CN102620726A - 微机械陀螺的双闭环控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微机械陀螺的双闭环控制电路，分别用于微机械陀螺驱动模态和检测模态闭环控制，属于利用科氏效应的制导或控制装置领域。该电路的驱动模态采用了一种简化的、基于AGC的自激振荡闭环控制电路，能够有效的提高为机械陀螺在驱动模态的频率和幅值稳定性；检测模态的6阶连续带通∑ΔM闭环控制电路具有6阶噪声整形能力，能够提高系统检测信号的信噪比(SNR)、线性度和零偏稳定性。本发明的有益效果是：易于控制，并且电路简单；提高了系统的精度；系统的信噪比(SNR)高；系统自适应调整，稳定性好。

Description

微机械陀螺的双闭环控制电路

技术领域

本发明涉及一种分别用于微机械陀螺驱动模态和检测模态闭环控制的电路，属于利用科氏效应的制导或控制装置领域。

背景技术

对于微机械陀螺来说，驱动模态采用闭环驱动方式可以有效的提高其驱动模态振动的稳定性，将其振动频率f_x和幅值a_x锁定在某一数值；东南大学的杨波等人在论文“一种改进的高精度硅微陀螺仪闭环驱动方案研究”中提出了一种解耦的闭环驱动方案，其原理框图参照图1.微机械陀螺1的驱动方向输出位移信号x(t)＝a_x·sin(ω_xt+φ)，其中ω_x＝2πf_x；经前置检测器2输出电压信号u(t)后分为两路：幅值控制环路和相角控制环路。其相角控制环路为：u(t)经过比较器I5、乘法器6、加法器II9、力矩器10后反馈回陀螺的驱动电极。设陀螺驱动模态传递函数的相移为

前置检测器2的相移为

比较器I5的相移为

理想情况下乘法器6、加法器II9、力矩器10不存在相移，相角控制环路的任务是满足自激振荡的相位平衡条件：n为整数。其幅值控制环路如虚线框内所示，u(t)经过整流滤波器3，与参考电压B同时输入至减法器I4，减法器I4输出电压信号z(t)，z(t)输入至减法器II7和加法器I8与直流电压v相减和相加，最后减法器II7的输出进入乘法器6的另一输入端，加法器I8的输出进入加法器II9的另一输入端。加法器II9输出的驱动电压u_ad1＝h(t)·[v-z(t)]+[v+z(t)]。由以上陈述可知，在此种闭环驱动方式中，加法器II9输出的驱动电压u_ad1包含直流量和交流量两部分，当z(t)变动时，直流量和交流量同时改变，给电路调试带来不便。西北工业大学南素娟等人提出的一种简单实用的闭环驱动电路，参阅图2所示，其驱动闭环电路也包括：幅值控制环路和相角控制环路。其相角控制环路为：微机械陀螺1输出驱动信号依次经过前置检测器2、比较器I5、加法器II9、力矩器10后反馈回陀螺的驱动电极；陀螺驱动模态传递函数的相移

前置检测器2的相移为

比较器I5的相移为

和满足以下条件：

n为整数，以保证整个环路满足自激振荡的相位条件；其幅值控制环路为：前置检测器2输出的电压信号u(t)经过整流滤波器3，与参考电压B同时输入至减法器I4，减法器I4输出电压信号z(t)，z(t)输入至减法器II7与直流电压v相减，最后减法器II7的输出信号进入加法器II9的另一输入端。由于上述陈述可知，这两种闭环驱动方式都是包括幅值控制环路和相角控制环路，电路复杂，同时给电路调试带来不便。

同时，微机械陀螺的检测模态采用闭环控制方式可以有效的提高系统的信噪比(SNR)，提高系统的动态响应和线性度等。英国南安普顿大学的Michael Kraft教授等人较早提出了用于微机械陀螺检测模态的6阶连续带通∑ΔM闭环控制电路，其原理框图参照图3所示，信号的提取由前置检测器2来完成，然后信号依次经过全差分放大电路14、相位补偿电路15、谐振电路24、数字转换电路25，得到脉宽密度调制数字信号b(t)，b(t)控制模拟开关20将反馈控制电压V_fb加载到检测模态的反馈控制电极上，整个闭环控制系统具有6阶噪声整形能力，系统噪声得到较大的抑制。但是该系统没有考虑微机械陀螺驱动模态的频率、幅值稳定性对性能的影响；同时由于微加工过程中，有的加工工艺会产生寄生电容，导致驱动模态下的驱动信号容易通过寄生电容耦合到检测模态，影响信号的检测；系统中输出的脉宽密度调制数字信号b(t)需要与驱动信号Vd(t)做进一步的解调和滤波得到最终的角速度信号Ω(t)。

