CN107389090A - 一种提高mems陀螺抗振动特性的机械不正交闭环方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种提高MEMS陀螺抗振动特性的机械不正交闭环方法，属于传感器控制技术领域。本发明的目的是针对MEMS双质量块陀螺的左、右质量块由于工艺的不一致性形成的机械不正交误差，这种误差大大降低MEMS双质量块陀螺的抗振动特性和全温重复性指标。通过相位解调技术对机械不正交误差信号进行解析，并将误差累加后进入直接_II型控制器，反馈误差值以+2.5V±V电平为直流力矩，以差分信号的形式加到MEMS双质量陀螺的检测方向平行板电容上，矫正MEMS双质量块陀螺在检测方向的误差，提升MEMS双质量块陀螺坑振动特性的同时也有着良好的漂移、重复性特性，最后大大提升MEMS双质量块陀螺的抗振动指标及全温重复性、零偏稳定性指标。

Description

一种提高MEMS陀螺抗振动特性的机械不正交闭环方法
技术领域
本发明一种提高MEMS陀螺抗振动特性的机械不正交闭环方法，属于传感器控制技术领域。
背景技术
MEMS双质量块陀螺是一种新型角速率传感器。其基本原理是基于机械谐振的哥式力效应，本质上为机械谐振陀螺的一种，机械陀螺本身不具备优良的抗振动特性。而MEMS双质量块陀螺传感器应用系统的使用环境多是振动恶劣环境，所以，对MEMS双质量块陀螺的抗振动要求较高，为了提升MEMS双质量块陀螺的抗振动特性即环境适应性，需要考虑控制抑制机械加工带来的非理想因素。MEMS双质量块陀螺制造工艺以及加工非理想因素造成MEMS双质量块陀螺的左、右质量块非对称性，这种机械机构上的非对称性带来的是MEMS双质量块陀螺的驱动方向幅度信息耦合进检测方向，造成MEMS双质量块陀螺角速率解调误差，该种机械不正交误差信号在振动环境上会放大MEMS双质量块陀螺的结构缺陷，形成振动中误差超差，大大降低了MEMS双质量块陀螺的环境适应性。且MEMS双质量块陀螺的机械不正交误差也会叠加在MEMS双质量块陀螺的角速率输出端，是MEMS双质量块陀螺重复性、漂移特性超差的主要原因。
发明内容
本发明的目的是提升MEMS双质量陀螺的抗振动特性及提升MEMS双质量块陀螺的重复性、漂移特性。针对MEMS双质量块陀螺的左、右质量块由于工艺的不一致性形成的这种结构不对称，这种结构不对称造成的机械不正交误差，这种误差大大降低MEMS双质量块陀螺的抗振动特性和全温重复性指标。
通过MEMS双质量块陀螺的相位解调技术对机械不正交误差信号进行解析，并将误差累加后进入典范型控制器架构，形成有效的误差反馈机制，误差值以+2.5V直流电平为直流力矩，以差分信号的形式加到MEMS双质量陀螺的检测方向施加平行板电容上，利用平行板上施加的直流力矩，矫正MEMS双质量块陀螺在检测方向的误差，切断MEMS双质量块陀螺驱动耦合到检测方向的通道，使MEMS双质量块陀螺的左、右质量块在检测方向不存在机械不正交误差信号，MEMS双质量块陀螺就不存在机械不正交误差项，提升MEMS双质量块陀螺坑振动特性的同时也有着良好的漂移、重复性特性，在MEMS双质量块陀螺的角速率输出通道消除机械不正交误差的影响。最后大大提升MEMS双质量块陀螺的抗振动指标及全温重复性、零偏稳定性指标。
本发明的技术方案：
