CN108535511B - 基于静电负刚度频率解算的fm加速度计力平衡检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于静电负刚度频率解算的FM加速度计力平衡控制方法，首先构建谐振器闭环自激控制系统，在自激驱动环路中加入幅度自动控制环节，使得谐振器稳幅振动在其自然谐振频率点；然后检测谐振频率，进行PI控制，确定调谐电压，使结构维持在初始平衡位置；最后检测平衡后的谐振频率，确定加速度值。本发明扩大了加速度计的量程，提高了加速度计标度因数的线性度。

Description

基于静电负刚度频率解算的FM加速度计力平衡检测方法

技术领域

本发明涉及力平衡检测技术，具体涉及一种基于静电负刚度频率解算的FM加速度计力平衡控制方法。

背景技术

静电负刚度频率调制加速度计(FM加速度计)的零偏稳定性受电路噪声和温度漂移的干扰较小，能够满足导航对加速度计的检测要求，被广泛应用在车载导航组合系统中。

FM加速度计一般采取开环检测模式。如图1所示，FM加速度计的敏感结构由两个质量块、驱动梳齿、驱动检测梳齿、静电刚度调谐平板电容组成。驱动模态为双质量的反相运动(如图2所示)，敏感模态为双质量块的同相运动(如图3所示)。开环检测模式是在驱动电级上施加驱动力，使得两个质量块发生反相的振动，在静电刚度电极上施加直流电压，产生静电负刚度效应，结构的谐振频率发生改变，当有加速度输入的情况下，加速度使敏感模态(同相模态)产生位移，静电刚度调谐平板间的间距发生改变，驱动模态频率改变，通过谐振器频率的变化则可解算出输入的加速度。然而，开环检测下结构位移受限，加速度计的量程较小，标度因数的线性度较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于静电负刚度频率解算的FM加速度计力平衡控制方法，扩大了加速度计的量程，提高了加速度计标度因数的线性度。

实现本发明目的的技术解决方案为：基于静电负刚度频率解算的FM加速度计力平衡控制方法，包括如下步骤：

步骤1、构建谐振器闭环自激控制系统：在自激驱动环路中加入幅度自动控制环节，使得谐振器稳幅振动在其自然谐振频率点；

步骤2、进行闭环力平衡控制：检测谐振频率，进行PI控制，确定调谐电压，使结构维持在初始平衡位置；

步骤3、确定加速度：检测平衡后的谐振频率，确定加速度值。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1)本发明通过力平衡闭环控制，使得结构一直处于平衡状态，消除了开环检测下结构位移受限，扩大了加速度计的量程，同时，使得加速度计的输入与频率输出满足固定的公式α＝ω²+βV²，消除了开环检测下静电负刚度非线性大的问题，提高了加速度计的标度因数的线性度；2)本发明基于静电负刚度频率调制的MEMS加速度计，既降低了电路噪声对输出的影响，又避免了谐振式加速度计由于应力检测引起的温度问题。

附图说明

图1是加速度计谐振器结构示意图。

图2是加速度计谐振器反相运动示意图。

图3是加速度计谐振器同相运动示意图。

图4是本发明力平衡控制方法流程图。

图5是谐振器闭环驱动控制流程图。

图6是基于复位计数器的频率测量原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

设ω_n是没有调谐电压的情况下的结构自然谐振角频率，ω是调谐电压的情况下的结构谐振角频率，m是检测模态的等效质量,a是施加的加速度，N是调谐平板电极的数量，t是结构的厚度,b调谐平板电极的长度,d₁、d₂调谐平板电极间的距离，ε₀是静电常数，F_e0为初始静电力的大小，V₀为初始调谐电压，V是调谐电压的大小，F_e为静电力的大小，k_m为结构机械刚度大小，k_e为静电刚度大小，x₀位初始电容间距，x为电容值间距变化值。

根据图1的结构形式，平板调谐电极静电力可表示为：

定义k_e为单位位移引起的静电力，对x求偏导可得：

在初始的情况，结构的位移x为0，则k_e简化为：

假设初始情况下下施加一个V₀大小的静电调谐电压，则初始静电力可表示为：

当有加速度输入的情况下，调谐电压改变，以平衡加速度计产生的惯性力：

化简得到调谐电压V和加速度的关系为：

考虑静电负刚度效应结构的谐振频率可表示为：

代入静电刚度公式

得：

化简得：

令α＝w_n ²，

则α＝w²+βV²，其中α，β为只与结构相关的参数。可以看出，谐振频率w和调谐电压V满足固定关系，因此通过调整二者关系，可以控制结构达到平衡状态。

此时加速度a和频率w的关系可表示为：

令

则

其中φ、

为只与结构相关的参数。可以看出，谐振频率w与加速度a满足固定关系，测得谐振频率的大小，便可得到加速度的大小。

综上所述，本发明提出一种基于静电负刚度频率解算的MEMS加速度计力平衡控制方法，通过调整调谐电压控制结构达到平衡状态，进而测量谐振频率，确定加速度，具体步骤如下：

