CN102607546B - 用于微机械陀螺的正交误差处理方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微机械陀螺的正交误差处理方法及装置，方法步骤如下：1)对微机械陀螺施加驱动载波信号和检测载波信号；2)获取微机械陀螺的输出信号并分别进行一次解调获得驱动信号和检测信号；3)调整驱动信号的放大增益，将放大后的驱动信号和检测信号进行减法运算后输出，同时提取所述减法运算输出信号的幅值模拟量，根据所述幅值模拟量闭环调整驱动信号的放大增益；装置包括同步解调单元、自动增益控制模块、减法器和输出幅值获取单元，输出幅值获取单元的输入端与减法器的输出端相连、输出端与自动增益控制模块的控制端相连。本发明能够精确消除正交误差、提高微机械陀螺输出性能，具有体积小、重量低、成本低、功耗小的优点。

Description

用于微机械陀螺的正交误差处理方法及装置

技术领域

本发明涉及微机械陀螺的信号处理方法及装置，具体涉及用于消除振动式微机械陀螺正交误差、为高性能微机械陀螺的研制提供技术支持的正交误差处理方法及装置。

背景技术

微机械陀螺是测量物体相对惯性空间旋转运动的装置，是惯性制导系统必不可少的角速度敏感元件，微机械陀螺的输出信号经放大、校正、功率放大后，用于驱动载体或平台执行机构进行稳定控制和导航控制。微机械陀螺的微结构采用体硅或表面硅加工工艺制作而成，通过将驱动端的振动利用哥氏力耦合到敏感端来检测角速度。

但是，由于微机械陀螺的加工尺寸很小(通常为微米量级)，在现有条件下很难控制其加工精度。如图1所示，由于工艺限制和加工误差，使得检测质量块的质心运动轨迹不能与理想驱动轴线重合，导致检测轴与驱动轴不能完全垂直，假设夹角为ε，从而驱动模态将部分弹性力耦合到敏感模态，造成陀螺在无角速度输入时，仍对敏感端施加了较大的振动力信号，影响敏感输出。

假设驱动轴激励电压为F₀＝X₀sin(ω_xt)，当没有角速度输入，谐振状态时检测质量块沿驱动轴和检测轴方向的位移分别为：x＝X₀cos(ω_xt)cos(ε)，y₁＝X₀cos(ω_xt)sin(ε)。

当有角速度Ω输入，有效哥氏加速度和输出轴方向上的振动位移的特解分别为：a_coriolis＝2x×Ω＝2X₀Ωωcos(ω_xt)cos(ε)，y₂＝E₀sin(ω_xt+φ)cos(ε)，其中E₀为常数，且E₀正比于Ω。

在微机械陀螺正常工作状态下，检测输出轴方向上的振动位移：

y＝y₁+y₂＝X₀cos(w_xt)sin(ε)+E₀sin(ω_xt+φ)cos(ε)

其中y₁就是通常提到的正交误差所引起检测轴的振动位移。

因此，为了提高微机械陀螺性能，必须将正交误差对振动位移的影响消除。目前常用的正交误差消除办法为输出信号同步解调法。输出信号同步解调法采用一次解调后得到的与驱动信号相近的信号作为参考信号，对一次解调后得到的微陀螺的输出信号进行同步解调。解调后输出：

$s=y*X_0\cos ({\mathrm{\ω}}_{x}t-\frac{\mathrm{\π}}{2})=X_0^2\cos \left(w_{x}t\right)\sin \left({\mathrm{\ω}}_{x}t\right)\sin \left(\mathrm{\ϵ}\right)+E_0{X}_0\sin ({\mathrm{\ω}}_{x}t+\mathrm{\φ})\cos \left(\mathrm{\ϵ}\right)\sin \left({\mathrm{\ω}}_{x}t\right),$

然后经过化简并经过低通滤波器后输出为：s＝1/2E₀X₀cos(ε)。

由于微结构加工工艺的限制和模拟移相器的精度不高，假设移相器实际移相为则被解调出的输出信号为：

$s=y*X_0\cos ({\mathrm{\ω}}_{x}t-\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\θ})$

