CN105758402A - 一种硅微陀螺的闭环检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种硅微陀螺的闭环检测系统，由硅微陀螺敏感单元、敏感信号读出接口电路、第一级量化器(多bit的ADC)、基于FPGA的数字信号处理器、反馈电压生成电路(模拟开关)组成。敏感信号读出接口电路将硅微陀螺敏感模态振动信号转换成电压信号，经第一级量化器采样量化输入到FPGA中进行全数字化处理，经相位补偿、环路滤波以及第二级量化变成1bit的数据流，再经过反馈电压生成电路反馈到陀螺的反馈校正电极上，构成一个2+N阶的sigma?delta闭环检测系统，其中N≥0为环路滤波器的阶数。

Description

一种硅微陀螺的闭环检测系统
技术领域
本发明涉及一种硅微陀螺的闭环检测系统，属于利用柯式效应的制导或控制装置领域。
背景技术
硅微陀螺是一种利用柯式效应测量角速度的微机械器件，由于其体积小以及价格低等优势，在工业、航空航天、消费电子、汽车等领域得到了广泛的应用。与光纤陀螺、激光陀螺等相比制约硅微陀螺应用的主要瓶颈在于精度偏低，因此降低系统温度漂移，提高分辨率及稳定性等成为研究热点。
闭环反馈的控制方法通过施加反馈力，使得质量块回到平衡位置，实现了动态范围、线性度、带宽以及稳定性等性能的提升。尽管目前有很多实现检测闭环的方法，电机sigma-delta调制闭环是最具吸引力的，因为它足够简单，能够提供直接的数字输出，没有模拟力反馈闭环的静电吸合现象，并且容易用CMOS技术实现。电机sigma-delta调制器将微机械惯性传感器引入调制器环路中，实现数字化输出的同时，实现了敏感检测反馈闭环，在最近的25年内得到了深入研究与长足发展。
二阶sigma-delta调制闭环由于结构简单，性能稳定在2000年左右受到了广泛研究，但由于二阶系统中量化噪声在各种噪声源中占主导地位且不能通过提高采样率的方法来改善，无法满足性能要求。博世公司的V.P.Petkov以及BSAC的B.E.Boser于2005年提出了一种MEMS陀螺的四阶sigma-delta闭环控制电路(其环路滤波器结构属于图5所述的结构)，量化噪声不再占主导地位相对于电噪声已经可以忽略，其环路滤波器以及相位补偿器均采用开关电容电路实现。同时期英国南安普顿大学董云峰MichaelKraft等人提出MEMS陀螺6阶连续带通sigma-delta闭环控制电路(其环路滤波器结构属于图6所述的结构)获得了较高的信噪比以及带宽稳定性等指标，其环路滤波器、相位补偿器均由模拟电路构成，量化器由比较器与触发器构成。
采用开关电容积分器来实现离散时间环路滤波器，需要设计专用ASIC，从设计、流片到验证需要很长的周期，且环路滤波器相位补偿器系数修改不易，设计代价大，灵活性不强。而采用模拟电路(运放)构建积分器或谐振器来实现连续时间环路滤波器，需要额外的逻辑运算单元来实现HRZ/RZ反馈，另外这种电路实现方法功耗大，而且模拟电路部分多容易受到温度影响。现有硅微陀螺sigma-delta闭环控制系统的环路滤波器系数设计对结构参数比较敏感，适应性不强，且设计难度大，需要一种相对简单，对结构参数不敏感适应性强的设计方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于FPGA的硅微陀螺数字化sigma-delta敏感闭环检测系统，以克服开关电容实现方案以及连续时间实现方案的灵活性差、设计周期长、设计难度大，模拟电路部分多等一系列的问题。
本发明的硅微陀螺的闭环检测系统，包括读取所述硅微陀螺敏感信号的接口电路、与所述接口电路连接的第一级量化器、与所述第一级量化器连接的基于FPGA的数字信号处理器，以及连接所述数字信号处理器与所述硅微陀螺的反馈电压生成电路，所述数字信号处理器包括与所述第一级量化器连接的相位补偿器、与所述相位补偿器连接的环路滤波器，以及与所述环路滤波器连接的第二级量化器，所述第二级量化器的输出端与所述反馈电压生成电路连接。
进一步的，所述第一级量化器为多bit量化器，所述第二级量化器为1bit量化器。
进一步的，所述第一级量化器为逐次比较型模数转换器。
进一步的，所述环路滤波器可采用单环串联积分器前馈式结构、单环串联积分器分布反馈式结构、无约束结构中的一种。
进一步的，所述环路滤波器与所述第二级量化器构成一个sigma-delta调制器，所述sigma-delta调制器的输入端与两所述积分器的输入端之间均连接有前馈通路，所述量化器的输出端与两所述积分器之间均连接有反馈通路；所述sigma-delta调制器的输入端与所述量化器的输入端之间也连接有所述前馈电路，其中第二个所述积分器的输出端与第一个所述积分器的输入端之间也连接有所述反馈通路。
进一步的，各所述积分器的所述前馈通路与所述反馈通路的增益相同，所述sigma-delta调制器的输入端与所述量化器的输入端之间也连接的所述前馈电路的增益为1。
