CN109029498B - 一种用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控系统 - Google Patents

一种用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控系统 Download PDF

Info

Publication number
CN109029498B
CN109029498B CN201810617245.7A CN201810617245A CN109029498B CN 109029498 B CN109029498 B CN 109029498B CN 201810617245 A CN201810617245 A CN 201810617245A CN 109029498 B CN109029498 B CN 109029498B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mode
modal
reciprocity
module
conversion circuit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810617245.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109029498A (zh
Inventor
李宏生
吕正
邢博文
丁徐锴
黄丽斌
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN201810617245.7A priority Critical patent/CN109029498B/zh
Publication of CN109029498A publication Critical patent/CN109029498A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109029498B publication Critical patent/CN109029498B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C25/00—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass
    • G01C25/005—Manufacturing, calibrating, cleaning, or repairing instruments or devices referred to in the other groups of this subclass initial alignment, calibration or starting-up of inertial devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控系统，带有基于模态互易的补偿模块，可以减小零偏误差，降低零偏漂移，实现测量控制与补偿的一体化；本发明采用FPGA实现数字测控系统及模态互易技术，可以复用数字测控系统，便于节约资源和数字电路调试；本发明采用RS485串口通信，可与上位机直接进行通信，便于数据采集。

Description

一种用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控系统
技术领域
本发明涉及硅微陀螺仪领域，特别是涉及一种用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控系统。
背景技术
硅微机械陀螺仪是MEMS技术在惯性导航领域的重要应用之一，具有体积小、重量轻、成本低、可批量生产、易于集成等优点，在越来越多的领域得到了广泛的应用。振环硅微陀螺仪作为硅微机械陀螺仪的一种，具有较高的对称性，其驱动模态和检测模态参数相近，可以实现驱动模态和检测模态的互换。
振环硅微陀螺仪具有两个工作模态，驱动模态利用在电容极板上施加交流电压，产生静电驱动力，使其环形谐振子产生四波腹振动的驻波；当有角速度输入时，驻波振型产生进动，在检测模态上可以检测到电容检测信号，其大小正比于输入角速度。由于加工工艺的影响，振环硅微陀螺仪会存在结构误差，产生零偏误差信号，因此利用振环硅微陀螺仪的高度对称性，实现模态互易进行零偏误差补偿。
振环硅微陀螺仪受结构设计和加工工艺的影响，会存在一定的结构误差，导致零偏误差的出现。现有消除零偏的方法主要有温度控制、算法补偿等方法，温度控制方法功耗高，可控温度范围较低；而算法补偿方法对于重复性较差的陀螺效果较差，可靠性不高，算法适用性较差。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控系统。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控系统，包括振环硅微陀螺仪，振环硅微陀螺仪包括第一模态检测电极、第一模态驱动电极、第二模态检测电极和第二模态驱动电极，第一模态检测电极输出信号至第一C/V转换电路，第一C/V转换电路输出信号至第一A/D转换电路，第一A/D转换电路输出信号至第一选通模块，第二模态检测电极输出信号至第二C/V转换电路，第二C/V转换电路输出信号至第二A/D转换电路，第二A/D转换电路也输出信号至第一选通模块，第一选通模块分别输出信号至基于锁相环和自动增益控制的控制模块和基于自动增益控制的力反馈控制模块，基于锁相环和自动增益控制的控制模块输出驱动信号至第二选通模块，基于自动增益控制的力反馈控制模块输出力反馈信号至第二选通模块和模态互易补偿模块，模态互易补偿模块输出信号至串口通信模块，串口通信模块与上位机进行通信；还包括模态互易选通控制模块，模态互易选通控制模块输出信号至第一选通模块和第二选通模块，第二选通模块分别输出信号至第一D/A转换电路和第二D/A转换电路，第一D/A转换电路输出信号至第一放大电路，第二D/A转换电路输出信号至第二放大电路，第一放大电路输出信号至第一模态驱动电极，第二放大电路输出信号至第二模态驱动电极。
进一步，所述振环硅微陀螺仪的误差模型为：
Figure GDA0003188104390000021
其中，x为第一模态的位移，y为第二模态的位移；m为第一模态和第二模态的有效质量，c0为第一模态和第二模态的阻尼系数，k0为第一模态和第二模态的刚度系数；ε1、ε2为第一模态和第二模态的质量耦合系数，σ1、σ2为第一模态和第二模态的阻尼耦合系数，μ1、μ2为第一模态和第二模态的刚度耦合系数；fx为第一模态上施加的驱动力，fy为第二模态上施加的驱动力；η为进动系数；Ωin为角速度输入信号。