$s=X_0^2\cos \left(w_{x}t\right)\cos ({\mathrm{\ω}}_{x}t-\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\θ})\sin \left(\mathrm{\ϵ}\right)+E_0{X}_0\sin ({\mathrm{\ω}}_{x}t+\mathrm{\φ})\cos \left(\mathrm{\ϵ}\right)\cos ({\mathrm{\ω}}_{x}t-\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\θ})$

，将其化简并经过低通滤波器后输出为：

$s={1/2X}_0^2\sin \left(\mathrm{\ϵ}\right)\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+{1/2E}_0{X}_0\cos \left(\mathrm{\ϵ}\right)\cos \left(\mathrm{\θ}\right)$

从上式我们可以看出，现有模拟电路同步解调法消除正交误差，因为移相器的精度限制，无法完全消除正交误差，严重影响了微机械陀螺测控性能的提升，制约着高性能微机械陀螺的发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够精确消除正交误差、提高微机械陀螺输出性能，体积小、重量低、成本低、功耗小的用于微机械陀螺的正交误差处理方法及装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于微机械陀螺的正交误差处理方法，其实施步骤如下：

1)对微机械陀螺施加驱动载波信号和检测载波信号；

2)获取微机械陀螺的输出信号并分别进行一次解调获得驱动信号和检测信号；

3)调整驱动信号的放大增益，将放大后的驱动信号和检测信号进行减法运算后输出，同时提取所述减法运算输出信号的幅值模拟量，根据所述幅值模拟量闭环调整驱动信号的放大增益。

作为本发明用于微机械陀螺的正交误差处理方法的上述技术方案的进一步改进：

所述步骤3)中根据幅值模拟量闭环调整驱动信号的放大增益具体是指：将所述减法运算输出信号进行移相获得移相信号，将所述移相信号进行整流后获得幅值模拟量，然后将幅值模拟量输出至PID控制器并通过所述PID控制器闭环调整所述驱动信号的放大增益。

所述将移相信号整流具体是指：将所述移相信号进行反向获得反向移相信号，将所述反向移相信号和原始移相信号共同作为开关芯片的输入信号，同时将驱动信号依次经过90度移相、方波转换后作为开关芯片的控制信号，通过所述控制信号控制开关芯片对输入信号进行整流获得幅值模拟量。

所述步骤2)中进行一次解调获得驱动信号和检测信号具体是指：对输出信号进行放大、滤波后，根据驱动载波信号进行一次解调获得驱动信号，根据检测载波信号进行一次解调获得检测信号，并分别对得到的驱动信号和检测信号进行滤波、放大后输出。

所述步骤3)中提取减法运算后输出信号的幅值模拟量时，将所述减法运算输出信号进行移相获得移相信号，将移相信号进行整流后输出至PID控制器，通过PID控制器闭环调整驱动信号的放大增益。

所述将移相信号整流具体是指：将移相信号进行反向获得反向移相信号，将反向移相信号和原始移相信号共同作为开关芯片的输入信号，同时将驱动信号依次经过90度移相、方波转换后作为开关芯片的控制信号，通过所述控制信号控制开关芯片对输入信号进行整流，并进行滤波后输出至PID控制器。

所述步骤2)中获取微机械陀螺的输出信号后，首先对输出信号进行放大、滤波后分别进行解调，然后分别对解调的信号进行滤波放大获得驱动信号和检测信号。

本发明还提供一种用于微机械陀螺的正交误差处理装置，包括具有驱动信号输出端和检测信号输出端的同步解调单元，还包括用于调整驱动信号放大增益的自动增益控制模块、减法器和用于获取最终输出检测信号幅值的输出幅值获取单元，所述同步解调单元的驱动信号输出端通过自动增益控制模块与减法器的输入端相连，所述同步解调单元的检测信号输出端与减法器的输入端相连，所述输出幅值获取单元的输入端与所述减法器的输出端相连，所述输出幅值获取单元的输出端与所述自动增益控制模块的控制端相连。

