CN106595714B - 一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪，由陀螺仪传感器件，闭环驱动电路，开环读出电路和正交偏置自消除闭环组成。其中，闭环驱动电路驱动传感器件沿驱动轴振动，开环读出电路将包含角速度的信号转变成电压信号，并通过解调、滤波、模数转换输出。正交偏置自消除闭环由可调相位解调信号产生电路、解调器、低通滤波器、数模转换器和比较判决电路组成。该闭环由比较判决电路寻找正交偏置输出的极值反馈调节解调信号相位，完成角速度输出信号中正交偏置分量的自动消除。与现有技术相比，本发明的优点在于在不增加陀螺仪传感器件机械设计复杂度的条件下，仅增加少量电路，实现正交偏置自动消除，有利于节省陀螺仪出厂校准的时间和人力成本。

Description

一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪
技术领域
本发明涉及一种微机械陀螺仪，尤其是一种正交偏置自动消除的微机械陀螺仪。
背景技术
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统。微机械陀螺仪是一种重要的惯性MEMS器件。典型的微机械陀螺仪由传感器件和接口电路两部分构成，其工作原理是基于哥氏力(Coriolis Force)效应。以谐振式电容型微机械陀螺仪为例，如图1所示，闭环驱动电路先将传感器件的驱动模态(X方向)驱动至谐振状态，当有外界角速度Ωz输入时，在检测模态(Y方向)将会产生大小为2MΩv的哥氏力Fc，此哥氏力会造成Y方向产生频率与X方向相同的调幅位移信号y(t)，从而引起检测极板等效电容C(t)变化，通过检测电路读出C(t)并解调滤波，即可得到反映输入角速度信号Ωz的输出电压信号Vout。当存在解调相位误差时，等效机械正交误差Ωq会泄露到输出端。
根据MEMS陀螺仪的工作原理，其动力学方程可表示为
Figure BDA0001189367730000011
其中，m为陀螺仪质量块，x、y分别是X轴和Y轴的位移，x'、y'，x″、y″分别为x、y的一阶和二阶导数，Dx、Dy分别为X轴和Y轴阻尼系数，kx、ky分别为X轴和Y轴弹性系数，Fx为X轴驱动力，Fc为哥氏力，其表达式为
Figure BDA0001189367730000012
其中，Ωz为Z轴方向的输入角速度，m为陀螺仪质量块质量。机械正交误差由X轴耦合至Y轴的弹性系数kyx引起，相应的作用力Fq可表示为
Fq＝-kyxx  (3)。
根据式(2)和(3)，机械正交误差等效的输入角速度Ωq可表示为
Figure BDA0001189367730000021
其中，ωd为驱动轴谐振角频率。
由于机械正交误差与角速度输入信号相位是正交的，因此可以通过同步解调有效消除机械正交误差。但是，由于传感器与接口电路均会因为非理性效应引入相移，不可避免的存在解调相位误差。
当存在解调相位误差Δθ时，陀螺仪检测端输出可表示为
S＝GV/Ω·cosΔθ·Ωz+Bq  (5)，
其中GV/Ω为陀螺仪标度因子，Bq为正交偏置，可表示为
Bq＝GV/Ω·Ωq·sinΔθ  (6)，
由于MEMS陀螺仪不可避免的存在加工误差，造成机械正交误差等效的输入角速度Ωq可接近或超过陀螺仪量程。假使陀螺仪单边满量程为100°/s，即使相位误差只有10°时，输出正交偏置亦会达满量程的2.8倍，即造成检测通路增益级饱和，陀螺仪工作失效。因此，控制解调相位，消除正交偏置十分重要。