进一步，当第一模态作为驱动模态，第二模态作为检测模态时，闭环检测零偏误差Ω1根据式(2)得到：
Figure GDA0003188104390000022
式(2)中，bias1为第一模态的陀螺输出零偏信号的电压；SF1为第一模态的标度因数，也即第一模态的电压与角速度的比值；
当第二模态作为驱动模态，第一模态作为检测模态时，闭环检测零偏误差Ω2根据式(3)得到：
Figure GDA0003188104390000023
式(3)中，bias2为第二模态的陀螺输出零偏信号的电压；SF2为第二模态的标度因数，也即第二模态的电压与角速度的比值。
进一步，所述模态互易补偿模块将模态互易前后的角速度检测信号进行处理，得到角速度输出信号Ωout：
Figure GDA0003188104390000031
式(4)中，Ωin为角速度输入信号，Ωnormal为模态互易前的角速度检测信号，如式(5)所示；Ωreversal为模态互易后的角速度检测信号，如式(6)所示；m为第一模态和第二模态的有效质量，c0为第一模态和第二模态的阻尼系数；ε1、ε2为第一模态和第二模态的质量耦合系数，σ1为第一模态的阻尼耦合系数，η为进动系数；
Figure GDA0003188104390000032
式(5)中，σ2为第二模态的阻尼耦合系数；
Figure GDA0003188104390000033
进一步，所述串口通信模块包括RS485通信电路。
有益效果：本发明公开了一种用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控系统，与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明带有基于模态互易的补偿模块，可以减小零偏误差，降低零偏漂移，实现测量控制与补偿的一体化；
2、本发明采用FPGA实现数字测控系统及模态互易技术，可以复用数字测控系统，便于节约资源和数字电路调试；
3、本发明采用RS485串口通信，可与上位机直接进行通信，便于数据采集；
4、本发明功耗低、可控温度范围较高，可靠性高，适应性强。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中系统的框图；
图2为本发明具体实施方式中振环硅微陀螺仪的结构示意图；
图3为本发明具体实施方式中的模态互易时序图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控系统，如图1所示，包括振环硅微陀螺仪100，如图2所示，振环硅微陀螺仪100包括第一模态检测电极1001、第一模态驱动电极1002、第二模态检测电极1003和第二模态驱动电极1004，第一模态检测电极1001输出信号至第一C/V转换电路101，第一C/V转换电路101输出信号至第一A/D转换电路103，第一A/D转换电路103输出信号至第一选通模块111，第二模态检测电极1003输出信号至第二C/V转换电路102，第二C/V转换电路102输出信号至第二A/D转换电路104，第二A/D转换电路104也输出信号至第一选通模块111，第一选通模块111分别输出信号至基于锁相环和自动增益控制的控制模块105和基于自动增益控制的力反馈控制模块106，基于锁相环和自动增益控制的控制模块105输出驱动信号至第二选通模块113，基于自动增益控制的力反馈控制模块106输出力反馈信号至第二选通模块113和模态互易补偿模块1131，模态互易补偿模块1131输出信号至串口通信模块114，串口通信模块114与上位机进行通信；还包括模态互易选通控制模块112，模态互易选通控制模块112输出信号至第一选通模块111和第二选通模块113，第二选通模块113分别输出信号至第一D/A转换电路107和第二D/A转换电路108，第一D/A转换电路107输出信号至第一放大电路109，第二D/A转换电路108输出信号至第二放大电路110，第一放大电路109输出信号至第一模态驱动电极1002，第二放大电路110输出信号至第二模态驱动电极1004。所谓C/V转换电路就是电容/电压转换电路，是将电容转换为电压的电路。
振环硅微陀螺仪100的误差模型为：
Figure GDA0003188104390000041
其中，x为第一模态的位移，y为第二模态的位移；m为第一模态和第二模态的有效质量，c0为第一模态和第二模态的阻尼系数，k0为第一模态和第二模态的刚度系数；ε1、ε2为第一模态和第二模态的质量耦合系数，σ1、σ2为第一模态和第二模态的阻尼耦合系数，μ1、μ2为第一模态和第二模态的刚度耦合系数；fx为第一模态上施加的驱动力，fy为第二模态上施加的驱动力；η为进动系数；Ωin为角速度输入信号。
当第一模态作为驱动模态，第二模态作为检测模态时，闭环检测零偏误差Ω1根据式(2)得到：
Figure GDA0003188104390000051
式(2)中，bias1为第一模态的陀螺输出零偏信号的电压；SF1为第一模态的标度因数，也即第一模态的电压与角速度的比值；
当第二模态作为驱动模态，第一模态作为检测模态时，闭环检测零偏误差Ω2根据式(3)得到：
Figure GDA0003188104390000052
式(3)中，bias2为第二模态的陀螺输出零偏信号的电压；SF2为第二模态的标度因数，也即第二模态的电压与角速度的比值。
模态互易补偿模块1131将模态互易前后的角速度检测信号进行处理，得到角速度输出信号Ωout：
Figure GDA0003188104390000053
式(4)中，Ωnormal为模态互易前的角速度检测信号，如式(5)所示；Ωreversal为模态互易后的角速度检测信号，如式(6)所示；m为第一模态和第二模态的有效质量，c0为第一模态和第二模态的阻尼系数；ε1、ε2为第一模态和第二模态的质量耦合系数，σ1为第一模态的阻尼耦合系数，η为进动系数；模态互易周期性交换的时序如图3所示，对于缓慢变化的角速度输入信号，Meas1、Meas2时间段振环硅微陀螺仪检测角速度信号分别为Ωnormal和Ωreversal；
Figure GDA0003188104390000054
式(5)中，σ2为第二模态的阻尼耦合系数；
Figure GDA0003188104390000055
串口通信模块114包括RS485通信电路，实现与上位机的通信，将所需要的补偿前后的角速度检测信号，驱动幅度、相位、频率等数据进行排序整合，通过RS485通信协议将数据传输到计算机。

