CN108318019A - 测量微机械单振子三轴陀螺仪的三轴角速度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量微机械单振子三轴陀螺仪的三轴角速度的方法，对单振子三轴陀螺仪的两驱动轴振动振幅锁定、定频驱动且频率不同，在z轴产生的检测量经过两个频率信号同相解调可以得到xy轴角速度，z轴角速度会在两驱动轴上产生响应，对驱动轴谐振器输出信号进行解调滤波可以z轴角速度，最终实现单振子三轴角速度测量。本发明采用的测量方法，可以提高结构紧凑、体积小的陀螺仪的检测精度。

Description

测量微机械单振子三轴陀螺仪的三轴角速度的方法
技术领域
本发明涉及一种测量微机械陀螺仪的三轴角速度的方法，尤其涉及一种测量微机械单振子三轴陀螺仪的三轴角速度的方法，属于微机电系统(MEMS)领域。
背景技术
陀螺仪是一种重要的惯性传感器，在诸多领域有着广泛应用。陀螺仪按检测轴数分为单轴、双轴、三轴三种，很多应用场合中都需要三轴陀螺仪。在消费电子等低精度场合一般采用多振子单片集成实现小体积，低功耗；而在中高精度的应用场合，一般采用三个独立单轴陀螺仪机械装配的方法来实现三轴陀螺仪，但这种方式的陀螺仪体积较大，限制了其应用场合。现有的微机械三轴陀螺仪，一般采用多振子单片集成，此类陀螺仪体积小，精度低，或者采用三个单轴陀螺进行装配，此类陀螺仪的体积大，成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高精度和低成本的测量微机械单振子三轴陀螺仪的三轴角速度的方法。
本发明的测量微机械单振子三轴陀螺仪的三轴角速度的方法，其利用驱动模块和检测模块对所述陀螺仪的所述三轴角速度进行测算，所述陀螺仪包括驱动电极(4-7)和振子(1)，所述振子(1)可在x轴和/或y轴上进行弹性振动，所述振子(1)表面上设置有多个振子电极Vdc(12)，在所述多个振子电极Vdc(12)上方排布多个固定电极(4-11)，所述多个固定电极(4-11)包括四个驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)和四个检测电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)，所述驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)和所述检测电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)相互交替分布，所述多个振子电极Vdc(12)与所述多个固定电极(4-11)一一对应，所述驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)和所述振子(1)构成x轴角振动谐振器，用于所述振子(1)的x轴驱动，驱动所述振子(1)在所述x轴的振动，所述驱动电极Vy+(6)、Vy-(7)和振子构成一个y轴角振动谐振器，用于所述振子(1)的y轴驱动，驱动所述振子(1)在所述y轴的振动，所述方法包括以下步骤：
(1)在所述陀螺仪上设置所述驱动模块和所述检测模块，所述驱动模块、所述检测模块和所述陀螺仪之间电连接；
(2)所述驱动模块连接所述四个驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)和所述振子(1)，驱动所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器作同频振动，所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器的振动的振幅恒定、相位差恒定，同时产生控制变量V、驱动谐振频率和相位，当有角速度输入时，所述检测电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)和与所述多个振子电极Vdc(12)之间的电容产生相应的电容变化量ΔCzx+、ΔCzx-、ΔCzy+、ΔCzy-；
(3)所述电容变化量ΔCzx+、ΔCzx-、ΔCzy+、ΔCzy-、所述控制变量V、所述频率驱动谐振频率和所述相位输入到所述检测模块，经过所述检测模块处理后得到所述三轴角速度。
进一步的，所述驱动模块连接陀螺仪的驱动电极(4-7)和振子(1)，所述驱动模块包括三个环路，其中，所述x轴角振动谐振器、跨阻放大器(TIA)和锁相环(PLL)构成第一环路，自动增益控制模块(AGC)、跨阻放大器TIA和所述x轴角振动谐振器构成的第二环路，自动增益控制(AGC)模块、跨阻放大器TIA和所述y轴角振动谐振器构成的第三环路，其中所述第一环路用于驱动所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器作同频振动，第二环路用于使x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器的振幅恒定，所述第一环路、第二环路和第三环路形成为闭环，所述检测模块用于检测出所述陀螺仪的角速度输出量。
