CN107132763A - 一种mems陀螺仪闭环驱动用自动增益控制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种MEMS陀螺仪闭环驱动用自动增益控制电路，包括幅值比较器、残差选择器和环路滤波器；幅值比较器根据幅度检测器输出信号的大小自动判断陀螺是处于起振阶段还是稳定阶段，根据判断结果输出对环路滤波器的工作模式和残差选择器进行控制的控制信号；残差选择器根据幅值比较器输出的控制信号、预先设置数字基准值，输出环路滤波器所需的输入信号；环路滤波器根据输入信号和幅值比较器输出的控制信号，生成驱动幅值信号。本发明在自动增益控制电路中设计了一幅值比较器实现对驱动系统的自我检测，自适应地调整自动增益控制器的工作模式；可在很小的环路带宽下起振时间更小，稳定时间更短，同时设计参数更少，系统更简洁。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS陀螺仪闭环驱动用自动增益控制电路。
背景技术
随着微机械加工工艺的发展，MEMS硅微机械陀螺仪在工业自动化、惯性导航和汽车电子等领域得到了广泛的应用。MEMS陀螺仪是基于科氏力原理工作的，根据科氏力公式可知驱动振荡速率直接影响陀螺的刻度因子和稳定性。因此保持陀螺驱动模态的稳定是提高陀螺精度的关键所在。MEMS陀螺驱动系统根据驱动方式的不同可以分为：开环驱动和闭环驱动。开环驱动容易受外界环境的影响，因此只能应用在低精度领域。闭环驱动具有很强的鲁棒性，能够抑制外界干扰对驱动系统的影响，维持驱动幅值的恒定。
图1是基于现有自动增益控制电路的MEMS陀螺闭环驱动原理图。该闭环驱动系统包括：MEMS陀螺器件、前端检测电路、ADC、幅度检测器、低通滤波器、自动增益控制、数字锁相环、乘法器以及DAC。自动增益控制是基于PID控制器原理设计的，主要包括一个比例增益放大器、一个积分器以及两个加法器。
该系统在当由DAC输入到ADC输出之间的增益较大时或者环路带宽设置较小时，自动增益控制器的增益很小，这时在陀螺起振时自动增益控制器的输出信号小于满摆幅信号，导致陀螺起振时间很长。
另外，由于积分器的延时特性以及系统限幅影响，该闭环系统有较大的超调量，延长了陀螺驱动的稳定时间。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种MEMS陀螺仪闭环驱动用自动增益控制电路，对自动增益控制电路进行了改进，旨在缩短MEMS陀螺在很小的环路带宽下的起振时间，同时减小闭环驱动系统的超调量，减小系统稳定时间。
为解决上述技术问题，本发明提供一种MEMS陀螺仪闭环驱动用自动增益控制电路，其特征是，包括幅值比较器、残差选择器和环路滤波器；
幅值比较器根据幅度检测器输出信号amp的大小自动判断陀螺是处于起振阶段还是稳定阶段，并根据判断结果输出对环路滤波器的工作模式和残差选择器进行控制的控制信号Ctr；
残差选择器根据幅值比较器输出的控制信号Ctr、预先设置数字基准值Nref，输出环路滤波器所需的输入信号e；
环路滤波器根据输入信号e和幅值比较器输出的控制信号Ctr，生成驱动幅值信号。
所述幅值比较器将幅值检测器的输出信号amp与一参考数值Nr进行比较，并根据比较结果生成控制信号Ctr。
所述幅值比较器包括第一加法器、第二加法器、过零比较器、一增益为N的增益级；
第一加法器的输入为一预先设置的参考数值Nr和将过零比较器的输出增益N级后的输出；第一加法器的输出作为第二加法器的输入；第二加法器的另一输入为幅值检测器的输出信号amp；第二加法器的输出经过零比较器后生成控制信号Ctr。
增益级的增益N<<Nr。
残差选择器包括加法器和二选一开关；幅值比较器输出的控制信号Ctr作为二选一开关的开关控制信号，预先设置的基准数值Nref和幅值检测器的输出信号amp作为加法器的输入，加法器的输出、预先设置基准数值Nref分别作为二选一开关的两个选通输入量，二选一开关的输出为环路滤波器所需的输入信号e。
当Ctr＝0时，残差选择器输出e＝Nref，为基准数值信号；当Ctr＝1时，残差选择器输出e＝Nref-amp，为幅值残差信号。
环路滤波器包括二选一开关、积分器、低通滤波器和加法器；幅值比较器输出的控制信号Ctr作为二选一开关的开关控制信号，残差选择器的输出和零信号分别作为二选一开关的两个选通输入量，二选一开关的输出作为积分器的输入，积分器的输出、低通滤波器的输出分别为加法器的输入，加法器的输出为环路滤波器生成的驱动幅值信号。