借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
1、本发明通过两级量化，在FPGA中实现纯数字的相位补偿、环路滤波、1bit量化，最大化的利用了数字电路对信号进行处理，减少了模拟电路带来的一系列漂移、噪声的问题，克服了传统硅微陀螺sigma-delta闭环以及纯模拟闭环电路的结构复杂、灵活性差、温度漂移大、静电吸合等问题，大大缩减了设计验证周期，并提高了硅微陀螺的稳定性、线性度以及测量精度；
2、将相位补偿器、环路滤波器在FPGA中进行数字实现，可方便灵活的改动相关系数，缩减了设计验证周期，而且正因为是完全的数字实现方式，可以方便的验证其他环路滤波器方案，以及其他阶数的闭环系统，直到满足设计需求；
3、本发明中环路滤波器与第二级量化器构成的sigma-delta调制器的信号传递增益为1，高阶闭环系统简化为简单的二阶闭环系统，只要调整环路相移使二阶闭环系统稳定，且调整环路增益，使sigma-delta调制器输入不过载，就可以使高阶闭环系统稳定，而且sigma-delta调制器的系数设计有完善的设计工具箱支撑，与机械结构的参数并不敏感，使得高阶闭环系统设计大大简化。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是本发明的硅微陀螺的闭环检测系统结构图；
图2是本发明中硅微陀螺结构图；
图3是本发明中的相位补偿器；
图4是单环串联积分器前馈式环路滤波器结构；
图5是单环串联积分器分布反馈式环路滤波器结构；
图6是无约束环路滤波器结构；
图7是本发明中的sigma-delta调制器结构；
图8是补偿后系统的开环传递函数波特图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
参阅图1，本发明的硅微陀螺的闭环检测系统，由硅微陀螺1及读取其敏感信号的接口电路2、第一级量化器(多bit的ADC)3、基于FPGA的数字信号处理器4、反馈电压生成电路8(模拟开关)组成，其中基于FPGA的数字信号处理器4包括相位补偿器5、环路滤波器6以及第二级量器(1bit量化器)7。本发明中的硅微陀螺结构如图2所示，相位补偿器5如图3所示。
工作时，接口电路将硅微陀螺敏感模态振动信号转换成电压信号，经第一级量化器采样量化后输入到FPGA中进行全数字化处理，经相位补偿、环路滤波以及第二级量化后变成1bit的数据流，再经过反馈电压生成电路反馈到硅微陀螺的反馈校正电极上，构成一个2+N阶的sigma-delta闭环检测系统，其中N≥0为环路滤波器的阶数。
第一级量化器的量化位数，取决于接口电路的电噪声水平及系统采样率，同时适当提高硅微陀螺机械增益、接口电路增益，可降低系统对第一级量化器量化位数的要求。在系统规定采样率下，第一级量化器的量化噪声应小于同点等效电噪声。同时考虑到闭环系统稳定性，第一级量化器的延时应尽量小。逐次比较型的模数转换器具有转换速率快，精度高的特点，适合硅微陀螺的闭环检测系统。
本发明提出两级量化的概念，第一级量化，为FPGA进行数字相位补偿、环路滤波提供了可能；第二级量化，输出1bit的数据流，经由模拟开关(即反馈电压生成电路)输出反馈电压到陀螺反馈激励电极形成反馈闭环。
本发明中的相位补偿器、环路滤波器均在FPGA中实现，系数调整方便，结构改变简单，灵活性强。根据实际需求，环路滤波器可采用如图4所示的单环串联积分器(或谐振器)前馈式结构、如图5所示的单环串联积分器(或谐振器)分布反馈式结构或如图6所示的无约束结构(这种结构无需相位补偿)等。同时亦可根据需要，调整环路滤波器阶数N(N≥0)，达到理想的量化噪声整形效果。
如图7所示，环路滤波器6与第二级量化器7的结构可由sigma-delta调制器的结构代替。该sigma-delta调制器为具有两个积分器、一个量化器的二阶调制器，其输入端到每一级积分器的输入端都有前馈通路，量化器输出到每一级积分器的输入端都有反馈通路，且同一积分器的输入前馈通路增益与反馈通路增益相同；调制器输入端到量化器输入端也有前馈通路，增益为1；第二个积分器的输出端到第一个积分器的输入端有反馈通路，用以形成谐振器。如此，该sigma-delta调制器的信号传递函数为1，环路稳定性设计过程大为化简，只需要调整相位补偿器，获得足够的相位补偿，且保证标准sigma-delta调制器输入不过载，环路即是稳定的。sigma-delta调制器的参数选取可以参考MATLABtoolbox‘THEDELTA-SIGMATOOLBOXVersion7.3’，与陀螺机械结构无关，并且具有与其他环路滤波器结构同等的量化噪声整形能力，是一种简单的解耦设计方法。唯一的不足之处是，该sigma-delta调制器不能提供额外的带内开环增益，对于一些机械增益较低的陀螺结构不大合适，现有的硅微陀螺往往具有较高的Q值，能够提供足够高的带内开环增益，应用此种解耦式的设计可大大降低设计难度以及开发周期，提高了稳定性、线性度以及测量精度。