进一步的，所述锁相环(PLL)模块由相位探测器(PD)、低通滤波器(LPF)、压控振荡器(VCO)组成。
进一步的，所述锁相环(PLL)模块中所述低通滤波器(LPF)的输出信号V与所述陀螺仪在z轴的角速度有关，用于测量z轴角速度。
进一步的，所述第一环路的所述自动增益控制模块(AGC)由整流器(Rectifier)、低通滤波器(LPF)、比例积分控制器(LPF)组成，所述x轴角振动谐振器通过所述第一环路锁定振幅。
进一步的，所述锁相环(PLL)输出信号进行相移，输入Y轴谐振器作为参考驱动信号，Y轴谐振器的频率与X轴谐振器的频率相同，振幅锁定，大小由变量Vyref调节。
进一步的，所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器两个谐振器频率相等ωd、相差恒定，此时，x轴角度为θ0xcos(ωdt+Δφ)，y轴角速度为θ0ysin(ωdt+Δφ)，z轴角速度在x轴产生的扭矩为-Ixωdθ0ycos(ωdt+Δφ)，在y轴产生的扭矩为-Iyωdθ0xcos(ωdt+Δφ)，其中，θox,θoy分别为xy轴的角振动幅度，Ix,Iy分别为xy轴的转动惯量。
进一步的，所述电容变化量ΔCzx+和ΔCzx-经过CV变换后求和，ΔCzy+和ΔCzy-经过CV变换后求和，两个量在求差，然后经过解调、低通滤波后求得xy轴角速度。
本发明采用单振子结构，振子在两个垂直的轴(xy轴)上驱动做角振动，可以对三轴的角速度敏感，两驱动轴(xy轴)振动振幅锁定、定频驱动且频率不同，在z轴产生的检测量经过两个频率信号同相解调可以得到xy轴角速度，z轴角速度会在两驱动轴上产生响应，对驱动轴谐振器输出信号进行解调滤波可以z轴角速度，最终实现单振子三轴角速度测量。
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1为单振子三轴陀螺仪动力学结构示意图。
图2为单振子三轴陀螺仪结构示意图。
图3为单振子正交驱动三轴陀螺系统结构示意图。
图4为驱动模块系统框图。
图5为检测模块系统框图。
图中：1、机械振子；2、万向节；3、支撑梁；4、x驱动轴正电极Vx+；5、x驱动轴负电极Vx-；6、y驱动轴正电极Vy+；7、y驱动轴负电极Vy-；8、z轴栅型检测电极Vzx+；9、z轴栅型检测电极Vzy+；10、z轴栅型检测电极Vzx-；11、z轴栅型检测电极Vzy-；12、振子电极Vdc。
具体实施方式
本发明的微机械单振子三轴陀螺仪，利用科里奥利效应对振动刚体的作用来检测三轴角速度。如图1所示，一个圆对称转动刚体绕xyz轴的转动惯量分别为Ix,Iy,Iz，在载体坐标系中的角速度为ωx,ωy,ωz，相对惯性坐标系的角速度为Ωx,Ωy,Ωz，而科里奥利效应产生的扭矩为Mx,My,Mz。当xy轴的角度以不同频率变化，且z轴转角为很小时，即θx＝θ0xsinω1t，θy＝θ0y sinω2t，θz≈0(θ0x、θ0y为角振动振幅，ω1、ω2振动为角频率)，在小角度线性近似情况下可以得到科里奥利效应产生的扭矩为：
可以通过自动控制方法(AGC)锁定xy轴的振幅，谐振器输出的信号包含两种频率成分，环路带通滤波器(BPF)只允许该驱动轴的频率信号通过，可以抑制其他频率干扰。而谐振器另引出一路信号经过带通滤波和同相解调，就可以求得z轴角速度Ωz。此外，z轴扭矩Mz会产生一个角度响应θz，这个角度由扭矩Mz和振子结构本身的性质决定，即
其中：Iz为振子对z轴的转动惯量；Dz为振子z轴的阻尼系数；Kz为振子z的轴弹性系数。
当振动频率ω1、ω2远大于待测角速度带宽时，可以求得角度θz可以近似为稳态解：
其中：K为响应的增益；为响应的相移。
角度θz(或其导致的其它物理量，如检查电容)，经过和解调就可以得到xy轴的角速度Ωx,Ωy。
如图2所示的微机械单振子三轴陀螺仪，振子(1)用四根支撑梁(3)固定在万向节(2)上，振子(1)在可在x轴或y轴做弹性振动，万向节(2)为锚点，振子(1)为xy轴对称的圆环形或多边环形，振子(1)上方排布着多个固定电极，其中电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)为驱动电极，栅型电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)为检测电极，振子电极Vdc(12)固定在表面绝缘的圆盘上，具有相同的直流电位。电极Vx+(4)、Vx-(5)和振子(1)构成一个x轴角振动谐振器，电极Vy+(6)、Vy-(7)和振子(1)构成一个y轴角振动谐振器，栅型电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)和振子电极Vdc(12)构成四个检测电容，可以检测振子(1)z轴角位移。
