CN105841685A - 硅微机械陀螺快速热启动实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现硅微机械陀螺快速热启动的方法，属于微机电系统设计领域。通过利用敏感模态电路各信号之间的相位关系，采用四则混合运算抑制系统相位误差分量引入的零位温度漂移，并根据驱动模态电路控制原理，利用驱动模态直流激励电压与谐振频率的关系，通过线性拟合方法抑制系统正交误差分量引入的零位温度漂移，从而实现陀螺系统快速热启动。本发明通过处理敏感模态检测电路的相位关系抑制系统相位误差分量引入的零位温度漂移，进一步通过驱动模态直流激励电压、谐振频率的线性关系，利用线性拟合抑制系统正交误差分量引入的零位温度漂移，从而实现陀螺系统快速热启动。

Description

硅微机械陀螺快速热启动实现方法

技术领域

本发明涉及一种实现硅微机械陀螺快速热启动的方法，属于微机电系统设计领域。

背景技术

陀螺是一种用来测量物体旋转角速率的惯性器件，在导航制导、深空探测、平台稳定控制、汽车工业、消费电子等领域具有重要的应用。

热启动时间是评价硅微机械陀螺性能的重要指标，因此，实现硅微机械陀螺的快速热启动具有重要意义。热启动过程是硅微机械陀螺零位漂移随陀螺温度达到稳态而逐渐稳定的过程，根据文献“Bias Contribution Modeling for aSymmetrical Micromachined Coriolis Vibratory Gyroscope”，陀螺零位主要由系统的正交分量以及相位误差分量决定。系统的正交误差主要由驱动模态与敏感模态的不等刚度引入，在热启动过程中，刚度随着温度变化而变化导致正交误差引入的零位分量随温度变化；相位误差主要由陀螺驱动模态与敏感模态频率差以及敏感模态检测电路的相位延迟共同决定，在热启动过程中，两模态频差以及相位延迟随温度变化而变化导致相位误差引入的零位分量随温度变化。因此，若要实现硅微机械陀螺零位的快速热启动，就必须实现对正交误差分量以及相位误差分量的联合补偿。

发明内容

本发明提出一种面向硅微机械陀螺零位漂移的快速热启动方法。通过利用敏感模态电路各信号之间的相位关系，采用四则混合运算抑制系统相位误差分量引入的零位温度漂移，并根据驱动模态电路控制原理，利用驱动模态直流激励电压与谐振频率的关系，通过线性拟合方法抑制系统正交误差分量引入的零位温度漂移，从而实现陀螺系统快速热启动。

本发明提出的硅微机械陀螺快速热启动方法原理是：参考图1。

本发明提出的硅微机械陀螺快速热启动方法过程为：

首先，陀螺系统由陀螺表头、驱动模态电路、敏感模态电路以及热启动控制电路组成；陀螺表头驱动模态的检测信号进入驱动电路模块，经过C/V转换1、增益1、移相器、自动增益控制等模块后，生成驱动激励电压，施加到陀螺表头驱动激励电极控制驱动模态稳幅振动；其中C/V转换1将电容信号转化成电压信号并通过增益1模块后产生电压信号，再将该电压信号通过移相器进行90°相移，接着通过自动增益控制模块产生直流电压V_dc，并将该直流电压与移相器的输出电压相加后加载到陀螺表头驱动模态实现驱动模态稳幅振动。

接着，由于陀螺驱动模态与敏感模态的刚度不相等，当驱动模态振动时，敏感模态产生正交误差力，此时，由于哥氏效应，陀螺敏感模态也将产生哥氏力；当哥氏力与正交误差力共同作用陀螺敏感模态时，通过敏感模态电路的C/V转换2模块分别得到哥氏力和正交误差力对应的电压信号，再通过增益2模块得到放大后的电压信号；该电压信号分为两路：一路与驱动模态电路的移相器输出信号相乘，再通过低通滤波器1模块得到直流电压，再将该直流电压引入增益3模块进行信号放大得到直流电压信号，其中增益3模块的放大倍数由增益2输出电压信号与移相器输出电压信号通过鉴相器控制获得；另一路与驱动模态电路增益1模块的输出信号相乘，再将该直流电压引入增益4模块进行信号放大得到直流电压信号，同理，增益4模块的放大倍数由增益2输出电压信号与移相器输出电压信号通过鉴相器控制获得；接着将两路直流电压信号进行相加后再与自动增益控制模块输出的直流电压进行放大后相减，最终得到零温漂的角速度输出信号，实现陀螺快速热启动。

本发明的有益效果是：通过处理敏感模态检测电路的相位关系抑制系统相位误差分量引入的零位温度漂移，进一步通过驱动模态直流激励电压、谐振频率的线性关系，利用线性拟合抑制系统正交误差分量引入的零位温度漂移，从而实现陀螺系统快速热启动。

下面结合图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是实施例中硅微机械陀螺快速热启动实现方法的原理图。

