CN104567849B - 一种硅微机械线振动式陀螺及其带宽拓展方法 - Google Patents

一种硅微机械线振动式陀螺及其带宽拓展方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种硅微机械线振动式陀螺及其带宽拓展方法，该陀螺仪包括陀螺结构、陀螺测控电路和陀螺封装，陀螺结构包括驱动轴向结构和检测轴向结构，陀螺测控电路包括驱动闭环回路和检测闭环回路。该方法首先在检测通道内提取信号后通过以哥氏同相信号为参考解调得到哥氏信号，其与输入角速率成比例关系，该信号经反馈控制器作用后成为陀螺仪输出信号和反馈控制信号，后以哥氏同相信号调制反馈控制信号经直流电压叠加后施加至检测反馈梳齿上形成静电平衡检测框架的哥氏力，以达到拓展陀螺带宽目的。本发明在不降低陀螺机械灵敏度的情况下可获得更大的陀螺带宽，使陀螺带宽不再受机械频差制约。

Description

一种硅微机械线振动式陀螺及其带宽拓展方法
技术领域
本发明涉及硅微机械陀螺领域，具体涉及一种硅微机械线振动式陀螺及其带宽拓展方法。
背景技术
硅微机械陀螺是一种用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术加工而成的惯性测量传感器，其采用哥氏效应原理测量载体角速率信息，具有体积小、功耗低、重量轻、成本低、抗过载特性强、易于集成化和批量生产等优点。目前在很多领域都有应用，比如：惯性导航、汽车安全、工业控制、消费电子等。其最初诞生在上世纪80年代末，随着加工工艺和测控技术的不断发展，硅微机械陀螺的精度也逐渐提高，目前国际上硅微机械陀螺较高精度已经可达1°/h(零偏稳定性)以内，已经可满足战术级陀螺仪的精度需求。
硅微机械线振动式陀螺作为硅微机械陀螺的一种，近年来得到各科研机构和公司的推崇，相比与其他工作方式的硅微机械陀螺(角振动式，转子式等)，线振动式陀螺结构具有加工结构简单，检测信号线性度好等优点。目前，国际主流的精度较高的硅微机械陀螺大部分都采用了线振动结构。
图1为典型的硅微机械陀螺仪组成结构示意图，在理想的陀螺结构中，存在陀螺系统的动力方程为：
式(A1)中，x为驱动模态位移；分别为驱动和检测模态的谐振角频率和品质因数；Fdx＝Fdsin(ωdt)为驱动轴向结构所受驱动力；mx和my分别为驱动和检测轴向结构等效质量；Ωz为输入角速率；y为检测轴向结构位移；有ωd＝ωx。由于通常采用真空封装致使Qy很大(在2000以上)进一步求解可得：
结合上述三式可得到陀螺结构的机械灵敏度为：
式(A5)中，Ax为驱动轴向结构运动幅度。进一步可知，陀螺机械灵敏度与驱动和检测模态频差Δf成反比。在实际应用中往往希望更高的机械灵敏度以提高陀螺的分辨率、阈值、信噪比，高机械灵敏度往往会提高陀螺的零偏稳定性和噪声特性。
以往情况下，检测回路为开环形式，如图5。其与图3的检测闭环回路的区别为缺少反馈通道。检测开环回路的标度因数可表示为：
式(A6)中，Vdac为驱动激励信号(XS)的幅度；Kyc为检测轴向结构中检测位移提取结构(123)的转换系数；Kpre和Ksec分别为前级放大接口(221)和次级放大器(222)的增益倍数；FLPF1和FLPF2分别为第一低通滤波器(224)和第二低通滤波器(228)的增益。在真空封装条件下，陀螺检测模态的品质因数Qy较高，根据式(A6)可知，在驱动和检测模态频差的频率点Δf处存在共轭极点，则理论上该频率点标度因数达到峰值，而且系统相位会剧烈变化180°。将式(A6)进一步化简可得：
进一步分析可得在开环检测状态下，系统的带宽fb约为：