作为本发明用于微机械陀螺的正交误差处理装置的上述技术方案的进一步改进：

所述输出幅值获取单元包括第一移相器、用于整流的开关解调模块和用于闭环控制所述自动增益控制模块的PID控制器，所述第一移相器、开关解调模块、PID控制器依次相连，所述第一移相器的输入端与所述减法器的输出端相连，所述PID控制器的输出端与自动增益控制模块的控制端相连。

所述开关解调模块包括第二移相器、方波转换器、反向器、开关芯片和低通滤波器，所述开关芯片的一个输入端通过反向器与减法器的输出端相连，所述开关芯片的另一个输入端直接与减法器的输出端相连，所述开关芯片的控制端依次通过方波转换器、第二移相器与所述同步解调单元的驱动信号输出端相连，所述开关芯片的输出端通过低通滤波器与PID控制器的输入端相连。

所述方波转换器为过零比较器。

所述自动增益控制模块为压控放大器。

所述同步解调单元包括信号放大单元、驱动信号发生单元和检测信号发生单元，所述信号放大单元包括串接的电荷放大器和第一滤波放大器，所述电荷放大器的输入端与微机械陀螺的输出端相连；所述驱动信号发生单元包括第一乘法器、第二滤波放大器和驱动载波发生器，所述驱动载波发生器、第一滤波放大器分别与第一乘法器的输入端相连，所述第二滤波放大器的输入端与第一乘法器的输出端相连、输出端作为同步解调单元的驱动信号输出端；所述检测信号发生单元包括第二乘法器、第三滤波放大器和检测载波发生器，所述检测载波发生器、第一滤波放大器分别与第二乘法器的输入端相连，所述第三滤波放大器的输入端与第二乘法器的输出端相连、输出端作为同步解调单元的检测信号输出端。

本发明用于微机械陀螺的正交误差处理方法具有下述优点：本发明利用检测信号中的正交误差信号与驱动信号同频同相的特征，在传统的同步解调消除正交误差的基础上增加减法运算闭环电路，能够规避模拟电路的精度不高、噪声过大的问题，提前从检测信号中将正交误差对振动幅值的影响消除，能够精确消除正交误差、提高微机械陀螺输出性能，具有体积小、重量低、成本低、功耗小的优点。

本发明用于微机械陀螺的正交误差处理装置由于具有与上述用于微机械陀螺的正交误差处理方法对应的结构，因此也应当具有与上述用于微机械陀螺的正交误差处理方法的优点相对应的优点。

附图说明

图1为现有技术微机械陀螺的结构示意图。

图2为本发明实施例的框架结构示意图。

图3为本发明实施例同步解调单元的框架结构示意图。

图4为本发明实施例自动增益控制模块的电路原理示意图。

图5为本发明实施例减法器的电路原理示意图。

图6为本发明实施例第一移相器的电路原理示意图。

图7为本发明实施例开关解调模块的框架结构示意图。

图8为本发明实施例方波转换器的电路原理示意图。

图9为本发明实施例开关芯片的电路原理示意图。

图10为本发明实施例开关芯片的整流输入输出波形示意图。

图11为本发明实施例PID控制器的电路原理示意图。

图例说明：1、同步解调单元；11、信号放大单元；111、电荷放大器；112、第一滤波放大器；12、驱动信号发生单元；121、驱动载波发生器；122、第一乘法器；123、第二滤波放大器；13、检测信号发生单元；131、检测载波发生器；132、第二乘法器；133、第三滤波放大器；2、自动增益控制模块；3、减法器；4、输出幅值获取单元；41、第一移相器；42、开关解调模块；421、第二移相器；422、方波转换器；423、反向器；424、开关芯片；425、低通滤波器；43、PID控制器。

具体实施方式

如图2所示，本发明实施例用于微机械陀螺的正交误差处理方法的实施步骤如下：

1)对微机械陀螺施加驱动载波信号和检测载波信号；

2)获取微机械陀螺的输出信号并分别进行一次解调获得驱动信号和检测信号；

3)调整驱动信号的放大增益，将放大后的驱动信号和检测信号进行减法运算后输出，同时提取减法运算输出信号的幅值模拟量，根据幅值模拟量闭环调整驱动信号的放大增益。

步骤2)中进行一次解调获得驱动信号和检测信号具体是指：对输出信号进行放大、滤波后，根据驱动载波信号进行一次解调获得驱动信号，根据检测载波信号进行一次解调获得检测信号，并分别对得到的驱动信号和检测信号进行滤波、放大后输出。