二选一开关控制积分器的输入信号，当Ctr＝0时，积分器输入等于0，积分器不工作，环路滤波器等价于低通滤波器；当Ctr＝1时，积分器输入等于残差选择器的输出信号e，积分器与低通滤波器并联工作。
一种基于权利要求1所述的自动增益控制电路的MEMS陀螺闭环驱动系统，其特征是，前端检测电路检测放大MEMS陀螺器件的振动信号并将其转化为电压信号；该电压信号经过ADC后变成数字信号；ADC输出数字信号经过两条支路进行处理，其中一路进入数字锁相环被锁频、锁相，并生成两路相互正交的信号，另一路和数字锁相环的一路输出共同进入幅度检测器，幅度检测器利用数字锁相环的输出检测ADC输出信号的幅值；幅度检测器输出的幅值信号经过自动增益控制装置放大后生成驱动幅值信号；该驱动幅值信号与数字锁相环的一路输出相乘后经过DAC转化成MEMS陀螺器件的驱动电压信号，提供MEMS陀螺振荡所需要的能量。
本发明所达到的有益效果：
本发明在自动增益控制电路中设计了一个幅值比较器实现对驱动系统的自我检测，自适应地调整自动增益控制器的工作模式。与采用传统自动增益控制电路的陀螺闭环驱动系统相比，采用本发明自动增益控制电路的陀螺闭环驱动系统在很小的环路带宽下起振时间更小，稳定时间更短，同时设计参数更少，系统更简洁。
附图说明
图1为基于现有自动增益控制电路的MEMS陀螺闭环驱动原理图；
图2为本发明所述基于本发明自动增益控制电路的MEMS陀螺闭环驱动原理图；
图3为本发明所述幅值比较器原理图；
图4为本发明所述幅值比较器输入输出关系；
图5为本发明所述残差选择器原理图；
图6为本发明所述环路滤波器原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图2所示是基于本发明自动增益控制电路的MEMS陀螺闭环驱动原理图。本发明自动增益控制电路与MEMS陀螺器件、前端检测电路、模数转换器(ADC)、幅度检测器、数字锁相环、乘法器以及数模转换器(DAC)共同构成MEMS陀螺闭环驱动系统。自动增益控制电路由环路滤波器、残差选择器和幅值比较器三个部分组成。其中Nref为预先设置数字基准值，为常数。本发明自动增益控制电路中幅值比较器能够根据幅度检测器输出信号的大小自动判断陀螺是处于起振阶段还是稳定阶段，从而改变环路滤波器的工作模式；残差选择器控制环路滤波器的输入信号是小信号还是大信号；环路滤波器将传统PI控制器与低通滤波器结合，提高噪声抑制能力。通过本发明自动增益控制电路达到缩短MEMS陀螺闭环驱动系统起振时间和减小系统稳定过程中超调量的目的。
图2所述基于本发明自动增益控制电路的MEMS陀螺闭环驱动系统的工作原理为：前端检测电路检测放大MEMS陀螺器件的振动信号并将其转化为电压信号；该电压信号经过ADC后变成数字信号；ADC输出数字信号经过两条支路进行处理，其中一路进入数字锁相环被锁频、锁相，并生成两路相互正交的信号，另一路和数字锁相环的一路输出共同进入幅度检测器，幅度检测器利用数字锁相环的输出检测ADC输出信号的幅值；幅度检测器输出的幅值信号经过自动增益控制装置放大后生成驱动幅值信号；该驱动幅值信号与数字锁相环的一路输出相乘后经过DAC转化成MEMS陀螺器件的驱动电压信号，提供MEMS陀螺振荡所需要的能量。通过这种闭环控制，MEMS陀螺仪驱动振荡幅值被维持在一个恒定值。
假设图2中从DAC输入到ADC输出之间的传递函数为M(s)，自动增益控制电路的传递函数为hpi(s)(从数字基准值Nref到自动增益控制输出)，那么陀螺驱动幅度控制系统闭环传递函数为(从数字基准值Nref到幅度检测器输出)：
MEMS陀螺闭环驱动用的自动增益控制电路是基于PI控制器设计的，传统的PI控制器中包含一个比例放大器和一个积分器，由于积分器的相位延迟特性，PI控制器的输出通常都会有一定的超调量。超调量的稳定时间与闭环驱动系统环路带宽有关，带宽越小，稳定时间越长。而在MEMS陀螺闭环驱动系统中，考虑到闭环环路噪声的抑制要求，环路带宽通常都会设置的较低，导致PI控制器的超调稳定过程很慢。因此要想缩短MEMS陀螺闭环驱动的稳定时间，只有通过减小PI控制器的超调量来实现。本发明对传统自动增益控制电路进行了改进，通过增加两个控制模块，它们能够自动判断陀螺工作状态，从而改变PI控制器的工作模式，减小系统超调量。另外与传统自动增益控制电路中的PI控制器不同的是，本发明自动增益控制电路将PI控制器与低通滤波器合并，减少了系统设计参数数量，将其合称为环路滤波器。