发明内容

为了克服现有技术各自的缺点，本发明提出了一种简单实用的、用于微机械陀螺的双闭环控制系统：驱动模态自激振荡闭环控制和检测模态6阶连续带通∑ΔM闭环控制。驱动模态采用了一种简化的、基于AGC的自激振荡闭环控制电路，能够有效的提高为机械陀螺在驱动模态的频率和幅值稳定性；检测模态的6阶连续带通∑ΔM闭环控制电路具有6阶噪声整形能力，能够提高系统检测信号的信噪比(SNR)、线性度和零偏稳定性。

参阅图4，本发明提出的微机械陀螺的双闭环控制电路由驱动模态的自激振荡闭环控制电路和检测模态的6阶连续带通∑ΔM闭环控制电路组成，其中：

驱动模态的自激振荡闭环控制电路为：将频率为f₁的高频载波V_carry(t)加载到微机械陀螺1的中心质量块上，微机械陀螺1的驱动检测电极输出的位移信号x(t)＝a·cos(2πf₁+φ)，其中，a为驱动位移信号的幅值，φ为驱动位移信号的相移；位移信号x(t)经过前置检测器2输出两路全差分高频调制电压信号u′(t)和u″(t)，经过高通滤波器26滤除低频干扰信号；再依次经过解调二极管27和低通滤波器28组成的解调电路、仪表放大器29、自动增益控制器(AGC)30、移相器I31后输出电压信号z′(t)；z′(t)进入加法器32和减法器33分别与直流量Vdc相加、相减形成驱动电压u_ad2＝Vdc+z′(t)和u_ad3＝Vdc-z′(t)，u_ad2和u_ad3分别加载到陀螺1的驱动反馈电极上，实现闭环自激振荡；陀螺驱动模态传递函数的相移

前置检测器2的相移

高通滤波器26的相移

低通滤波器28的相移移相器31的相移为

满足以下条件：

n为整数，以保证整个环路满足自激振荡的相位条件；解调二极管27、仪表放大器29、自动增益控制器(AGC)30、加法器31、减法器32不存在相移。

检测模态的6阶连续带通∑ΔM闭环控制电路为：微机械陀螺1检测模态的全差分检测电极输出的位移信号y(t)经过前置检测器2输出两路全差分高频调制电压信号为V_i(t)和V′_i(t)，V_i(t)和V′_i(t)经过高通滤波器11将驱动模态耦合信号V′_d(t)滤除得到V_i2(t)和V′_i2(t)，高通滤波器11的截止频率f_c1满足：f_c1＞f_x，其中f_x为MEMS陀螺驱动模态的谐振频率；V_i2(t)和V′_i2(t)再经过由二极管12和低通滤波器13组成的解调电路进行解调和滤波，低通滤波器13的截止频率f_c3满足：f_y＜f_c3＜f₁，其中，f_y为陀螺检测模态的谐振频率；解调和滤波后的信号进入增益为G₁的全差分放大电路14对其做进一步的全差分放大得到V_i3(t)和V′_i3(t)；相位补偿电路15对V_i3(t)和V′_i3(t)进行一定的相位移动