步骤1、构建谐振器闭环自激控制系统：在自激驱动环路中加入幅度自动控制环节，使谐振器稳幅振动在其自然谐振频率点，降低幅度刚度耦合效应的影响。

谐振器闭环自激驱动系统(如图5)主要包括模拟前放电路(放大和差分)、ADC/DAC转换电路、幅度检测电路、PI控制、乘法器等。模拟前放电路对谐振器出来的小电流信号进行放大转化为电压信号，再经过差分，消除一些共模误差，进入数字电路进行进一步的处理。数字与模拟电路之间采用16位的ADC和DAC进行数据转换。幅度检测和PI控制及乘法器环节在数字电路中实现，为了让谐振器的振幅维持在一个定值，数字电路里面首先对谐振器的幅值进行检测，然后与参考幅度信号作差，形成误差控制信号，进入PI，控制PI输出，调整驱动信号值，使得检测得到的振动幅度保持在固定值。

步骤2、进行闭环力平衡控制：检测谐振频率，进行PI控制，确定调谐电压，使结构维持在初始平衡位置。如图4所示，闭环检测控制系统包括频率检测、平方运算求和、参考作差和PI控制四个环节，具体控制方法如下：

步骤2.1、对谐振器闭环自激控制系统施加初始调谐电压，并检测谐振频率；

步骤2.2、将谐振频率与初始调谐电压进行平方运算求和：

w²+βV₀ ²

式中，ω为谐振器的谐振角频率，V₀为初始调谐电压值，α、β为只与谐振器结构相关的参数；

步骤2.3、将求和结果与初始无调谐电压下的自然谐振频率的平方作差，并对作差结果进行PI控制，确定使结构维持在初始平衡位置的调谐电压。

步骤3、确定加速度：检测平衡后的谐振频率，确定加速度值，具体公式为：公式为：

式中，ω是没有调谐电压的情况下的结构自然谐振角频率，ω_n是调谐电压的情况下的结构谐振角频率，a是施加的加速度，φ、

为只与结构相关的参数。本实施例基于复位计数器的原理测量谐振器频率，如图6所示，通过计数器连续记录晶体振荡器参考时钟的上升沿数，谐振器输出信号的每一个上升边缘到达时，计算两个相邻时刻计数器的差值，确定振器输出信号频率与参考时钟频率之间的比率，进而确定谐振器的频率。

Claims (3)

1.基于静电负刚度频率解算的FM加速度计力平衡控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、构建谐振器闭环自激控制系统：在自激驱动环路中加入幅度自动控制环节，使得谐振器稳幅振动在其自然谐振频率点；

步骤2、进行闭环力平衡控制：检测谐振角频率，进行PI控制，确定调谐电压，使结构维持在初始平衡位置；

步骤3、确定加速度：检测平衡后的谐振角频率，确定加速度值；

步骤2具体为：

步骤2.1、对谐振器闭环自激控制系统施加初始调谐电压，并检测谐振角频率；

步骤2.2、将谐振角频率与初始调谐电压进行平方运算求和：

w²+βV₀ ²

式中，w为谐振器的谐振角频率，V₀为初始调谐电压值，α、β为只与谐振器结构相关的参数；

步骤2.3、将求和结果与初始无调谐电压下的谐振角频率的平方作差，并对作差结果进行PI控制，确定使结构维持在初始平衡位置的调谐电压。

2.根据权利要求1所述的FM加速度计力平衡控制方法，其特征在于，步骤3基于复位计数器的原理测量谐振器频率，具体为：通过计数器连续记录晶体振荡器参考时钟的上升沿数，谐振器输出信号的每一个上升边缘到达时，计算两个相邻时刻计数器的差值，确定振器输出信号频率与参考时钟频率之间的比率，进而确定谐振器的频率。

3.根据权利要求1所述的FM加速度计力平衡控制方法，其特征在于，步骤3确定加速度值的公式为：

式中，w是没有调谐电压的情况下的结构自然谐振角频率，w_n是具有调谐电压的情况下的结构谐振角频率，a是施加的加速度，φ、

为只与结构相关的参数。

Images