图2中自动增益控制电路中的幅值比较器是一个迟滞比较器，功能是将幅值检测器的输出与一参考数值进行比较，并根据比较结果生成控制信号，其原理图如图3所示。该模块由两个加法器、一个过零比较器、一个增益级以及一个预先设置参考数值Nr组成。第一加法器的输入为一预先设置的参考数值Nr和将过零比较器的输出增益N级后的输出；第一加法器的输出作为第二加法器的输入；第二加法器的另一输入为幅值检测器的输出信号amp；第二加法器的输出经过零比较器后生成控制信号Ctr。
过零比较器的功能是当其输入e2大于等于零时，输出正1；当其输入e2小于零时，输出0。
增益级增益N满足条件，N<<Nr。因此幅值比较器的工作过程可分为两种情况：
当陀螺在驱动力作用下由静止开始工作时，初始条件输入信号amp由小变大，并且amp<Nr-N时，陀螺处于起振阶段，第二个加法器输出e2<0，过零比较器输出Ctr＝0，第一个加法器输出e1＝Nr；随着amp的增大，当amp≥Nr时，陀螺进入稳定阶段，第二个加法器输出e2＝amp-e1≥0，过零比较器输出Ctr＝1，第一个加法器输出e1＝Nr-N。
当陀螺失去驱动力由正常振动开始衰减时，初始条件输入信号amp由大变小，并且amp>Nr时，第二个加法器输出e2>0，过零比较器输出Ctr＝1，第一个加法器输出e1＝Nr-N；随着amp的减小，当amp<Nr-N时，第二个加法器输出e2＝amp-e1<0，过零比较器输出Ctr＝0，第一个加法器输出e1＝Nr。
幅值比较器的输入和输出之间的关系可以用图4表示，该比较器有两个阈值Nr和Nr-N。当输入由小增大时，只有当输入增大到大于等于Nr，输出才翻转；当输入由大减小时，只有当输入减小到小于Nr-N，输出才翻转。设置两个阈值可以防止输入在经过阈值时因为噪声抖动而引起的输出跳变。
残差选择器的原理图如图5所示，它由一个加法器和一个二选一开关组成，幅值比较器输出的控制信号Ctr作为二选一开关的开关控制信号，预先设置的基准数值Nref和幅值检测器的输出信号amp作为加法器的输入，加法器的输出、预先设置基准数值Nref分别作为二选一开关的两个选通输入量，二选一开关的输出为环路滤波器所需的输入信号e。Nref为预先设置基准数值，而且满足Nref>Nr。开关控制信号为幅值比较器的输出Ctr，当Ctr＝0时，残差选择器输出e＝Nref，为基准数值信号；当Ctr＝1时，残差选择器输出e＝Nref-amp，为幅值残差信号。
环路滤波器的原理图如下图6所示。它包括一个二选一开关、一个积分器、一个低通滤波器、一个加法器以及一个限幅器。幅值比较器输出的控制信号Ctr作为二选一开关的开关控制信号，残差选择器的输出和零信号分别作为二选一开关的两个选通输入量，二选一开关的输出作为积分器的输入，积分器的输出、低通滤波器的输出分别为加法器的输入，加法器的输出为环路滤波器生成驱动幅值信号。二选一开关控制积分器的输入信号，当Ctr＝0时，积分器输入等于0，相当于积分器不工作，环路滤波器等价于低通滤波器；当Ctr＝1时，积分器输入等于残差信号e，积分器与低通滤波器并联工作。
积分器的传递函数可以表示为：
低通滤波器的传递函数可以表示为：
这样整个环路滤波器的传递函数可以表示为：
其中T1、T2、T3称为时间常数，s表示复平面。与传统的PI控制器相比，该环路传递函数多了一个极点，相当于增加了一个一阶低通滤波器，提高了抑制噪声的能力，因此本环路滤波器可以看成传统PI控制器的变种。通过调整环路滤波器的时间常数T1、T2、T3可以使MEMS陀螺驱动模态工作在最优状态。
整个自动增益控制电路的工作过程为：当MEMS陀螺驱动起振时，由于幅度检测器的输出很小，自动增益控制电路中的幅值比较器判断陀螺处于起振阶段并输出控制信号Ctr＝0。环路滤波器中积分器不起作用，环路滤波器的输入信号e＝Nref，即环路滤波器的输入保持为最大值。这样可以保证陀螺起振过程中环路滤波器的输出始终为满摆幅信号，即以最大的驱动电压启动陀螺，加快陀螺起振速度。当MEMS陀螺振动幅值增大到Nr时，自动增益控制电路中的幅值比较器判断陀螺开始进入振动稳定阶段并输出控制信号Ctr＝1。此时环路滤波器的输入信号为幅值残差值e＝Nref-amp，环路滤波器中的积分器开始工作，积分器与低通滤波器共同构成PI控制器并跟踪残差信号e，其输出随残差信号e变化而变化，当e小于0时，环路滤波器输出减小，当e大于0时，环路滤波器输出增大，当e等于0时，环路滤波器输出保持不变。最终在自动增益控制电路的闭环控制下幅值残差信号被稳定在0附近，即MEMS陀螺振动幅值维持在Nref附近。相比于采用传统的自动增益控制电路，采用本发明自动增益控制电路的陀螺闭环驱动系统起振速度更快，而且由于积分器在陀螺振动幅值趋近于目标幅值时才开始工作，因此系统超调量更小，稳定时间更短。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种MEMS陀螺仪闭环驱动用自动增益控制电路，其特征是，包括幅值比较器、残差选择器和环路滤波器；