fb＝0.54Δf (A9)
从式(A9)中可知，系统带宽由驱动和检测模态频差决定。较大的带宽需要更大的模态频差，这与陀螺结构机械灵敏度相矛盾，即：高灵敏度需要小频差结果导致带宽减小；大带宽需要大频差结果导致灵敏度降低。
发明内容
发明目的：为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种硅微机械线振动式陀螺及其带宽拓展方法，使陀螺在保持较高机械灵敏度的同时获得较大带宽，从而解除驱动和检测模态频差对陀螺带宽的限制。
技术方案：为实现上述技术目的，本发明提供一种硅微机械线振动式陀螺，其特征在于，包括陀螺结构、陀螺测控电路和陀螺封装，其中，
所述的陀螺结构包括驱动轴向结构和检测轴向结构，所述检测轴向结构由驱动轴向结构的驱动信号XS驱动并输出驱动轴向结构的检测信号XV(XV为驱动轴向结构的运动幅度)到陀螺测控电路，所述检测轴向结构包括检测力反馈结构、哥氏质量(即哥氏信号产生结构)和检测位移提取结构，所述驱动轴向结构发生振动，在此基础上再由检测轴向结构敏感哥式力；
所述陀螺测控电路包括驱动闭环回路和检测闭环回路，其中，所述驱动闭环回路保证所述驱动轴向结构沿驱动方向恒幅度振动且振动频率为驱动模态固有谐振频率；所述的检测闭环回路包括级放大接口、次级放大器、解调器、第一低通滤波器、第二低通滤波、力反馈控制器、调制器和直流信号叠加装置，所述的前级放大接口用于将检测电容变化量转化为电压信号并进行初步放大；所述次级放大器将前级放大接口输出信号进一步放大；所述解调器以驱动激励信号为基准解调得到哥氏信号和二倍频信号；所述第一滤波器用于滤除解调器输出的二倍频信号以得到纯净的哥氏信号幅值，所述第二低通滤波器用于输出级的低通滤波；
所述的调制器将力反馈控制器的输出信号与驱动激励信号相乘以得到同哥氏信号相位相同的信号；所述的直流信号叠加装置采用一固定直流电压，与反馈信号叠加继而可与检测力反馈结构结合产生反馈静电力。
其中，所述的检测力反馈结构由电容极板或梳齿构成，用于将外加电压信号转换为静电力信号；所述检测位移提取结构由电容极板或梳齿构成，用于将检测位移转换为电容变化量。
所述的力反馈控制器由依次相连的相位超前校正环节、比例环节和积分环节 组成，用于拓展带宽。
所述的相位超前校正环节用于补偿整个检测系统开环的相位，提高整个系统的相位裕度。
所述的比例环节和积分环节用于保证整个检测闭环系统的开环传递函数具有良好的幅值裕度。
本发明同时提出了上述硅微机械线振动式陀螺的带宽拓展方法，包括如下步骤：
(1)实时获取检测通道中哥氏信号幅值；
(2)将所述哥氏信号幅值作为控制量，依次通过带有相位超前校正环节、比例环节和积分环节的力反馈控制器后，一部分输出作为陀螺输出信号，另一部分输入经过调制后作为力反馈信号YS施加至检测力反馈机构，当输入角速率幅值和频率发生变化时，力反馈控制器可根据此变化实时调整控制信号，该信号可平衡检测框架所受的哥氏力；
(3)通过所述力反馈控制器中的相位超前校正环节提高系统开环的相位裕度，使相位和幅值变化剧烈的Δf点满足闭环系统的稳定需求，同时，调节所述力反馈控制器中的比例环节和积分环节以得到必要的系统开环幅值裕度。
具体地，步骤(1)通过如下步骤实现：实时获取驱动激励信号XS和检测输出信号YV；以驱动激励信号XS为基准解调检测输出信号YV；输出信号YV经第一低通滤波器224滤除解调后的高频信号，得到哥氏信号幅值。
步骤(2)通过如下步骤实现：
将所述步骤(1)得到的哥氏信号幅值送入力反馈控制器，力反馈控制器的输出信号一部分送入第二低通滤波器处理后作为陀螺输出信号，另一部分通过调制器经驱动激励信号XS调制后在直流信号叠加装置中与直流信号叠加，作为反馈力信号YS施加至检测力反馈机构；