步骤3)中根据幅值模拟量闭环调整驱动信号的放大增益具体是指：将减法运算输出信号进行移相获得移相信号，将移相信号进行整流后获得幅值模拟量，然后将幅值模拟量输出至PID控制器并通过PID控制器闭环调整驱动信号的放大增益。其中，将移相信号整流具体是指：将移相信号进行反向获得反向移相信号，将反向移相信号和原始移相信号共同作为开关芯片的输入信号，同时将驱动信号依次经过90度移相、方波转换后作为开关芯片的控制信号，通过控制信号控制开关芯片对输入信号进行整流获得幅值模拟量。

本实施例的工作原理如下：由于微机械陀螺的输出信号经过一次解调后得到的检测信号包含因加工工艺限制产生的正交误差成分，本实施例的电路与现有的同步解调电路一起，主要实现消除正交误差的功能。本实施例通过闭环减法运算，采用自适应控制技术，控制一次解调输出的驱动信号幅值，与一次解调输出的检测信号幅值做减法运算(当微陀螺无角速度输入时，检测信号输出幅值即为正交误差引起检测轴的振动位移)，将检测信号中的正交误差产生的振动位移提前消除。减法器的输出：

V_de2＝y-k_f*X₀cos(w_xt)＝X₀cos(w_xt)sin(ε)+E₀sin(ω_xt+φ)cos(ε)-k_f*X₀cos(w_xt)，

其中k_f正比于减法器的输出幅值。形成有效闭环，最终将k_f无限逼近于sin(ε)。使得V_de2≈E₀sin(ω_xt+φ)cos(ε)，将正交误差完全消除。本实施例在现有同步解调方法的基础上，增加了闭环减法运算，由于采用了闭环减法运算，有效地去除了检测信号里面耦合的驱动信号，大大减少正交误差对微机械陀螺输出信号的影响。

如图2所示，本发明实施例用于微机械陀螺的正交误差处理装置包括具有驱动信号输出端和检测信号输出端的同步解调单元1、用于调整驱动信号放大增益的自动增益控制模块2、减法器3和用于获取最终输出检测信号幅值的输出幅值获取单元4，同步解调单元1的驱动信号输出端通过自动增益控制模块2与减法器3的输入端相连，同步解调单元1的检测信号输出端与减法器3的输入端相连，输出幅值获取单元4的输入端与减法器3的输出端相连，输出幅值获取单元4的输出端与自动增益控制模块2的控制端相连。

输出幅值获取单元4包括第一移相器41、用于整流的开关解调模块42和用于闭环控制自动增益控制模块2的PID控制器43，第一移相器41、开关解调模块42、PID控制器43依次相连，第一移相器41的输入端与减法器3的输出端相连，PID控制器43的输出端与自动增益控制模块2的控制端相连。本实施例中，同步解调单元1的驱动信号输出端输出驱动信号VHdrive，检测信号输出端输出检测信号Vde1。驱动信号VHdrive作为自动增益控制模块2的输入，其放大倍数受PID控制器43输出幅值的控制。检测信号Vde1和自动增益控制模块2的输出一起作为减法器3的输入。减法器3的输出信号Vde3一方面作为最终输出信号输出，另一方面也作为输出幅值获取单元4和自动增益控制模块2构成的闭环的输入信号。输出信号Vde3经过第一移相器41的移相后作为开关解调模块42的输入，经开关解调模块42整流后输出至PID控制器43，PID控制器43将整流后的信号幅值作为自动增益控制模块2的控制信号，控制驱动信号VHdrive的放大增益。