使得整个闭环控制回路的相移不等于2n，防止自激振荡；移相后得到信号V_i4(t)和V′_i4(t)进入谐振电路24，谐振电路24包括串联的完全相同的谐振器a17和谐振器b18，谐振器a17和谐振器b18的谐振中心频率f₂等于f_x，且谐振器a17和谐振器b18在f₂处的增益为10-20dB，在其他频率范围内的增益均小于0dB；经过谐振电路24之后的信号V_i5(t)和V′_i5(t)进入数字转换电路25得到V_i6(t)和V′_i6(t)，数字转换电路25包括比较器18和D触发器19；比较器18对V_i6(t)和V′_i6(t)两路全差分信号进行比较，产生高低电平的数字比较信号b′(t)，D触发器19对b′(t)进行采样和量化，最终输出数字脉宽密度调制信号b(t)；b(t)一路用于控制模拟开关20将反馈电压V_fb加载到陀螺1检测模态的反馈电极上；另一路经过带通滤波器21将[f_y-BW，f_y+BW]频率范围外的量化噪声去除，其中BW为陀螺的带宽；带通滤波之后的信号进入解调器22，与经过移相器II34的驱动信号V_d(t)进行解调，再通过低通滤波器23处理得到角速度信号Ω(t)，低通滤波器23的截止频率f_c5的取值范围为：(0.9×BW，1.1×BW)。

本发明的有益效果是：

1.对于驱动模态的自激振荡闭环控制电路提出了一种简化的、基于AGC自激振荡原理的闭环控制电路，幅值和相角不需要分成两个环路分别进行控制。输出的驱动电压的直流部分不变，只改变交流部分，易于控制，并且电路简单；

2.提高了系统的精度。由科氏原理可知，科里奥利力与MEMS陀螺在驱动模态振动的幅值稳定性和频率稳定性有关；驱动模态的自激振荡闭环控制电路能够将其振动幅值和频率锁定在某一个数值上，提高其稳定性，从而能够提高系统检测角速度信号的精度。

3.系统的信噪比(SNR)高。检测模态6阶连续带通∑ΔM闭环控制电路具有6阶噪声整形能力，抑制系统的底噪，提高信噪比(SNR)。

4.系统自适应调整，稳定性好。由于微加工过程中，同一片硅片上加工出来的MEMS陀螺在谐振频率上相互间会有一定的偏差，驱动模态自激振荡闭环控制电路能够自动锁定陀螺的驱动谐振频率，对于一定范围内驱动谐振频率的漂移进行锁定；检测模态6阶连续带通∑ΔM闭环控制电路通过反馈静电力将陀螺的中心质量块拉回到中心位置，防止质量块与电极发生吸附现象，提高系统的线性度和稳定性。

附图说明

图1是现有技术中杨波等人提出的解耦闭环驱动方案示意图；

图2是现有技术中南素娟等人提出的闭环驱动电路示意图；

图3是现有技术中Michael Kraft等人提出的6阶连续带通∑ΔM闭环控制电路示意图；

图4是本发明提出的MEMS陀螺双闭环控制电路示意图；

图5是实施例中的微机械陀螺双闭环控制电路示意图；

图中，1-微机械陀螺，2前置检测器，3整流滤波器，4减法器I，5比较器I，6乘法器，7减法器II，8加法器I，9加法器II，10力矩器，11高通滤波器，12-二极管，13-低通滤波器，14-全差分放大电路，15-相位补偿电路，16-谐振器a，17-谐振器b，18-比较器II，19-D触发器，20-模拟开关，21-带通滤波器，22-解调器，23-低通滤波器，24-谐振电路，25-数字转换电路，26-高通滤波器，27-二极管，28-低通滤波器，29-仪表放大器，30-自动增益控制器(AGC)，31-移相器I，32-加法器，33-减法器，34-移相器II

具体实施方式

实施例一：

本实施例中提出的微机械陀螺双闭环控制电路，包括驱动模态的自激振荡闭环电路和检测模态的6阶连续带通∑ΔM闭环控制电路，本实施例中微机械陀螺驱动和检测模态梳齿中心电容C＝3.43e-13F，中心质量块的质量为m_x＝m_y＝2×10^-6Kg，驱动模态的谐振频率为f_x＝4.30KHz，检测模态的谐振频率f_x＝4.33KHz，带宽BW＝50Hz。

参阅图5，本实施例中的驱动模态的自激振荡闭环控制电路为：将频率为f₁＝2MHz的高频载波V_carry(t)＝5sin(2πf₁t)加载到微机械陀螺1的中心质量块上，驱动反馈电极上加载初始驱动信号Vdc+Vac和Vdc-Vac，Vdc＝5V，

