CN102706339A - 一种微机械陀螺驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微机械陀螺驱动方法，该方法包括交流信号产生、静电驱动信号产生、信号检测、幅度和相位提取四个步骤。本发明通过对微机械陀螺内部扰动的主动补偿，能使驱动模态检测信号的频率和幅度保持恒定，并且该信号与交流驱动信号的相位差也保持恒定。本发明无需跟踪驱动模态的谐振频率，避免了微机械陀螺系统中如滤波器等与频率相关的模块对系统带来的影响，能提高系统稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及微机械陀螺，尤其涉及一种微机械陀螺驱动方法。
背景技术
微机械陀螺因其体积小、功耗低、可批量产生等优点，逐渐在民用甚至军用领域得到重视。稳定性作为微机械陀螺系统的一个关键性能指标，受到诸多因素制约，其中驱动位移或是驱动速度信号的稳定性是最重要的因素之一。因此，好的驱动方法对提高微机械陀螺系统的稳定性至关重要。
现有技术普遍使交流驱动信号适应微机械陀螺参数的变化而变化，以保证驱动模态检测信号的幅度保持恒定。现有技术中最具代表性的方法是相位和幅度双闭环方法，该方法利用驱动模态谐振时驱动位移信号与驱动力信号具有90°相移这一特点，通过相位锁定技术将驱动模态检测信号的相位实时锁定在陀螺驱动模态谐振时的相位，并通过自动增益控制技术将驱动模态检测信号的幅度保持在一个恒定值，此时，交流驱动信号可以实时跟踪驱动模态的谐振频率，并保持驱动模态检测信号的幅度保持恒定。
现有的微机械陀螺驱动方法仅仅保证了驱动模态检测信号幅度的稳定性，而其频率是实时发生变化的，这就对微机械陀螺系统稳定性带来了影响。以相位和幅度双闭环驱动方法为例，当驱动频率发生变化时，系统中如滤波器等与频率相关的模块在不同的驱动频率下产生的相移是不一样的，这就使得通过相位锁定技术跟踪到的驱动模态谐振频率并不是真实的谐振频率，是与真实频率存在偏差的，并且该偏差随驱动频率的变化而变化，此时驱动位移信号与驱动力信号之间的相位差也随驱动频率的变化而变化，这就导致了陀螺信号检测的不稳定性。因此，现有的微机械陀螺驱动方法本身会对微机械陀螺系统带来一定的不稳定性。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种微机械陀螺驱动方法。
微机械陀螺驱动方法的步骤如下：
1）通过交流驱动信号产生模块产生两路相互正交的信号，并将其中一路作为交流驱动信号，通过弹性系数补偿模块产生弹性系数补偿信号，通过阻尼系数补偿模块产生阻尼系数补偿信号，所述的交流驱动信号、弹性系数补偿信号和阻尼系数补偿信号经相加后作为交流信号输入至静电驱动信号产生模块；
2）静电驱动信号产生模块根据输入的交流信号和模块自身的直流偏置来产生静电驱动信号，输入至微机械陀螺以产生静电驱动力来驱动微机械陀螺振动；
3）信号检测模块检测微机械陀螺随静电力作用而产生的振动信号，将振动信号转换成可测量的电压信号，该电压信号具有与交流驱动信号相同的频率；
4）幅度和相位提取模块对信号检测模块检测的电压信号进行幅度和相位提取，得到相位信号和幅度信号，将相位信号输入至弹性系数补偿模块，将幅度信号输入至阻尼系数补偿模块。
所述的交流驱动信号具有恒定的频率和幅度。所述弹性系数补偿模块是将如步骤4）所述的相位信号与驱动模态谐振时的参考相位进行对比，得到误差信号，将误差信号通过比例-积分控制来自适应地确定反馈系数，并将该反馈系数调制在如步骤1）所述的与交流驱动信号正交的信号上，产生弹性系数补偿信号。所述弹性系数补偿模块产生的弹性系数补偿是通过反馈与驱动位移信号相位相同的静电力来实现，用以补偿弹性系数的扰动，保持微机械陀螺驱动模态的谐振频率不变。所述阻尼系数补偿模块是将如步骤4）所述的幅度信号与驱动模态谐振时的参考幅度进行对比，得到误差信号，将误差信号通过比例-积分控制来自适应地确定反馈系数，并将该反馈系数调制在如步骤1）所述的交流驱动信号上，产生阻尼系数补偿信号。所述阻尼系数补偿模块产生的阻尼系数补偿是通过反馈与驱动速度信号相位相同的静电力来实现，用以补偿阻尼系数的扰动，保持微机械陀螺驱动模态的品质因子不变。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
1）本发明可在不增加硬件成本的基础上提高微机械陀螺系统的稳定性。
2）本发明可避免微机械陀螺系统中如滤波器等与频率相关的模块对系统稳定性带来的影响，提高微机械陀螺系统的稳定性。
3）本发明能使驱动模态检测信号的频率和幅度保持恒定，并且该信号与交流驱动信号的相位差也保持恒定，进一步提高了微机械陀螺系统的稳定性。
附图说明
图1是本发明中的微机械陀螺驱动方法实现框图。
图2是本发明中的弹性系数补偿的实现框图。
图3是本发明中的阻尼系数补偿的实现框图。