现有消除正交偏置的方法主要包括纠偏法、力平衡法和同步解调法。纠偏法是利用静电力方法纠正陀螺仪传感器质量块的轴偏移以消除正交偏置(参见Clark W A,Howe RT,and Horowitz R.Surface micromachined Z-axis vibratory rate gyroscope[C].Tech.Dig.Solid-State Sensor and Actuator Workshop,Hilton Head Island,SC,USA,Jue.1996:283-287)。力平衡法是通过产生与正交耦合的弹簧回溯力大小相同，方向相反的静电力来达到消除正交偏置的目的(参见C.Jian,G.Zhongyang,Z.Qiancheng,Y.Zhenchuan,H.Yilong,and Y.Guizhen,"Force Rebalance Controller Synthesis fora Micromachined Vibratory Gyroscope Based on Sensitivity MarginSpecifications,"Microelectromechanical Systems,Journal of,vol.20,pp.1382-1394,2011.)。纠偏法和力平衡法的共同缺点是需要在传感器机械设计上额外增加反馈极板，增加机械设计复杂度，而且接口电路需与传感器构成反馈闭环，电路复杂度提高，功耗增大。同步解调法是通过严格控制解调信号相位以消除正交偏置(参见Saukoski M,Aaltonen L,and Halonen K A I.Zero-rate output and quadrature compensation invibratory MEMS gyroscopes[J].IEEE Sensors Journal,2007,7(12):1639-1652.)，其优点是对传感器机械设计无要求，电路结构简单，功耗低，因此被广泛应用于性能要求不高的电子消费类微机械陀螺仪中。但由于每个陀螺仪制造偏差各不相同，往往需要在出厂的时候对每个陀螺仪进行人工校准，应用同步解调法人工校准每个陀螺仪的解调相位、消除正交偏置的方法存在耗时长、成本高的问题。
发明内容
本发明提供了一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪，以解决目前正交偏置闭环消除的陀螺仪机械、电路设计复杂度高、功耗大，以及正交偏置开环消除的陀螺仪人工校准耗时长、成本高的问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪，包括陀螺仪传感器件、闭环驱动电路、开环读出电路和正交偏置自消除闭环，所述的
闭环驱动电路与陀螺仪传感器件驱动极板、驱动反馈极板相连接构成闭环，负责传感器件沿驱动轴振动；
开环读出电路与陀螺仪传感器件检测极板相连接，读出电路与将包含角速度的信号转变成电压信号，读出电路与解调器相连接，解调器与滤波器相连接，滤波器与模数转换器相连接，电压信号通过解调、滤波、模数转换输出角速度信号；
正交偏置自消除闭环是由可调相位解调信号产生电路、解调器、滤波器、数模转换器和比较判决电路组成，其中可调相位解调信号产生电路与解调器相连接，解调器与滤波器相连接，滤波器与数模转换器相连接，数模转换器与比较判决电路相连接，比较判决电路与可调相位解调信号产生电路相连接，从而构成闭环环路，闭环由比较判决电路寻找正交偏置输出的极值(极大值或极小值)来反馈调节解调信号相位，完成角速度输出信号中正交偏置信号的自动消除功能。
所述的可调相位解调信号产生电路可以数字逻辑控制方式在0～90°范围进行相位连续调节。
所述的比较判决电路可由数字逻辑比较相邻两个周期的正交偏置输出信号，并输出反馈信号。
与现有技术相比，本发明的优点在于在完全不增加陀螺仪传感器件机械设计复杂度的条件下，仅增加少量的电路，完成陀螺仪正交偏置的自动消除，节省陀螺仪出厂校准的时间和人力成本。
附图说明
图1为本发明涉及的一种电容型谐振式微机械陀螺仪的工作原理示意图，但不仅限于电容型，其他类型谐振式微机械同样适用；
图2为本发明所述的一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪原理示意图；
图3为正交相位与同相位解调示意图；
图4为图2闭环驱动电路的一种实现结构，但不仅限于此种结构；
图5为图2中可调相位解调信号产生电路的一种实现方式，但不限于此种方式；
图6为图2中比较判决电路的一种实现方式，但不限于此种方式。
具体实施方式