一种补偿MEMS双质量块陀螺机械不正交误差的微机械结构，所述结构包括:MEMS双质量块陀螺的双质量块、MEMS双质量块陀螺的驱动检测框、MEMS双质量块陀螺的检测检测框、耦合梁、机械不正交补偿电极、MEMS双质量块陀螺的驱动的检测梳齿、MEMS双质量块陀螺检测方向的检测梳齿；MEMS双质量块陀螺基于科里奥力原理进行角速率的检测。MEMS双质量块陀螺利用驱动梳齿对双质量块驱动框和双质量块进行驱动，驱动框在驱动方向和质量块是刚性连接，驱动框带动质量块在驱动方向上为谐振工作状态、通过稳定驱动幅度、达到稳定的科里奥力效应来检测惯性空间的角速率，耦合梁保证驱动方向的刚度大。MEMS双质量块陀螺的检测框是通过耦合梁刚性连接双质量块，质量块与检测框的刚度小，检测科里奥力效应产生检测方向的位移，位移由于陀螺驱动方向的误差信号耦合进检测方向形成MEMS双质量块陀螺机械不正交误差，MEMS双质量块陀螺采用在检测质量块的检测方向加入平行极板电容的方式，在平行极板上加入直流电平项来抵消机械不正交误差信号，即采用机械不正交误差矫正电极的方式，通过施加静电力的作用在MEMS双质量块陀螺检测方向，使MEMS双质量块陀螺机械不正交误差矫正后为零。
一种机械不正交误差信号的解调方法，基于权利要求1所述的一种补偿MEMS双质量块陀螺机械不正交误差的微机械结构而实现，所述方法利用检测框产生的位移形成的电容变化，再通过相位解调的方式确定机械误差信号，其中的解调相位是通过驱动环路的锁相环输出信号移相得到，得到的机械误差信号通过累加后放大成机械不正交误差信号，形成较高的闭环前向通道增益。
一种机械不正交误差信号的解调方法，所述方法还采取以下步骤：对机械不正交误差信号完成解调累加后，采用直接—II型控制器架构形成有效的PID控制。PID控制器为闭环系统提供两个极点、两个零点，其中，零点能够抵消被控系统的极点以增加闭环系统的动态特性以及超调量性质。机械不正交误差的反馈相位信息是通过驱动环路的位移自解调信号移相而来。
一种机械不正交误差信号的解调方法，所述方法还采取以下步骤：产生机械不正交误差信号的反馈量，该反馈量以权利要求1的机械结构为基础，在机械不正交闭环电极上施加+2.5V±ΔV的电平，其中，质量块上施加0V电压，ΔV反映的是权利要求3中的机械不正交误差类加信号的值，与+2.5V形成直流力矩使机械不正交误差项为零。
本发明具有的优点和有益效果：
本发明有效提升MEMS双质量块陀螺的抗振动特性，测试数据如表1所示，振中X、Y、Z三个轴向的零偏稳定性都提升了一个数量级，由几十度/小时提升到几度/小时，MEMS双质量块陀螺的振中零偏的减小可以大大提升MEMS双质量块陀螺的振动环境适应性。拓展MEMS双质量块陀螺的应用领域，可以在高振动环境下的系统加以应用。由静态、低振动环境的应用环境拓展到高振动的机载、弹载环境下，MEMS双质量块陀螺的机械不正交闭环控制方法的成功可以拓展MEMS双质量块陀螺的应用环境。
本发明对提升MEMS双质量块陀螺的定温重复性也有着有益结果，测试结果表明1#、2#两块采用机械不正交闭环控制技术的MEMS双质量块陀螺传感器的稳定性、漂移指标比普通的MEMS双质量块陀螺优势明显，零偏重复性、零偏稳定性指标都提升了一个数量级。这样使MEMS双质量块陀螺的在全温变化剧烈的环境下零偏稳定性不至于恶化，拓展了MEMS双质量块陀螺的应用场合，适应于温变剧烈的井下测量以及环境恶劣的轨道测量等领域。
表1MEMS双质量块陀螺闭环振动测试结果
附图说明
图1MEMS双质量块陀螺机械不正交误差控制示意图
图2是MEMS双质量块陀螺左、右质量块机械不正交矫正电极示意图
图3MEMS双质量块陀螺左、右质量块机械不正交矫正电极示意图
图4MEMS双质量块陀螺机械不正交误差控制器架构