将调制器的输入端连接驱动激励信号XS和力反馈控制器输出信号；
直流信号叠加装置的输入端分别为直流恒定电压和调制器的输出信号，该输出信号为带有直流偏置的交流信号，直流偏置量与直流恒定电压有关；
通过调节上述直流偏置量对检测闭环的反馈系数进行调整；
若输入角速率增大或减小，则检测输出信号YV中哥氏信号幅度会增大或减 小，则会导致输出信号增大或减小，同时，反馈力也会相应的增大或减小，平衡检测框架的哥氏力。
步骤(3)通过如下步骤实现：
在所述力反馈控制器中的相位超前校正环节中，可调节相关参数使该环节的相位超前量达到预期目的；
将所述力反馈控制器中的相位超前校正环节串联在检测系统中，使整个系统的开环相位被整体超前，致使Δf点的相位保持足够的相位裕度；
将所述力反馈控制器中的比例环节和积分环节串联在检测系统中，并调整相应的参数使系统达到一定的幅值裕度。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)本发明利用驱动激励信号和哥氏信号频率相等相位相同的特征，以相敏解调方法为基础提取哥氏信号幅度，通过采用检测闭环控制方法，以静电力平衡检测框架所受哥氏力，在力反馈控制器中加入了相位校正环节和比例积分控制环节以补偿检测闭环回路的相位和幅值裕度，使陀螺带宽不受驱动和检测模态固有频差的束缚。
(2)本发明的硅微机械陀螺可同时具备高机械灵敏度和宽带宽的特性，具有实时性好，效率高，成本低，体积小，功耗小，使用简便等优点，进一步拓展了硅微机械陀螺的应用领域。
附图说明
图1为本发明陀螺结构整体示意图；
图2为陀螺结构和测控电路连接示意图；
图3为检测闭环回路框架结构示意图；
图4为检测力反馈模块框架结构示意图；
图5为检测开环回路框架结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明所述方法，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，本发明提供了一种硅微机械线振动式陀螺，包括陀螺结构1、陀螺测控电路2和陀螺封装3(即陀螺外壳)。如图2所示，所述的陀螺结构1 包括驱动轴向结构11和检测轴向结构12驱动轴向结构，所述检测轴向结构12包括包含检测力反馈结构121、哥氏信号产生结构哥氏质量122和检测位移提取结构123，所述陀螺测控电路2包括驱动闭环回路21和检测闭环回路22，其中，所述驱动闭环回路21保证所述驱动轴向结构11沿驱动方向恒幅度振动且振动频率为驱动模态固有谐振频率；所述的检测闭环回路22包括级放大接口221、次级放大器222、解调器223、第一低通滤波器224、第二低通滤波228、力反馈控制器225、调制器226和直流信号叠加装置227，所述的前级放大接口221用于将检测电容变化量YV转化为电压信号并进行初步放大；所述次级放大器222将前级放大接口221输出信号进一步放大；所述解调器223以驱动激励信号XS为基准解调得到哥氏信号和二倍频信号；所述第一滤波器224用于滤除解调器输出的二倍频信号以得到纯净的哥氏信号幅值，所述第二低通滤波器228用于输出级的低通滤波。
所述的调制器226将力反馈控制器225的输出信号与驱动激励信号XS相乘以得到同哥氏信号相位相同的信号；所述的直流信号叠加装置227采用一固定直流电压，与反馈信号叠加继而可与检测力反馈结构121结合产生反馈静电力。