本发明针对的硅微陀螺参数为：静态电容Cr＝2pF，驱动模态谐振频率fx＝4900Hz，转动惯量Ix＝1.11e-14kg·m2，振动幅度Ax＝0.025rad；敏感模态谐振频率fy＝4850Hz，转动惯量Iy＝8.86e-15kg·m2,品质因数Qy＝5000；反馈电压3V时对应的反馈力矩为Ty＝6.04e-10N·m，转角电容转换系数为6.5e-10F/rad。
本发明针对敏感信号读出接口电路组成为：1级C/V转换电路，1级高通滤波器，1级解调电路，1级增益放大电路。其中在陀螺中心质量块上加入1MHz载波，将振动电流信号调制到高频，去除模态间的耦合串扰。整个接口电路增益为：10V/pF，接口电路噪声0.1aF/√Hz。
本发明针对的系统采样频率FS＝1MHz,第一级量化器采用12bit逐次比较型模数转换器，输入范围-2.5V～+2.5V，延时时间1个时钟周期即1us。此时第一级量化器的量化噪声小于同点电噪声。
硅微陀螺敏感模态在柯式力以及反馈力作用下振动，检测电容发生变化，经敏感信号读出接口电路转换成电压信号，由第一级量化器采样量化后进入FPGA中。由于硅微陀螺敏感模态的二阶特性，以及高品质因数特性，从反馈力到进入到FPGA中的信号在谐振点附近会有超过-180°滞后相移，如果不进行相位补偿，系统将会不稳定。相位补偿器如图3所示，是一种相位超前补偿器，补偿器的零点a＝0.9，图8是补偿后系统的开环传递函数波特图，相位裕度15.3°，a越接近于1，相位裕度越大，但会影响噪声整形效果，这个可以根据系统需要进行修改。相位补偿器后可以加一级增益，用以补偿相位补偿器的低频增益衰减，使其低频增益接近于1，这里可以取10，过大的增益会放大高频电噪声以及第一级量化噪声，使得环路滤波器过载，过小的增益又会使得系统开环增益过小闭环性能不佳，这里将其限制在10—50之间为好。
本发明针对的sigma-delta调制器结构见图7，其中各个系数均可由MATLAB工具箱MATLABtoolbox‘THEDELTA-SIGMATOOLBOXVersion7.3’设计出，这里a1＝0.2164,a2＝0.5585。g＝(2πfx/FS)2＝9.4E-4用来与两个积分器构成一个谐振器，谐振频率设计在驱动模态谐振频率上。
图7所构成的结构从输入到输出的传递函数可以写为：
S T F = H a 1 + H f
其中Ha为前馈通路，Hf为反馈通路。
又从结构中可以看到
Ha＝1+Hf
故STF＝1。
如果将图7所示的结构看成一个整体，代入到图1中去，4阶的闭环系统可以看成1个2阶的闭环系统。只要2阶系统稳定，且图7所示结构输入不过载，系统就是稳定的。这个设计过程，与硅微陀螺具体参数关系不大，而且方便简单，提高了系统设实用性及设计速度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种硅微陀螺的闭环检测系统，其特征在于：包括读取所述硅微陀螺敏感信号的接口电路、与所述接口电路连接的第一级量化器、与所述第一级量化器连接的基于FPGA的数字信号处理器，以及连接所述数字信号处理器与所述硅微陀螺的反馈电压生成电路，所述数字信号处理器包括与所述第一级量化器连接的相位补偿器、与所述相位补偿器连接的环路滤波器，以及与所述环路滤波器连接的第二级量化器，所述第二级量化器的输出端与所述反馈电压生成电路连接。
2.根据权利要求1所述的硅微陀螺的闭环检测系统，其特征在于：所述第一级量化器为多bit量化器，所述第二级量化器为1bit量化器。
3.根据权利要求2所述的硅微陀螺的闭环检测系统，其特征在于：所述第一级量化器为逐次比较型模数转换器。
4.根据权利要求1所述的硅微陀螺的闭环检测系统，其特征在于：所述环路滤波器可采用单环串联积分器前馈式结构、单环串联积分器分布反馈式结构、无约束结构中的一种。
5.根据权利要求1-4任一项所述的硅微陀螺的闭环检测系统，其特征在于：所述环路滤波器与所述第二级量化器构成一个sigma-delta调制器，所述sigma-delta调制器的输入端与两所述积分器的输入端之间均连接有前馈通路，所述量化器的输出端与两所述积分器之间均连接有反馈通路；所述sigma-delta调制器的输入端与所述量化器的输入端之间也连接有所述前馈电路，其中第二个所述积分器的输出端与第一个所述积分器的输入端之间也连接有所述反馈通路。
6.根据权利要求5所述的硅微陀螺的闭环检测系统，其特征在于：各所述积分器的所述前馈通路与所述反馈通路的增益相同，所述sigma-delta调制器的输入端与所述量化器的输入端之间也连接的所述前馈电路的增益为1。
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