具体实施方式
一种补偿MEMS双质量块陀螺机械不正交误差的微机械结构，所述结构包括:MEMS双质量块陀螺的双质量块、MEMS双质量块陀螺的驱动检测框、MEMS双质量块陀螺的检测检测框、耦合梁、机械不正交补偿电极、MEMS双质量块陀螺的驱动的检测梳齿、MEMS双质量块陀螺检测方向的检测梳齿；MEMS双质量块陀螺基于科里奥力原理进行角速率的检测。MEMS双质量块陀螺利用驱动梳齿对双质量块驱动框和双质量块进行驱动，驱动框在驱动方向和质量块是刚性连接，驱动框带动质量块在驱动方向上为谐振工作状态、通过稳定驱动幅度、达到稳定的科里奥力效应来检测惯性空间的角速率，耦合梁保证驱动方向的刚度大。MEMS双质量块陀螺的检测框是通过耦合梁刚性连接双质量块，质量块与检测框的刚度小，检测科里奥力效应产生检测方向的位移，位移由于陀螺驱动方向的误差信号耦合进检测方向形成MEMS双质量块陀螺机械不正交误差，MEMS双质量块陀螺采用在检测质量块的检测方向加入平行极板电容的方式，在平行极板上加入直流电平项来抵消机械不正交误差信号，即采用机械不正交误差矫正电极的方式，通过施加静电力的作用在MEMS双质量块陀螺检测方向，使MEMS双质量块陀螺机械不正交误差矫正后为零。
一种机械不正交误差信号的解调方法，基于权利要求1所述的一种补偿MEMS双质量块陀螺机械不正交误差的微机械结构而实现，所述方法利用检测框产生的位移形成的电容变化，再通过相位解调的方式确定机械误差信号，其中的解调相位是通过驱动环路的锁相环输出信号移相得到，得到的机械误差信号通过累加后放大成机械不正交误差信号，形成较高的闭环前向通道增益。
一种机械不正交误差信号的解调方法，所述方法还采取以下步骤：对机械不正交误差信号完成解调累加后，采用直接—II型控制器架构形成有效的PID控制。PID控制器为闭环系统提供两个极点、两个零点，其中，零点能够抵消被控系统的极点以增加闭环系统的动态特性以及超调量性质。机械不正交误差的反馈相位信息是通过驱动环路的位移自解调信号移相而来。
一种机械不正交误差信号的解调方法，所述方法还采取以下步骤：产生机械不正交误差信号的反馈量，该反馈量以权利要求1的机械结构为基础，在机械不正交闭环电极上施加+2.5V±ΔV的电平，其中，质量块上施加0V电压，ΔV反映的是权利要求3中的机械不正交误差类加信号的值，与+2.5V形成直流力矩使机械不正交误差项为零。
下面的结合附图对本发明进行详细的说明。
本发明的原理：
MEMS双质量块陀螺是一种新型角速率传感器。其基本原理是基于机械谐振的哥式力效应，即在MEMS双质量块陀螺驱动方向上保持驱动幅度的稳定性，为哥氏力效应提供稳定的环境，便于利用哥氏力效应测试陀螺角速率。MEMS双质量块陀螺本质上为机械陀螺的一种，机械陀螺本身不具备优良的抗振动特性。本发明就是基于MEMS双质量块陀螺的机械不正交补偿电极做出的机械不正交反馈闭环陀螺，目的是矫正MEMS双质量块陀螺由于工艺不一致性带来的左、右质量块不对称情况，在陀螺振动测试过程中，表头机械结构受影响较大，振动能量耦合进表头放大误差信息，当机械不正交闭环后，该误差项接近于零，性能大大提升。降低机械不正交对MEMS双质量块陀螺的抗振性、零偏稳定性的影响。
MEMS双质量块陀螺机械不正交闭环控制的基本架构如图1所示，MEMS双质量块陀螺检测通道通过驱动环路提取的相位进行机械不正交误差信号的解调，在角速率解调模块内完成误差的累加计算，误差信号经过放大后进入低通滤波环节，利用直接型环路控制器架构对误差信号进行闭环反馈，反馈的误差量施加在+2.5V的直流力矩下，以差分信号的形式加到机械不正交闭环电极的两端(即Q1、Q2、Q3、Q4上)来起到矫正机械不正交误差的作用。