其中，所述的检测力反馈结构121由电容极板或梳齿构成，用于将外加电压信号转换为静电力信号；所述检测位移提取结构123由电容极板或梳齿构成，用于将检测位移转换为电容变化量。所述的力反馈控制器225由依次相连的相位超前校正环节225a、比例环节225b和积分环节225c组成，用于拓展带宽。所述的相位超前校正环节225a用于补偿整个检测系统开环的相位，提高整个系统的相位裕度。所述的比例环节225b和积分环节225c用于保证整个检测闭环系统的开环传递函数具有良好的幅值裕度。
本发明还提出了适用于上述硅微机械线振动式陀螺的带宽拓展方法，包括如下步骤：
(1)实时获取检测通道中哥氏信号幅值；
(2)将所述哥氏信号幅值作为控制量，依次通过带有相位超前校正环节225a、比例环节225b和积分环节225c的力反馈控制器225后，一部分输出作为陀螺输出信号，另一部分输入经过调制后作为力反馈信号YS施加至检测力反馈机构121，当输入角速率幅值和频率发生变化时，力反馈控制器可根据此变化实时调整控制信号，该信号可平衡检测框架所受的哥氏力；
(3)通过所述力反馈控制器中的相位超前校正环节225a提高系统开环的相 位裕度，使相位和幅值变化剧烈的Δf点满足闭环系统的稳定需求，同时，调节所述力反馈控制器中的比例环节225b和积分环节225c以得到必要的系统开环幅值裕度，进一步提高系统的稳定度和稳态误差等参数。在上述方案得到实现的情况下，陀螺的带宽可有效提高，而且Δf点幅值尖峰可被有效削弱。
实现本发明的技术方案可以采用多种电路形式，凡是满足上述步骤，且可在电路中实现(包括模拟电路、数字电路等)的装置均在本实施例范围之内。
在本实施例中，步骤(1)的详细步骤包括：
1.1)实时获取驱动激励信号XS和检测输出信号YV，其中驱动激励信号XS由驱动回路产生，该信号与哥式信号同频通向。检测位移提取结构123将检测位移信号转换为电压信号，该电压信号包含了被驱动激励同频同相信号调制的哥氏信号以及其他干扰和误差信号。该电压信号经前级放大接口221和次级放大器222进行初步和第二级放大；XS信号和XV信号分别为驱动轴向结构的驱动信号和驱动轴向结构的检测信号，XS根据XV信号的大小提供相应的控制电压值，保证驱动轴向结构振动幅度恒定；XS根据XV的大小提供相应的控制电压值，且XS和XV信号之间相位相差90°。
1.2)以驱动激励信号XS为基准解调检测输出信号YV：经次级放大器222放大的检测信号被送至解调器223，所述解调器采用驱动激励信号XS为基准将哥氏信号从检测通道中分离，解调器223的输出信号主要由哥式幅值信号和驱动激励二倍频信号两部分组成。其中，所述的解调器223采用开关解调原理；
1.3)经第一低通滤波器224可滤除解调后的驱动激励二倍频信号，继而得到哥氏信号幅值。所述的第一低通滤波器224采用二阶低通滤波器。
所述步骤(2)的详细步骤包括：
2.1)将所述步骤1)得到的哥氏信号幅值作为控制量，通过带有相位超前校正环节225a、比例环节225b和积分环节225c的力反馈控制器225后一部分送入陀螺输出通道，另一部分输入到反馈通道；
2.2)将所述步骤2.1)中送入陀螺输出通道的信号通过第二低通滤波器228再次滤波和调节增益后输出，其中所述的第二低通滤波器228采用二阶低通滤波，其增益可调；
2.3)将所述步骤2.1)中送入反馈通道的信号连接至调制器226的输入端，并将驱动激励信号XS作为调制器226的另一输入信号，将两信号以相乘的方式调制后作为控制信号ACS；