幅值比较器根据幅度检测器输出信号amp的大小自动判断陀螺是处于起振阶段还是稳定阶段，并根据判断结果输出对环路滤波器的工作模式和残差选择器进行控制的控制信号Ctr；
残差选择器根据幅值比较器输出的控制信号Ctr、预先设置数字基准值Nref，输出环路滤波器所需的输入信号e；
环路滤波器根据输入信号e和幅值比较器输出的控制信号Ctr，生成驱动幅值信号。
2.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪闭环驱动用自动增益控制电路，其特征是，所述幅值比较器将幅值检测器的输出信号amp与一参考数值Nr进行比较，并根据比较结果生成控制信号Ctr。
3.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪闭环驱动用自动增益控制电路，其特征是，所述幅值比较器包括第一加法器、第二加法器、过零比较器、一增益为N的增益级；
第一加法器的输入为一预先设置的参考数值Nr和将过零比较器的输出增益N级后的输出；第一加法器的输出作为第二加法器的输入；第二加法器的另一输入为幅值检测器的输出信号amp；第二加法器的输出经过零比较器后生成控制信号Ctr。
4.根据权利要求3所述的MEMS陀螺仪闭环驱动用自动增益控制电路，其特征是，增益级的增益N<<Nr。
5.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪闭环驱动用自动增益控制电路，其特征是，残差选择器包括加法器和二选一开关；幅值比较器输出的控制信号Ctr作为二选一开关的开关控制信号，预先设置的基准数值Nref和幅值检测器的输出信号amp作为加法器的输入，加法器的输出、预先设置基准数值Nref分别作为二选一开关的两个选通输入量，二选一开关的输出为环路滤波器所需的输入信号e。
6.根据权利要求5所述的MEMS陀螺仪闭环驱动用自动增益控制电路，其特征是，当Ctr＝0时，残差选择器输出e＝Nref，为基准数值信号；当Ctr＝1时，残差选择器输出e＝Nref-amp，为幅值残差信号。
7.根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪闭环驱动用自动增益控制电路，其特征是，环路滤波器包括二选一开关、积分器、低通滤波器和加法器；幅值比较器输出的控制信号Ctr作为二选一开关的开关控制信号，残差选择器的输出和零信号分别作为二选一开关的两个选通输入量，二选一开关的输出作为积分器的输入，积分器的输出、低通滤波器的输出分别为加法器的输入，加法器的输出为环路滤波器生成的驱动幅值信号。
8.根据权利要求7所述的MEMS陀螺仪闭环驱动用自动增益控制电路，其特征是，二选一开关控制积分器的输入信号，当Ctr＝0时，积分器输入等于0，积分器不工作，环路滤波器等价于低通滤波器；当Ctr＝1时，积分器输入等于残差选择器的输出信号e，积分器与低通滤波器并联工作。
9.一种基于权利要求1所述的自动增益控制电路的MEMS陀螺闭环驱动系统，其特征是，前端检测电路检测放大MEMS陀螺器件的振动信号并将其转化为电压信号；该电压信号经过ADC后变成数字信号；ADC输出数字信号经过两条支路进行处理，其中一路进入数字锁相环被锁频、锁相，并生成两路相互正交的信号，另一路和数字锁相环的一路输出共同进入幅度检测器，幅度检测器利用数字锁相环的输出检测ADC输出信号的幅值；幅度检测器输出的幅值信号经过自动增益控制装置放大后生成驱动幅值信号；该驱动幅值信号与数字锁相环的一路输出相乘后经过DAC转化成MEMS陀螺器件的驱动电压信号，提供MEMS陀螺振荡所需要的能量。
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