具体实施方式

本实施例中给出了一种实现硅微机械陀螺快速热启动的方法，该实施例中的原理为：

首先，陀螺表头驱动模态的检测信号进入驱动电路模块，C/V转换1将电容信号转化成电压信号并通过增益1后的电压信号为k₀Xsin(ω_d(T)t)，其中k₀为移相器输出到增益1输出的增益，X为驱动位移，ω_d(T)为驱动模态谐振频率，且是温度T的函数；增益k₀为0.2V/μm，驱动位移X设为5μm，移相器产生90°相移后变为1cos(ω_d(T)t)、通过自动增益控制单元后，驱动激励直流电压V_dc为2V，再与1cos(ω_d(T)t)相加后施加到陀螺表头驱动激励电极控制驱动模态稳幅振荡在5μm。

接着，当驱动模态振动时，敏感模态产生正交误差分量k_dsXsin(ω_d(T)t)，当有角速度输入时，由哥氏效应产生的哥氏力为2Ωmω_dXcos(ω_d(T)t)，m＝2×10^-7kg，代入后为2.5×10^-13Ωω_d(T)cos(ω_d(T)t)，当哥氏力与正交误差分量共同作用陀螺敏感模态时，通过敏感模态电路的C/V转换2，增益2等模块后，得到电压信号为：

V_de＝2k₁Ωmω_d(T)Xcos(ω_d(T)t+η(T))+k₁k_dsXsin(ω_d(T)t+η(T))

＝7×10^-7Ωω_d(T)cos(ω_d(T)t+η(T))+31k_dssin(ω_d(T)t+η(T))

其中，增益k₁为3×10⁷，η(T)通过鉴相器模块获得；上式右边第一项为哥氏力对应的输出电压，第二项为正交误差力对应的输出电压，k₁为敏感模态单元输入信号到增益2单元输出信号的增益，η(T)为哥氏力与正交误差力通过陀螺敏感模态、C/V转换2以及增益2等单元后产生的相位误差且是温度的函数，正交分量k₁k_dsXsin(ω_d(T)t+η(T))的相位误差η(T)与ω_d(T)受温度变化影响陀螺零位热启动时间。

在热启动控制电路中，V_de与驱动模态电路中的移相器输入、输出信号相乘，再分别通过低通滤波器1、低通滤波器2得到V_i、V_q，低通滤波器的截止频率均设置为40Hz，

$\begin{array}{c}{V}_i=\frac{1}{2}{k}_0{k}_1{X}^2(k_{ds}+2{\mathrm{\Ωm\ω}}_d(T\left)\right)\left(\cos \right(\mathrm{\η}\left(T\right))+\sin (\mathrm{\η}\left(T\right)\left)\right)\\ =\frac{100}{7}(k_{ds}+2.5\×{10}^{-8}{\mathrm{\ω}}_d(T\left)\right)\left(\cos \right(\mathrm{\μ}\left(T\right))+\sin (\mathrm{\η}\left(T\right)\left)\right)\end{array}$

$\begin{array}{c}{V}_q=\frac{1}{2}{k}_0{k}_1{X}^2(k_{ds}-2{\mathrm{\Ωm\ω}}_d(T\left)\right)\left(\cos \right(\mathrm{\η}\left(T\right))-\sin (\mathrm{\η}\left(T\right)\left)\right)\\ =\frac{100}{7}(k_{ds}-2.5\×{10}^{-8}{\mathrm{\ω}}_d(T\left)\right)\left(\cos \right(\mathrm{\η}\left(T\right))-\sin (\mathrm{\η}\left(T\right)\left)\right)\end{array}$

进一步，分别通过增益3、增益4，得到V_iG，V_qG，其中增益3为cos(η(T))，增益4为sin(η(T))，η(T)通过鉴相器比较增益2输出信号与移相器输出信号的相位差获得，通过推导可知：

$\begin{array}{c}{V}_{iG}=\frac{1}{4}{k}_0{k}_1{X}^2\left(\right(2{\mathrm{\Ωm\ω}}_d\left(T\right)\left)\right(1+\cos \left(2\mathrm{\η}\left(Y\right)\right))+k_{ds}\sin (2\mathrm{\η}\left(T\right)\left)\right)\\ =\frac{50}{7}\left(\right(2.5\×{10}^{-8}{\mathrm{\ω}}_d\left(T\right)\left)\right(1+\cos \left(2\mathrm{\η}\left(T\right)\right))+k_{ds}\sin (2\mathrm{\η}\left(T\right)\left)\right)\end{array}$