如图2所示，将Q1、Q2补偿电极对应的质量块命名为左质量块，将Q3、Q4补偿电极对应的质量块命名为右质量块。如图3所示MEMS双质量块陀螺左、右质量块机械不正交左右检测电极未分开的前提下，最终机械不正交为零的状态是异向模态(B)，机械不正交补偿力矩都是顺时针矫正力矩，推测MEMS双质量块陀螺机械不正交初始模态可能存在同向模态(A)、异向模态(B)两种模态，无法根据施加的矫正力矩的方向推测MEMS双质量块陀螺质量块的初始模态。无论MEMS双质量块陀螺初始机械不正交模态是同向模态(A)，还是异向模态(B)，那对于左、右质量块加入同向的(顺时针或者逆时针)矫正力矩，最终达到异向模态(B)中正、逆机械不正交之和为零的稳定态。
MEMS双质量块陀螺左、右质量块分别加机械不正交补偿电极，检测为合检测通道。其中，Q1相对于Q2接高电压质量块产生顺时针力矩，反之，产生逆时针力矩，Q3相对于Q4接高电压质量块产生逆时针力矩，反之，产生顺时针力矩，机械不正交补偿电极如图3所示。
施力反馈情况如上所示，MEMS双质量块陀螺的机械不正交反馈的施力结构就明确了，而机械不正交的误差提取，主要依据是MEMS双质量块陀螺驱动环路的驱动频率稳定的PLL电路的相位提取，该相位移相后作为机械不正交误差信号的解调相位，按照该相位对MEMS双质量块陀螺的检测通道信号进行解调并累加，放大MEMS双质量块陀螺的机械不正交误差信号，便于后续控制器进行闭环控制，机械不正交误差进入低通滤波器之后，滤出机械不正交的高频分量，低频的有效信息进入直接_II型控制器。
直接_II型控制器根据表头的二阶系统传递函数的极点，利用直接_II型架构形成的零点来对消表头的传递函数的极点，使闭环系统遗留下来的主极点满足MEMS双质量块陀螺的机械不正交闭环性能特性。整体控制器的架构如图4所示。直接_II型控制器的架构也可以根据零、极点的位置换置为滤波器，这样也利于硬件电路的复合应用。
机械不正交误差信号经过控制器后，以差分电压的形式将误差加入到机械不正交反馈电极上，即+2.5V±ΔV的形式，±ΔV反应的是机械不正交反馈的误差项，+2.5V是直流反馈力矩，该直流反馈改变MEMS双质量块陀螺的检测通道矫正力矩，施加MEMS双质量块陀螺检测通道顺时针、逆时针矫正力矩后MEMS双质量块陀螺的左、右质量块达到检测方向的力矩平衡，来抵消MEMS双质量块陀螺的左、右机械不正交的对称性，MEMS双质量块陀螺的机械不正交误差得到加以抑制，提升MEMS双质量块陀螺的抗振动特性以及MEMS双质量块陀螺的重复性、零偏稳定性。
实施例一
MEMS双质量块陀螺产品加入机械不正交闭环功能之后，MEMS双质量块陀螺机械不正交误差项在全温环境下均可以保持稳定。即采用机械不正交闭环技术的MEMS双质量块陀螺可以将陀螺的机械不正交项闭环控制趋进为零。
当MEMS双质量块陀螺的机械不正交误差项为零后，MEMS双质量块陀螺的振中误差大大降低，陀螺在振动环境中不存在机械不正交误差项，使陀螺的抗振动特性大大增强，加入机械不正交闭环功能的MEMS双质量块陀螺在系统应用中，即飞行管理系统、飞弹航姿系统中充分利用MEMS双质量块陀螺的性能优势。
在本项应用场合中，选用低频特性优良的控制器参数，使MEMS双质量块陀螺的机械不正交闭环特性在低频段通带增益稳定，高频段抑制比高，充分利用机械不正交闭环的对MEMS双质量块陀螺性能的提升。