本发明的微机械单振子三轴陀螺仪采用静电驱动、电容检测，如图3-5所示，检测系统由驱动模块和检测模块组成，陀螺在驱动模块闭环控制下，沿xy两轴自激振荡，振幅固定，频率相同，相位正交，同时产生一个与z轴角速度相关的变量V。z轴方向上四个固定电极对应的四个检测电容分别为Czx+、Czx-、Czy+、Czy-，电容值(Czx++Czx-)-(Czx++Czx-)与z轴转角成正比。将变量V和四个电容Czx+、Czx-、Czy+、Czy-输入到检测模块，经过C-V变换后得到电压信号，再用和两个正交信号分别进行解调、滤波、补偿等处理后可以得到待测角速度Ωx,Ωy,Ωz，采用正交信号进行驱动和解调，检测加速度之间的耦合很小，信号处理更为简便。
驱动模块(Driving Module)连接陀螺仪电极Vx+、Vx-、Vy+、Vy-和陀螺振子，驱动xy轴做作同频振动，两驱动轴振幅恒定，相位差恒定，同时产生控制变量V、驱动谐振频率和相位(Driving Frequency and Phase Reference)。当有角速度输入时，检测电极Vzx+、Vzx-、Vzy+、Vzy-和振子结构之间的电容产生相应的变化量ΔCzx+、ΔCzx-、ΔCzy+、ΔCzy-。电容变化量和驱动环路产生的控制变量V、频率、相位输入到检测模块(SensingModule)，经过检测模块处理后得到三轴角速度输出量。
x轴驱动通过锁相环(Phase Locked Loop，PLL)锁定频率，通过自动增益控制(Auto Gain Control，AGC)来锁定振幅。PLL模块由相位探测器(Phase Detector，PD)、低通滤波器(Low Frequency Filter，LPF)、压控振荡器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)组成，AGC模块由整流器(Rectifier)、低通滤波器(LPF)，比例积分控制器(PIController)组成。振子在x轴相当于一个谐振器(xResonator)，驱动扭矩τx经过和外界z轴角速度(大小为Ωz)引起的科里奥利效应扭矩会使xResonator产生一个角度。x轴谐振器经过跨阻放大器(Trans Impedance Amp，TIA)、PLL模块组成闭环可以锁定谐振频率，而与AGC模块组成的闭环可以锁定振幅，振幅大小可以通过变量Vxref调节。
PLL中LPF的输出信号V与z角速度有关，可以用来测量z轴角速度。
PLL输出信号(VCO端输出)进行一定相移(例如-90°相移)输入到y轴谐振器(yResonator)作为参考驱动信号，y轴谐振器与TIA和AGC组成闭环。y轴的稳定频率与x轴相同，幅度锁定，其大小可以由变量Vyref调节。此外，y轴谐振器也会受到z轴角度的影响。
当三个环路稳定时，xy轴连个谐振器频率相等ωd、相差恒定(例如-90°)。此时，x轴角度为θ0xcos(ωdt+Δφ)，y轴角速度为θ0ysin(ωdt+Δφ)，z轴角速度科里奥利效应在x轴产生的扭矩为-Ixωdθ0ycos(ωdt+Δφ)，在y轴产生的扭矩为-Iyωdθ0xcos(ωdt+Δφ)，其中，θox,θoy分别为xy轴的角振动幅度，Ix,Iy分别为xy轴的转动惯量。
检测电容变化量ΔCzx+和ΔCzx-经过CV变换后求和，ΔCzy+和ΔCzy-经过CV变换后求和，两个量在求差，然后经过解调、低通滤波(LPF)后求得xy轴角速度Ωx和Ωy。差量解调参考信号相位相差90°，即cos(ωdt+Δφ)和sin(ωdt+Δφ)。
以上只是本发明的优选实施方式，本领域技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对本发明的改进或变动，应当理解为仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种测量微机械单振子三轴陀螺仪的三轴角速度的方法，其利用驱动模块和检测模块对所述陀螺仪的所述三轴角速度进行测算，所述陀螺仪包括驱动电极(4-7)、振子(1)、驱动模块和检测模块，所述振子(1)可在x轴和/或y轴上进行弹性振动，所述振子(1)表面上设置有多个振子电极Vdc(12)，在所述多个振子电极Vdc(12)上方排布多个固定电极(4-11)，所述多个固定电极(4-11)包括四个驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)和四个检测电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