$\begin{array}{c}{V}_{qG}=\frac{1}{4}{k}_0{k}_1{X}^2\left(\right(2{\mathrm{\Ωm\ω}}_d\left(T\right)\left)\right(\cos \left(2\mathrm{\η}\left(T\right)\right)-1)+k_{ds}\sin (2\mathrm{\η}\left(T\right)\left)\right)\\ =\frac{50}{7}\left(\right(2.5\×{10}^{-8}{\mathrm{\ω}}_d\left(T\right)\left)\right(\cos \left(2\mathrm{\η}\left(T\right)\right)-1)+k_{ds}\sin (2\mathrm{\η}\left(T\right)\left)\right)\end{array}$

进一步，

$V_{out}=V_{iG}-V_{qG}=k_0{k}_1{X}^2{\mathrm{\Ωm\ω}}_d\left(T\right)+\frac{1}{2}{k}_0{k}_{1}X$

输出电压V_out没有相位误差η(T)以及正交误差的耦合刚度k_ds，且当Ω＝0时，零位输出电压为恒定不变，因此陀螺零位的温度漂移以及热启动过程不受相位误差和正交误差分量影响；当Ω≠0时，此时角速度输出电压热漂移受增益k₀，k₁，驱动位移X以及谐振频率ω_d(T)影响，根据电路控制原理，采用零温漂的阻容器件实现增益k₀，k₁控制，因此k₀，k₁在热启动过程中保持恒定不变；由驱动模态电路控制原理可知，当谐振频率ω_d(T)在热启动过程中受温度影响变化时，自动增益控制模块根据谐振频率变化能够自动调整它的输出直流电压V_dc，再将调整后的直流电压加载到驱动模态上，从而保持驱动位移X恒定不变。因此，输出电压热漂移仅受谐振频率ω_d(T)影响，在100℃的温度变化范围内，温度T与谐振频率ω_d(T)呈线性关系ω_d(T)＝k_wT+ω_d0，k_w是一次项系数，ω_d0是谐振频率初始值，又由于驱动模态电路为线性系统，因此，谐振频率ω_d与直流电压V_dc呈线性关系，V_dc(T)＝k_dcT+b，b是初始值，k_dc是直流电压与谐振频率的斜率，通过测量直流电压V_dc(T)以及线性拟合，当k₀k₁X²Ωmk_ω＝k_tk_dc时，初始谐振频率ω_d0＝2π×4000，得到最终角速率输出电压：

$V_{final}=V_{out}-k_t{V}_{dc}\left(T\right)=k_0{k}_1{X}^2\mathrm{\Ω}m(k_{\mathrm{\ω}}T+{\mathrm{\ω}}_{d0})+\frac{1}{2}{k}_0{k}_{1}X-k_t(k_{dc}T+b)$

取

$V_{final}=k_0{k}_1{X}^2{\mathrm{\Ωm\ω}}_{d0}+\frac{1}{2}{k}_0{k}_{1}X-k_{t}b=0.02\mathrm{\Ω}+{10}^{-5}-0.03$

由上式可以看出，当Ω＝0时，零位输出电压恒定不变，即零位漂移以及热启动过程不受温度影响从而实现快速热启动；当Ω≠0时，角速度的灵敏度也不受温度影响，即灵敏度的温度特性显著提高。

Claims (1)

1.硅微机械陀螺快速热启动方法，其特征在于，过程如下：

首先，陀螺系统由陀螺表头、驱动模态电路、敏感模态电路以及热启动控制电路组成；陀螺表头驱动模态的检测信号进入驱动电路模块，经过C/V转换1、增益1、移相器、自动增益控制等模块后，生成驱动激励电压，施加到陀螺表头驱动激励电极控制驱动模态稳幅振动；其中C/V转换1将电容信号转化成电压信号并通过增益1模块后产生电压信号，再将该电压信号通过移相器进行90°相移，接着通过自动增益控制模块产生直流电压V_dc，并将该直流电压与移相器的输出电压相加后加载到陀螺表头驱动模态实现驱动模态稳幅振动；

接着，由于陀螺驱动模态与敏感模态的刚度不相等，当驱动模态振动时，敏感模态产生正交误差力，此时，由于哥氏效应，陀螺敏感模态也将产生哥氏力；当哥氏力与正交误差力共同作用陀螺敏感模态时，通过敏感模态电路的C/V转换2模块分别得到哥氏力和正交误差力对应的电压信号，再通过增益2模块得到放大后的电压信号；该电压信号分为两路：一路与驱动模态电路的移相器输出信号相乘，再通过低通滤波器1模块得到直流电压，再将该直流电压引入增益3模块进行信号放大得到直流电压信号，其中增益3模块的放大倍数由增益2输出电压信号与移相器输出电压信号通过鉴相器控制获得；另一路与驱动模态电路增益1模块的输出信号相乘，再将该直流电压引入增益4模块进行信号放大得到直流电压信号，同理，增益4模块的放大倍数由增益2输出电压信号与移相器输出电压信号通过鉴相器控制获得；接着将两路直流电压信号进行相加后再与自动增益控制模块输出的直流电压进行放大后相减，最终得到零温漂的角速度输出信号，实现陀螺快速热启动。