本发明的一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪工作原理如图2所示，闭环驱动电路驱动陀螺仪传感器件沿驱动轴振动；读出电路负责读出包含角速度的信号，经解调器正交解调并经滤波、模数转换输出角速度信号；正交偏置自消除闭环由比较判决电路、可调相位解调信号产生电路、解调器(同相解调)、低通滤波器和数模转换器构成，工作原理为在无角速度输入情况下，由比较判决电路寻找正交偏置输出的极值(极大值或极小值)来，通过反馈调节解调信号相位，完成角速度输出信号中正交偏置信号的自动消除功能。
正交偏置自消除闭环更具体的工作原理为，由于在出厂校准时，无角速度输入情况下，当包含角速度的信号被完全正交解调时，角速度输出信号中正交偏置被完全消除，此时，同相解调得到的正交偏置输出为极大值或极小值，如图3所示。因此，可以设置一个负反馈闭环，可通过调节解调信号相位，逐步比较正交偏置输出的当前值与前一个值的大小，循环迭代找出正交偏置输出极值，最终自动消除正交偏置。
图4是一种带自动增益控制的陀螺仪闭环驱动电路的实现结构，但不限于此结构。图2中的可调相位解调信号产生电路的一种实现方式如图5所示，但不仅限于此。如图5(a)所示，解调信号可由锁相环中的压控振荡器倍频信号，解调信号相位移动由可调相移分频器实现，结构如图5(b)所示，解调信号的相移分别由3个延时单元实现，每个延时单元由分频器前端产生的不同时钟信号Clk1～3控制产生不同的延时。延时单元采用移位寄存器技术实现信号相移，如图5(b)下图所示，即通过频率较快的时钟信号Clk1寄存频率较慢的解调信号D0产生延时信号D1～3，并由控制端Ctr控制多路选择器(Mux)选择输出。图中经1024分频后所得的解调信号D0经过由Clk1控制的寄存器寄存1拍，输出信号D1，其相移可折算为0.7°(360°/512)。设计的可调相移分频器中采用了3个延迟单元级联，则可调的相移Ph可表示为：
Figure BDA0001189367730000051
其中，Ctr1,Ctr2,Ctr3分别是多路选择器512分频、128分频和32分频的控制端，由上述公式可知，通过3个延迟单元产生的正交解调信号可实现精度和步长为0.7°，范围为0～44.3°的可调相移。当然，理论上通过控制压控振荡器的振荡频率、分频器分频数及延时单元数目，可以实现0～90°任意精度的解调型号相位移动。
图2中比较判决电路的一种实现电路如图6所示，但不仅限于此。假设模数转换器(A/D)的位数是n位，则n位数据D0～Dn由n个寄存器寄存一个时钟周期后产生数据D’0～D’n，并可由与、或、非门等简单数字逻辑单元实现逻辑比较电路，输出反馈信号，作为图2中解调信号相位调节的依据。图6中的时钟信号clk可由图5中锁相环输出信号分频得到，具体时钟周期可由正交偏置自消除闭环的响应速度决定。

Claims (1)

1.一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪，其特征在于，包括陀螺仪传感器件、闭环驱动电路、开环读出电路和正交偏置自消除闭环，所述的
闭环驱动电路与陀螺仪传感器件驱动极板、驱动反馈极板相连接构成闭环，负责传感器件沿驱动轴振动；
开环读出电路与陀螺仪传感器件检测极板相连接，读出电路与将包含角速度的信号转变成电压信号，读出电路与解调器相连接，解调器与滤波器相连接，滤波器与模数转换器相连接，电压信号通过解调、滤波、模数转换输出角速度信号；
正交偏置自消除闭环是由可调相位解调信号产生电路、解调器、滤波器、数模转换器和比较判决电路组成，可调相位解调信号产生电路与解调器相连接，解调器与滤波器相连接，滤波器与数模转换器相连接，数模转换器与比较判决电路相连接，比较判决电路与可调相位解调信号产生电路相连接，从而构成闭环环路，闭环由比较判决电路寻找正交偏置输出的极大值或极小值来反馈调节解调信号相位，完成角速度输出信号中正交偏置信号的自动消除功能；所述的可调相位解调信号产生电路可以数字逻辑控制方式在0~90°范围进行相位连续调节；所述的比较判决电路可由数字逻辑比较相邻两个周期的正交偏置输出信号，并输出反馈信号。
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