其中ω_x＝2πf_x，f_x＝4.30KHz；使得微机械陀螺在驱动模态上谐振；微机械陀螺1的驱动检测电极输出的位移信号x(t)＝a·cos(2πf₁+φ)，其中，a为驱动位移信号的幅值，φ为驱动位移信号的初始相移；位移信号x(t)经过前置检测器2，这里我们使用全差分式电荷放大器；x(t)经过电荷放大器，进行C/V转换，将ΔC_n转化为两路全差分调制电压信号u′(t)和u″(t)，电荷放大器的反馈电容C_f＝1pf，反馈电阻R_f＝100MΩ；u′(t)和u″(t)经过高通滤波器26滤除低频干扰信号，包括50Hz工频干扰信号和驱动耦合信号等。高通滤波26的截止频率f_c2＝f_c1＝1MHz，再经过由二极管27和低通滤波器28组成的解调电路进行解调和滤波，低通滤波器28的截止频率f_c4＝f_c3＝10KHz。解调后的信号依次经过增益为100的仪表放大器29，自动增益控制器(AGC)30，移相器I31后得到电压信号z′(t)为：

比较Vac和z′(t)的相位差，调节移相器I31，使得

其检测模态的6阶连续带通∑ΔM闭环控制电路参阅图5，整个电路系统由前置检测器2，高通滤波器11，二极管12，低通滤波器13，全差分放大电路14，相位补偿电路15，谐振电路24，数字转换电路25，模拟开关20，带通滤波器21，解调器22，低通滤波器23，移相器II34组成；由于科氏力作用，微机械陀螺在检测模态上产生位移y(t)，导致检测电极电容变化，经过前置检测器2进行C/V转换得到V_i(t)和V′_i(t)，这里采用全差分式电荷放大器，反馈电阻R_f＝100MΩ；一路电荷放大器上的反馈电容C_f＝1pf；然后V_i(t)和V′_i(t)经过高通滤波器11将滤除低频干扰信号，例如：50Hz工频干扰信号和驱动耦合信号等。高通滤波器11的截止频率f_c1＝1MHz；滤除低频干扰信号之后得到V_i2(t)和V′_i2(t)，V_i2(t)和V′_i2(t)经过由二极管12和低通滤波器13组成解调电路进行解调和滤波，解调和滤波后的两路信号进入增益G₁＝200的全差分放大电路14对其做进一步的全差分放大得到V_i3(t)和V′_i3(t)；相位补偿电路15对V_i3(t)和V′_i3(t)进行相位移动

使得整个闭环控制回路的相移总和不等于2nπ，防止闭环回路自激振荡，提高系统的稳定性；移相后的信号V_i4(t)和V′_i4(t)进入谐振电路11，谐振电路11包括谐振器a16和谐振器b17；谐振器a16和谐振器b17具有相同的结构，均包括串联的两个全差分运算放大器，谐振器a16的第一个全差分运算放大器A₁的反向输入端一路经过电阻R₁连到第二个全差分运算放大器A₂的反向输出端，另一路依次串联连接一个电容G₁、电阻R₂和电容C₂，连到A₂的正向输出端；谐振器a16的A₁的正向输入端一路经过电阻R′₁连到A₂的正向输出端，另一路依次串联连接一个电容C′₁、电阻R′₂和电容C′₂，连到A₂的反向输出端；谐振器a16的A₁的正向输出端，连入谐振器b17的第一个全差分运算放大器A′₁的负向输出端，谐振器a16的A₁的负向输出端，连入谐振器b17的A′₁的正向输出端；谐振器b17的A′₁的正向和负向输出端，输出信号为V_i5(t)和V′_i5(t)，作为比较器18的两路输入信号；比较器18对V_i5(t)和V′_i5(t)进行比较，产生高电平为5V，低电平为0V的数字比较信号b′(t)，D触发器19对b′(t)进行采样和量化，采样频率f_k(t)＝32KHz，最终输出1bit的数字脉宽密度调制数字信号b(t)，高电平为3.3V，低电平为0V；b(t)一路用于控制模拟开关20从而将反馈电压V_fb＝1V加载到陀螺1检测模态的反馈电极上；b(t)另一路经过带通滤波器21将[4330Hz-50Hz，4330Hz+50Hz]频率范围外的量化噪声去除，然后进入解调电路22，与经过移相器II34的驱动信号V_d(t)进行第二次解调，V_d(t)经过90°的相移；解调后的信号再通过截止频率f_c5＝50Hz的低通滤波器23处理得到陀螺的角速度信号Ω(t)。