实施例二
MEMS双质量块陀螺产品加入机械不正交闭环功能之后，MEMS双质量块陀螺的全温重复性测试性能提升了一个数量级，使MEMS双质量块陀螺的全温零偏稳定性指标提升了一个数量级(如表1所示)，这样，使MEMS双质量块陀螺在测量系统方面的应用更加理想，使MEMS双质量块陀螺在井下轨迹测量、轨道轨迹测量等领域充分体现MEMS双质量块陀螺的应用优势。系统在井下轨迹测量、轨道轨迹测量等领域的应用场合中，对温度的影响要求较高，井下环境温度变化大，轨道轨迹测量外界环境变化大，所以，系统的外界环境温度变化较大，这势必对MEMS双质量块陀螺的重复性、零偏稳定性的要求提高了很多，加入MEMS双质量块陀螺机械不正交闭环后，大大降低了MEMS双质量块陀螺的环境因素误差影响，MEMS双质量块陀螺的全温零偏重复性、零偏稳定性大大提升，整体系统的测试指标大大提升。

Claims (4)

1.一种补偿MEMS双质量块陀螺机械不正交误差的微机械结构，其特征在于，所述结构包括:MEMS双质量块陀螺的双质量块、MEMS双质量块陀螺的驱动检测框、MEMS双质量块陀螺的检测检测框、耦合梁、机械不正交补偿电极、MEMS双质量块陀螺的驱动的检测梳齿、MEMS双质量块陀螺检测方向的检测梳齿；MEMS双质量块陀螺基于科里奥力原理进行角速率的检测。MEMS双质量块陀螺利用驱动梳齿对双质量块驱动框和双质量块进行驱动，驱动框在驱动方向和质量块是刚性连接，驱动框带动质量块在驱动方向上为谐振工作状态、通过稳定驱动幅度、达到稳定的科里奥力效应来检测惯性空间的角速率，耦合梁保证驱动方向的刚度大。MEMS双质量块陀螺的检测框是通过耦合梁刚性连接双质量块，质量块与检测框的刚度小，检测科里奥力效应产生检测方向的位移，位移由于陀螺驱动方向的误差信号耦合进检测方向形成MEMS双质量块陀螺机械不正交误差，MEMS双质量块陀螺采用在检测质量块的检测方向加入平行极板电容的方式，在平行极板上加入直流电平项来抵消机械不正交误差信号，即采用机械不正交误差矫正电极的方式，通过施加静电力的作用在MEMS双质量块陀螺检测方向，使MEMS双质量块陀螺机械不正交误差矫正后为零。
2.一种机械不正交误差信号的解调方法，基于权利要求1所述的一种补偿MEMS双质量块陀螺机械不正交误差的微机械结构而实现，其特征在于，所述方法利用检测框产生的位移形成的电容变化，再通过相位解调的方式确定机械误差信号，其中的解调相位是通过驱动环路的锁相环输出信号移相得到，得到的机械误差信号通过累加后放大成机械不正交误差信号，形成较高的闭环前向通道增益。
3.根据权利要求2所述的一种机械不正交误差信号的解调方法，其特征在于，所述方法还采取以下步骤：对机械不正交误差信号完成解调累加后，采用直接—II型控制器架构形成有效的PID控制。PID控制器为闭环系统提供两个极点、两个零点，其中，零点能够抵消被控系统的极点以增加闭环系统的动态特性以及超调量性质。机械不正交误差的反馈相位信息是通过驱动环路的位移自解调信号移相而来。
4.根据权利要求2或3所述的一种机械不正交误差信号的解调方法，其特征在于，所述方法还采取以下步骤：产生机械不正交误差信号的反馈量，该反馈量以权利要求1的机械结构为基础，在机械不正交闭环电极上施加+2.5V±ΔV的电平，其中，质量块上施加0V电压，ΔV反映的是权利要求3中的机械不正交误差类加信号的值，与+2.5V形成直流力矩使机械不正交误差项为零。
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