如图3所示，同步解调单元1包括信号放大单元11、驱动信号发生单元12和检测信号发生单元13，信号放大单元11包括串接的电荷放大器111和第一滤波放大器112，电荷放大器111的输入端与微机械陀螺的输出端相连；驱动信号发生单元12包括第一乘法器122、第二滤波放大器123和驱动载波发生器121，驱动载波发生器121、第一滤波放大器112分别与第一乘法器122的输入端相连，第二滤波放大器123的输入端与第一乘法器122的输出端相连、输出端作为同步解调单元1的驱动信号输出端；检测信号发生单元13包括第二乘法器132、第三滤波放大器133和检测载波发生器131，检测载波发生器131、第一滤波放大器112分别与第二乘法器132的输入端相连，第三滤波放大器133的输入端与第二乘法器132的输出端相连，第三滤波放大器133的输出端作为同步解调单元1的检测信号输出端。

如图4所示，自动增益控制模块2为压控放大器，具体是采用AD公司的模拟可变增益运算放大器AD605。AD605通过VGN2引脚与PID控制器43相连，+IN2引脚与同步解调单元1的驱动信号输出端相连，OUT2引脚与减法器3相连，AD605将来自VGN2引脚的输入信号作为输出电压的增益控制量，将+IN2引脚输入的驱动信号变增益放大后输入至减法器3。

如图5所示，减法器3采用运算放大器AD8574实现，AD8574的2号引脚与同步解调单元1的检测信号输出端相连，3号引脚与自动增益控制模块2的OUT2引脚相连，5号引脚与2.5V的基准电压相连，7号引脚与输出幅值获取单元4的第一移相器41相连。AD8574将自动增益控制模块2输出的信号减去Vde1再增加基准电压2.5V后输出至第一移相器41。

如图6所示，第一移相器41采用高精度、高带宽的运算放大器AD8616，AD8616的6号引脚与减法器3的7号引脚相连，AD8616的7号引脚与开关解调模块42相连。本实施例中微机械陀螺驱动模态谐振频率为4.3kHz，则该移相电路的相位变化为：

如图7所示，开关解调模块42包括第二移相器421、方波转换器422、反向器423、开关芯片424和低通滤波器425，开关芯片424的一个输入端通过反向器423与减法器3的输出端相连、另一个输入端直接与减法器3的输出端相连，开关芯片424的控制端依次通过方波转换器422、第二移相器421与同步解调单元1的驱动信号输出端相连，开关芯片424的输出端通过低通滤波器425与PID控制器43的输入端相连。反向器423采用型号为AD8574的运算放大器实现。

如图8所示，方波转换器422为过零比较器，具体采用过零比较器LM211。方波转换器422的主要完成功能是将正弦信号转换为方波信号，以用于开关芯片424的解调控制。

如图9所示，开关芯片424采用开关芯片ADG719，此外也可以采用双路开关芯片ADG736。开关芯片ADG719的IN引脚(1号引脚)与方波转换器422相连，S1和S2引脚分别为正负输入端口，D引脚则为输出端口与PID控制器43相连。驱动信号VHdrive首先输入第二移相器421经90°移相后输出至方波转换器422，方波转换器422将输入的信号转换为方波信号vclock[r(t)]并输出至开关芯片424的控制端，同时第一移相器41输出的移相信号vde3[y(t)]输入至反向器423，反向器423将移相信号vde3转换为反向移相信号[-y(t)]，然后y(t)输入开关芯片ADG719的6号引脚，-y(t)输入开关芯片ADG719的4号引脚，最终输出信号U₀(t)的波形与y(t)、r(t)的波形比较图如10所示。

如图11所示，PID控制器43采用运算放大器AD8574，运算放大器AD8574的13号引脚作为输入引脚与开关芯片424相连，12号引脚连接基准电压，14号引脚作为输出引脚与自动增益控制模块2的控制端相连。PID控制系统具有较强的鲁棒性，对于电路系统参数的变化具有较低的灵敏度，因此当电路参数发生变化时它能始终保持系统稳定。

本实施例中，各个器件的参考基准电压均为+2.5V，系统采用单电源+5V供电。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于微机械陀螺的正交误差处理方法，其特征在于其实施步骤如下：

