大器U9的反向端，电阻R18的另一端接运算放大器的反向端，电阻R19跨接在运算放大器U9反向端和输出端之间，运算放大器U9的输出为另一路解耦信号Vf2。后续通过差分运算放大器2、3、4、5完成解耦后的反馈信号与预载高压的叠加，形成反馈电压信号。

本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (9)

1.一种硅微动调混合陀螺仪闭环检测装置，包括信号器、力矩器、信号处理模块；其特征是，所述信号器为电容信号器，包括2对信号检测电极；力矩器为电容力矩器，包括2对力矩反馈电极；各电极的极板均平行于陀螺仪转子设置；1对信号检测电极对应1对力矩反馈电极，用于敏感陀螺仪上1个轴的输入角速度和平衡输入力矩；

所述信号处理模块包括调制载波信号产生电路、预载高压产生电路、前置放大电路、信号解调电路、差分放大电路和交直流叠加电路；调制载波信号产生电路产生的调制载波信号为2对，每1对中的2个调制载波信号频率相同、幅值相同、相位相反；

信号检测电极检测到的两轴信号通过前置放大电路进行放大，后通过信号解调电路对两轴信号，以相应的基波为参考进行信号解调；解调后的两轴检测信号分别输入至两个差分放大电路的同向输入端和反向输入端；同时预载高压产生电路产生的预载高压分别输入至上述两个差分放大电路的同向输入端；差分放大电路的输出端输出反馈电压信号，输出的反馈电压信号通过交直流叠加电路与一对反相的调制载波信号叠加，然后输出至力矩反馈电极。

2.根据权利要求1所述的硅微动调混合陀螺仪闭环检测控制装置，其特征是，信号处理模块中还包括带通选频电路，带通选频电路的信号输入端连接前置放大电路信号输出端；带通选频电路的信号输出端连接信号解调电路输入端。

3.根据权利要求1所述的硅微动调混合陀螺仪闭环检测控制装置，其特征是，信号处理模块中还包括低通滤波电路，低通滤波电路的信号输入端连接信号解调电路的信号输出端，低通滤波电路的信号输出端连接差分放大电路的信号输入端。

4.根据权利要求1所述的硅微动调混合陀螺仪闭环检测控制装置，其特征是，信号处理模块中还包括陷波电路，陷波电路的信号输入端连接信号解调电路的信号输出端，陷波电路的信号输出端连接差分放大电路的信号输入端。

5.根据权利要求1所述的硅微动调混合陀螺仪闭环检测控制装置，其特征是，信号处理模块中还包括校正电路，校正电路的信号输入端连接信号解调电路的信号输出端，校正电路的信号输出端连接差分放大电路的信号输入端。

6.根据权利要求1所述的硅微动调混合陀螺仪闭环检测控制装置，其特征是，信号处理模块中还包括解耦电路，解耦电路的信号输入端连接信号解调电路的信号输出端，解耦电路的信号输出端连接差分放大电路的信号输入端。

7.根据权利要求1-6任一项所述的硅微动调混合陀螺仪闭环检测控制装置，其特征是，所述2对载波信号的频率不同，每1对中的2个载波信号为通过1个基波信号源分别连接同相放大器和反相放大器输出得到。

8.根据权利要求5所述的硅微动调混合陀螺仪闭环检测控制装置，其特征是，所述校正电路包括两级运算放大器，第一级运算放大器的反相输入端即校正电路的信号输入端；第一级运算放大器的输出端连接第二级运算放大器的反相输入端；第二级运算放大器的输出端即校正电路的信号输出端；两级运算放大器的反相输入端与信号输出端之间跨接有T型电路。

9.根据权利要求6所述的硅微动调混合陀螺仪闭环检测控制装置，其特征是，所述解耦电路采用对角线解耦，将系统解耦成两个二型二阶系统，解耦网络的传递函数为：

$D\left(S\right)=\frac{J}{H}\left[\begin{array}{cc}1& \frac{H}{\mathrm{JS}}\\ -\frac{H}{\mathrm{JS}}& 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

式（1）中J为陀螺转子的转动惯量，H为硅微动调混合陀螺仪的输入角动量。

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