2.4)将所述步骤2.3)中调制器226输出的控制信号ACS作为直流信号叠 加装置227的输入信号，直流信号叠加装置227的另一路输入信号为高精度的直流基准信号DR，两输入信号在直流信号叠加装置227中作加法处理，直流信号叠加装置227的输出信号作为反馈力信号YS其为带有直流偏置的交流信号。所述的直流偏置为高精度直流基准信号DR，所述交流信号为调制器输出的控制信号ACS；
2.5)将所述步骤2.4)中反馈力信号YS施加至检测力反馈机构121，最终形成反馈力；
2.6)通过调节步骤2.4)中的直流基准信号DR可对检测闭环的反馈系数进行调整；
2.7)若输入角速率增大(或减小)，则检测输出信号YV中哥氏信号幅度会增大(或减小)，则会导致输出信号增大(或减小)，同时，反馈力也会相应的增大(或减小)，平衡检测框架的哥氏力。
所述步骤(3)的详细步骤包括：
3.1)通过实验方法得到陀螺结构驱动模态和检测模态的谐振频率及品质因数等机械参数，并根据公式(A6)和(A7)计算出检测开环回路中陀螺检测模态相位和幅值变化剧烈的频率范围；
3.2)根据所述步骤3.1)得到的数据中，初步设计力反馈控制器225中相位超前环节225a的相位补偿量；
3.3)根据所述步骤3.1)得到的数据中，初步设计力反馈控制器225中比例环节225b和积分环节225c的初步值；
3.4)将所述力反馈控制器中的相位超前校正环节225a串联在检测系统中，则整个系统的开环相位可被整体超前，使检测闭环系统的开环传函具备理想的相位裕度；
3.5)将所述力反馈控制器中的比例环节225b和积分环节225c串联在检测系统中，并调整相应的参数使检测闭环系统的开环传函具备理想的幅值裕度；
3.6)将所述步骤3.2)和3.3)在电路中实现，观测闭环系统的相关特性，并分析反馈控制器参数的影响；
3.7)根据所述步骤3.6)得到的结果，进一步优化相关参数，可有效拓展整个系统带宽。
综合上述实施例，本发明以补偿检测闭环回路相位为基础，以简单、可靠的力反馈控制器配合检测力反馈结构达到了拓展陀螺带宽的目的，使陀螺带宽不再局限于驱动和检测模态频差，消除了陀螺机械灵敏度和带宽在工程化中的矛盾。

Claims (8)

1.一种硅微机械线振动式陀螺，其特征在于，包括陀螺结构(1)、陀螺测控电路(2)和陀螺封装(3)其中，
所述的陀螺结构(1)包括驱动轴向结构(11)和检测轴向结构(12)，所述检测轴向结构(11)由驱动轴向结构的驱动激励信号XS驱动并输出驱动轴向结构(11)的检测信号XV到陀螺测控电路(2)，所述检测轴向结构(12)包括检测力反馈结构(121)、哥氏质量(122)和检测位移提取结构(123)；
所述陀螺测控电路(2)包括驱动闭环回路(21)和检测闭环回路(22)，其中，所述驱动闭环回路(21)保证所述驱动轴向结构(11)沿驱动方向恒幅度振动且振动频率为驱动模态固有谐振频率；所述的检测闭环回路(22)包括前级放大接口(221)、次级放大器(222)、解调器(223)、第一低通滤波器(224)、第二低通滤波器(228)、力反馈控制器(225)、调制器(226)和直流信号叠加装置(227)，所述的前级放大接口(221)用于将检测电容变化量YV转化为电压信号并进行初步放大；所述次级放大器(222)将前级放大接口(221)输出信号进一步放大；所述解调器(223)以驱动激励信号XS为基准解调得到哥氏信号和二倍频信号；第一低通滤波器(224)用于滤除解调器输出的二倍频信号以得到纯净的哥氏信号幅值，所述第二低通滤波器(228)用于输出级的低通滤波；
所述的调制器(226)将力反馈控制器(225)的输出信号与驱动激励信号XS相乘以得到同哥氏信号相位相同的信号；所述的直流信号叠加装置(227)采用一固定直流电压，与反馈信号叠加继而可与检测力反馈结构(121)结合产生反馈静电力。