具体实施方式
如图1所示，微机械陀螺驱动方法的步骤如下：
1）通过交流驱动信号产生模块产生两路相互正交的信号，并将其中一路作为交流驱动信号，通过弹性系数补偿模块产生弹性系数补偿信号，通过阻尼系数补偿模块产生阻尼系数补偿信号，所述的交流驱动信号、弹性系数补偿信号和阻尼系数补偿信号经相加后作为交流信号输入至静电驱动信号产生模块，两路相互正交的信号的产生在具体实施时可通过坐标旋转数字计算机算法或是直接数字式频率合成等方法来实现；
2）静电驱动信号产生模块根据输入的交流信号和模块自身的直流偏置来产生静电驱动信号，输入至微机械陀螺以产生静电驱动力来驱动微机械陀螺振动；
3）信号检测模块检测微机械陀螺随静电力作用而产生的振动信号，将振动信号转换成可测量的电压信号，该电压信号具有与交流驱动信号相同的频率，对于位移检测方式而言，检测的电压信号反应了驱动模态的位移信息，对于速度检测方式而言，检测的电压信号反应了驱动模态的速度信息；
4）幅度和相位提取模块对信号检测模块检测的电压信号进行幅度和相位提取，得到相位信号和幅度信号，将相位信号输入至弹性系数补偿模块，将幅度信号输入至阻尼系数补偿模块，幅度和相位的提取可通过正交解调的方式得到两路输出x和y，则 
反应了相位信息，
反应了幅度信息。
所述的交流驱动信号具有恒定的频率和幅度。所述弹性系数补偿模块是将如步骤4）所述的相位信号与驱动模态谐振时的参考相位进行对比，得到误差信号，将误差信号通过比例-积分控制来自适应地确定反馈系数，并将该反馈系数调制在如步骤1）所述的与交流驱动信号正交的信号上，产生弹性系数补偿信号。所述弹性系数补偿模块产生的弹性系数补偿是通过反馈与驱动位移信号相位相同的静电力来实现，用以补偿弹性系数的扰动，保持微机械陀螺驱动模态的谐振频率不变，由于微机械陀螺驱动模态在谐振时，驱动位移信号与交流驱动信号之间有90°相移，因此所述的弹性系数补偿信号可用于反馈补偿弹性系数的扰动。所述阻尼系数补偿模块是将如步骤4）所述的幅度信号与驱动模态谐振时的参考幅度进行对比，得到误差信号，将误差信号通过比例-积分控制来自适应地确定反馈系数，并将该反馈系数调制在如步骤1）所述的交流驱动信号上，产生阻尼系数补偿信号。所述阻尼系数补偿模块产生的阻尼系数补偿是通过反馈与驱动速度信号相位相同的静电力来实现，用以补偿阻尼系数的扰动，保持微机械陀螺驱动模态的品质因子不变，由于微机械陀螺驱动模态在谐振时，驱动速度信号与交流驱动信号之间有180°相移，因此所述的阻尼系数补偿信号可用于反馈补偿阻尼系数的扰动。
Claims (6)
1.一种微机械陀螺驱动方法，其特征在于它的步骤如下：
1）通过交流驱动信号产生模块产生两路相互正交的信号，并将其中一路作为交流驱动信号，通过弹性系数补偿模块产生弹性系数补偿信号，通过阻尼系数补偿模块产生阻尼系数补偿信号，所述的交流驱动信号、弹性系数补偿信号和阻尼系数补偿信号经相加后作为交流信号输入至静电驱动信号产生模块；
2）静电驱动信号产生模块根据输入的交流信号和模块自身的直流偏置来产生静电驱动信号，输入至微机械陀螺以产生静电驱动力来驱动微机械陀螺振动；
3）信号检测模块检测微机械陀螺随静电力作用而产生的振动信号，将振动信号转换成可测量的电压信号，该电压信号具有与交流驱动信号相同的频率；
4）幅度和相位提取模块对信号检测模块检测的电压信号进行幅度和相位提取，得到相位信号和幅度信号，将相位信号输入至弹性系数补偿模块，将幅度信号输入至阻尼系数补偿模块。
2.根据权利要求1所述的一种微机械陀螺驱动方法，其特征在于所述的交流驱动信号具有恒定的频率和幅度。
3.根据权利要求1所述的一种微机械陀螺驱动方法，其特征在于所述弹性系数补偿模块是将如步骤4）所述的相位信号与驱动模态谐振时的参考相位进行对比，得到误差信号，将误差信号通过比例-积分控制来自适应地确定反馈系数，并将该反馈系数调制在如步骤1）所述的与交流驱动信号正交的信号上，产生弹性系数补偿信号。
4.根据权利要求1所述的一种微机械陀螺驱动方法，其特征在于所述弹性系数补偿模块产生的弹性系数补偿是通过反馈与驱动位移信号相位相同的静电力来实现，用以补偿弹性系数的扰动，保持微机械陀螺驱动模态的谐振频率不变。
5.根据权利要求1所述的一种微机械陀螺驱动方法，其特征在于所述阻尼系数补偿模块是将如步骤4）所述的幅度信号与驱动模态谐振时的参考幅度进行对比，得到误差信号，将误差信号通过比例-积分控制来自适应地确定反馈系数，并将该反馈系数调制在如步骤1）所述的交流驱动信号上，产生阻尼系数补偿信号。
6.根据权利要求1所述的一种微机械陀螺驱动方法，其特征在于所述阻尼系数补偿模块产生的阻尼系数补偿是通过反馈与驱动速度信号相位相同的静电力来实现，用以补偿阻尼系数的扰动，保持微机械陀螺驱动模态的品质因子不变。
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