)，所述驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)和所述检测电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)相互交替分布，所述多个振子电极Vdc(12)与所述多个固定电极(4-11)一一对应，所述驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)和所述振子(1)构成x轴角振动谐振器，所述驱动电极Vy+(6)、Vy-(7)和振子构成一个y轴角振动谐振器，所述驱动模块连接所述四个驱动电极Vx+(4)、Vx-(5)、Vy+(6)、Vy-(7)和所述振子(1)，驱动所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器作同频振动，所述方法包括以下步骤：
(1)所述驱动模块驱动所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器作同频振动，所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器的振动的振幅恒定、相位差恒定，同时产生控制变量V、驱动谐振频率和相位，所述检测电极Vzx+(8)、Vzx-(9)、Vzy+(10)、Vzy-(11)和与所述多个振子电极Vdc(12)之间的电容产生相应的电容变化量ΔCzx+、ΔCzx-、ΔCzy+、ΔCzy-；
(2)所述电容变化量ΔCzx+、ΔCzx-、ΔCzy+、ΔCzy-、所述控制变量V、所述频率驱动谐振频率和所述相位输入到所述检测模块，经过所述检测模块处理后得到所述三轴角速度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述驱动模块连接陀螺仪的驱动电极(4-7)和振子(1)，所述驱动模块包括三个环路，其中，所述x轴角振动谐振器、跨阻放大器(TIA)和锁相环(PLL)构成第一环路，自动增益控制模块(AGC)、跨阻放大器TIA和所述x轴角振动谐振器构成的第二环路，自动增益控制(AGC)模块、跨阻放大器TIA和所述y轴角振动谐振器构成的第三环路，其中所述第一环路用于驱动所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器作同频振动，第二环路用于使x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器的振幅恒定，所述第一环路、第二环路和第三环路形成为闭环，三个环路之间电连接。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述锁相环(PLL)模块由相位探测器(PD)、低通滤波器(LPF)、压控振荡器(VCO)组成。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述锁相环(PLL)模块中所述低通滤波器(LPF)的输出信号V与所述陀螺仪在z轴的角速度有关，用于测量z轴角速度。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一环路的所述自动增益控制模块(AGC)由整流器(Rectifier)、低通滤波器(LPF)、比例积分控制器(LPF)组成，所述x轴角振动谐振器通过所述第一环路锁定振幅。
6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述锁相环(PLL)输出信号进行相移，输入Y轴谐振器作为参考驱动信号，Y轴谐振器的频率与X轴谐振器的频率相同，振幅锁定，大小由变量Vyref调节。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当三个环路稳定时，所述x轴角振动谐振器和所述y轴角振动谐振器两个谐振器频率相等ωd、相差恒定，此时，x轴角度为θ0xcos(ωdt+△φ)，y轴角速度为θ0ysin(ωdt+△φ)，z轴角速度在x轴产生的扭矩为-Ixωdθ0ycos(ωdt+△φ)，在y轴产生的扭矩为-Iyωdθ0xcos(ωdt+△φ)，其中，θox,θoy分别为xy轴的角振动幅度，Ix,Iy分别为xy轴的转动惯量。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电容变化量ΔCzx+和ΔCzx-经过CV变换后求和，ΔCzy+和ΔCzy-经过CV变换后求和，两个量在再差，然后经过解调、低通滤波后求得xy轴角速度。
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