2.根据权利要求1所述的硅微机械线振动式陀螺，其特征在于，所述的检测力反馈结构(121)由电容极板或梳齿构成，用于将外加电压信号转换为静电力信号；所述检测位移提取结构(123)由电容极板或梳齿构成，用于将检测位移转换为电容变化量。
3.根据权利要求1所述的硅微机械线振动式陀螺，其特征在于，所述的力反馈控制器(225)由依次相连的相位超前校正环节(225a)、比例环节(225b)和积分环节(225c)组成，用于拓展带宽。
4.根据权利要求3所述的硅微机械线振动式陀螺，其特征在于，所述的相位超前校正环节(225a)用于补偿整个检测系统开环的相位，提高整个系统的相位裕度。
5.根据权利要求3所述的硅微机械线振动式陀螺，其特征在于，所述的比例环节(225b)和积分环节(225c)用于保证整个检测闭环系统的开环传递函数具有良好的幅值裕度。
6.一种硅微机械线振动式陀螺的带宽拓展方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)实时获取检测通道中哥氏信号幅值：
将所述步骤(1)得到的哥氏信号幅值送入力反馈控制器(225)，力反馈控制器(225)的输出信号一部分送入第二低通滤波器(228)处理后作为陀螺输出信号，另一部分通过调制器(226)经驱动激励信号XS调制后在直流信号叠加装置(227)中与直流信号叠加，作为反馈力信号YS施加至检测力反馈机构(121)；
将调制器(226)的输入端连接驱动激励信号XS和力反馈控制器输出信号；
直流信号叠加装置(227)的输入端分别为直流恒定电压和调制器(226)的输出信号，该输出信号为带有直流偏置的交流信号，直流偏置量与直流恒定电压相关；
通过调节上述直流偏置量对检测闭环的反馈系数进行调整；
若输入角速率增大或减小，则检测输出信号YV中哥氏信号幅度会增大或减小，则会导致输出信号增大或减小，同时，反馈力也会相应的增大或减小，平衡检测框架的哥氏力；
(2)将所述哥氏信号幅值作为控制量，依次通过带有相位超前校正环节(225a)、比例环节(225b)和积分环节(225c)的力反馈控制器(225)后，一部分输出作为陀螺输出信号，另一部分输入经过调制后作为力反馈信号(YS)施加至检测力反馈机构(121)，当输入角速率幅值和频率发生变化时，力反馈控制器可根据此变化实时调整控制信号，该信号可平衡检测框架所受的哥氏力；
(3)通过所述力反馈控制器中的相位超前校正环节(225a)提高系统开环的相位裕度，使相位和幅值变化剧烈的Δf点满足闭环系统的稳定需求，同时，调节所述力反馈控制器中的比例环节(225b)和积分环节(225c)以得到必要的系统开环幅值裕度。
7.根据权利要求6所述的拓展方法，其特征在于，步骤(1)通过如下步骤实现：实时获取驱动激励信号XS和检测输出信号YV；以驱动激励信号XS为基准解调检测输出信号YV；输出信号YV经第一低通滤波器(224)滤除解调后的高频信号，得到哥氏信号幅值。
8.根据权利要求6所述的拓展方法，其特征在于，步骤(3)通过如下步骤实现：
在所述力反馈控制器中的相位超前校正环节(225a)中，可调节相关参数使该环节的相位超前量达到预期目的；
将所述力反馈控制器中的相位超前校正环节(225a)串联在检测系统中，使整个系统的开环相位被整体超前，致使Δf点的相位保持足够的相位裕度；
将所述力反馈控制器中的比例环节(225b)和积分环节(225c)串联在检测系统中，并调整相应的参数使系统达到一定的幅值裕度。
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