Claims (1)

1.微机械陀螺的双闭环控制电路，其特征在于：由驱动模态的自激振荡闭环控制电路和检测模态的6阶连续带通∑ΔM闭环控制电路组成，

驱动模态的自激振荡闭环控制电路为：将频率为f₁的高频载波V_carry(t)加载到微机械陀螺(1)的中心质量块上，微机械陀螺(1)的驱动检测电极输出的位移信号x(t)＝a·cos(2πf₁+φ)，其中，a为驱动位移信号的幅值，φ为驱动位移信号的相移；位移信号x(t)经过前置检测器(2)输出两路全差分高频调制电压信号u(t)和u(t)，经过高通滤波器(26)滤除低频干扰信号；再依次经过解调二极管(27)和低通滤波器(28)组成的解调电路、仪表放大器(29)、自动增益控制器(30)、移相器I(31)后输出电压信号z(t)；z(t)进入加法器(32)和减法器(33)分别与直流量Vdc相加、相减形成驱动电压u_ad2＝Vdc+z′(t)和u_ad3＝Vdc-z′(t)，u_ad2和u_ad3分别加载到陀螺(1)的驱动反馈电极上，实现闭环自激振荡；陀螺驱动模态传递函数的相移前置检测器(2)的相移

高通滤波器(26)的相移

低通滤波器(28)的相移

移相器(31)的相移为

满足以下条件：n为整数，以保证整个环路满足自激振荡的相位条件；解调二极管(27)、仪表放大器(29)、自动增益控制器(30)、加法器(31)、减法器(32)不存在相移。

检测模态的6阶连续带通∑ΔM闭环控制电路为：微机械陀螺(1)检测模态的全差分检测电极输出的位移信号y(t)经过前置检测器(2)输出两路全差分高频调制电压信号为V_i(t)和V′_i(t)，V_i(t)和V′_i(t)经过高通滤波器(11)将驱动模态耦合信号V′_d(t)滤除得到V_i2(t)和V′_i2(t)，高通滤波器(11)的截止频率f_c1满足：f_c1＞f_x，其中f_x为MEMS陀螺驱动模态的谐振频率；V_i2(t)和V′_i2(t)再经过由二极管(12)和低通滤波器(13)组成的解调电路进行解调和滤波，低通滤波器(13)的截止频率f_c3满足：f_y＜f_c3＜f₁，其中，f_y为陀螺检测模态的谐振频率；解调和滤波后的信号进入增益为G₁的全差分放大电路(14)对其做进一步的全差分放大得到V_i3(t)和V′_i3(t)；相位补偿电路(15)对V_i3(t)和V′_i3(t)进行一定的相位移动

使得整个闭环控制回路的相移不等于2n，防止自激振荡；移相后得到信号V_i4(t)和V′_i4(t)进入谐振电路(24)，谐振电路24)包括串联的完全相同的谐振器a(17)和谐振器b(18)，谐振器a(17)和谐振器b(18)的谐振中心频率f₂等于f_x，且谐振器a(17)和谐振器b(18)在f₂处的增益为10-20dB，在其他频率范围内的增益均小于0dB；经过谐振电路(24)之后的信号V_i5(t)和V′_i5(t)进入数字转换电路(25)得到V_i6(t)和V′_i6(t)，数字转换电路(25)包括比较器18)和D触发器(19)；比较器(18)对V_i6(t)和V′_i6(t)两路全差分信号进行比较，产生高低电平的数字比较信号b′(t)，D触发器(19)对b′(t)进行采样和量化，最终输出数字脉宽密度调制信号b(t)；b(t)一路用于控制模拟开关(20)将反馈电压V_fb加载到陀螺(1)检测模态的反馈电极上；另一路经过带通滤波器(21)将[f_y-BW，f_y+BW]频率范围外的量化噪声去除，其中BW为陀螺的带宽；带通滤波之后的信号进入解调器(22)，与经过移相器II(34)的驱动信号V_d(t)进行解调，再通过低通滤波器(23)处理得到角速度信号Ω(t)，低通滤波器(23)的截止频率f_c5的取值范围为：(0.9×BW，1.1×BW)。

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