1)对微机械陀螺施加驱动载波信号和检测载波信号；

2)获取微机械陀螺的输出信号并分别进行一次解调获得驱动信号和检测信号；所述进行一次解调获得驱动信号和检测信号具体是指：对输出信号进行放大、滤波后，根据驱动载波信号进行一次解调获得驱动信号，根据检测载波信号进行一次解调获得检测信号，并分别对得到的驱动信号和检测信号进行滤波、放大后输出；

3)调整驱动信号的放大增益，将放大后的驱动信号和检测信号进行减法运算后输出，将所述减法运算输出信号进行移相获得移相信号，将所述移相信号进行整流后获得幅值模拟量，然后将幅值模拟量输出至PID控制器并通过所述PID控制器闭环调整所述驱动信号的放大增益；所述将移相信号整流具体是指将所述移相信号进行反向获得反向移相信号，将所述反向移相信号和原始移相信号共同作为开关芯片的输入信号，同时将驱动信号依次经过90度移相、方波转换后作为开关芯片的控制信号，通过所述控制信号控制开关芯片对输入信号进行整流获得幅值模拟量。

2.一种用于微机械陀螺的正交误差处理装置，包括具有驱动信号输出端和检测信号输出端的同步解调单元(1)，其特征在于：还包括用于调整驱动信号放大增益的自动增益控制模块(2)、减法器(3)和用于获取最终输出检测信号幅值的输出幅值获取单元(4)，所述同步解调单元(1)的驱动信号输出端通过自动增益控制模块(2)与减法器(3)的输入端相连，所述同步解调单元(1)的检测信号输出端与减法器(3)的输入端相连，所述输出幅值获取单元(4)的输入端与所述减法器(3)的输出端相连，所述输出幅值获取单元(4)的输出端与自动增益控制模块(2)的控制端相连；所述输出幅值获取单元(4)包括第一移相器(41)、用于整流的开关解调模块(42)和用于闭环控制所述自动增益控制模块(2)的PID控制器(43)，所述第一移相器(41)、开关解调模块(42)、PID控制器(43)依次相连，所述第一移相器(41)的输入端与所述减法器(3)的输出端相连，所述PID控制器(43)的输出端与自动增益控制模块(2)的控制端相连；所述同步解调单元(1)包括信号放大单元(11)、驱动信号发生单元(12)和检测信号发生单元(13)，所述信号放大单元(11)包括串接的电荷放大器(111)和第一滤波放大器(112)，所述电荷放大器(111)的输入端与微机械陀螺的输出端相连；所述驱动信号发生单元(12)包括第一乘法器(122)、第二滤波放大器(123)和驱动载波发生器(121)，所述驱动载波发生器(121)、第一滤波放大器(112)分别与第一乘法器(122)的输入端相连，所述第二滤波放大器(123)的输入端与第一乘法器(122)的输出端相连、输出端作为同步解调单元(1)的驱动信号输出端；所述检测信号发生单元(13)包括第二乘法器(132)、第三滤波放大器(133)和检测载波发生器(131)，所述检测载波发生器(131)、第一滤波放大器(112)分别与第二乘法器(132)的输入端相连，所述第三滤波放大器(133)的输入端与第二乘法器(132)的输出端相连、输出端作为同步解调单元(1)的检测信号输出端。

3.根据权利要求2所述的用于微机械陀螺的正交误差处理装置，其特征在于：所述开关解调模块(42)包括第二移相器(421)、方波转换器(422)、反向器(423)、开关芯片(424)和低通滤波器(425)，所述开关芯片(424)的一个输入端通过反向器(423)与减法器(3)的输出端相连，所述开关芯片(424)的另一个输入端直接与减法器(3)的输出端相连，所述开关芯片(424)的控制端依次通过方波转换器(422)、第二移相器(421)与所述同步解调单元(1)的驱动信号输出端相连，所述开关芯片(424)的输出端通过低通滤波器(425)与PID控制器(43)的输入端相连。

4.根据权利要求3所述的用于微机械陀螺的正交误差处理装置，其特征在于：所述方波转换器(422)为过零比较器。

5.根据权利要求2所述的用于微机械陀螺的正交误差处理装置，其特征在于：所述自动增益控制模块(2)为压控放大器。