Claims (4)

1.一种用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控系统，其特征在于：包括振环硅微陀螺仪(100)，振环硅微陀螺仪(100)包括第一模态检测电极(1001)、第一模态驱动电极(1002)、第二模态检测电极(1003)和第二模态驱动电极(1004)，第一模态检测电极(1001)输出信号至第一C/V转换电路(101)，第一C/V转换电路(101)输出信号至第一A/D转换电路(103)，第一A/D转换电路(103)输出信号至第一选通模块(111)，第二模态检测电极(1003)输出信号至第二C/V转换电路(102)，第二C/V转换电路(102)输出信号至第二A/D转换电路(104)，第二A/D转换电路(104)也输出信号至第一选通模块(111)，第一选通模块(111)分别输出信号至基于锁相环和自动增益控制的控制模块(105)和基于自动增益控制的力反馈控制模块(106)，基于锁相环和自动增益控制的控制模块(105)输出驱动信号至第二选通模块(113)，基于自动增益控制的力反馈控制模块(106)输出力反馈信号至第二选通模块(113)和模态互易补偿模块(1131)，模态互易补偿模块(1131)输出信号至串口通信模块(114)，串口通信模块(114)与上位机进行通信；还包括模态互易选通控制模块(112)，模态互易选通控制模块(112)输出信号至第一选通模块(111)和第二选通模块(113)，第二选通模块(113)分别输出信号至第一D/A转换电路(107)和第二D/A转换电路(108)，第一D/A转换电路(107)输出信号至第一放大电路(109)，第二D/A转换电路(108)输出信号至第二放大电路(110)，第一放大电路(109)输出信号至第一模态驱动电极(1002)，第二放大电路(110)输出信号至第二模态驱动电极(1004)，所述模态互易补偿模块(1131)将模态互易前后的角速度检测信号进行处理，得到角速度输出信号Ωout：
Figure FDA0003188104380000011
式(4)中，Ωin为角速度输入信号，Ωnormal为模态互易前的角速度检测信号，如式(5)所示；Ωreversal为模态互易后的角速度检测信号，如式(6)所示；m为第一模态和第二模态的有效质量，c0为第一模态和第二模态的阻尼系数；ε1、ε2为第一模态和第二模态的质量耦合系数，σ1为第一模态的阻尼耦合系数，η为进动系数；
Figure FDA0003188104380000012
式(5)中，σ2为第二模态的阻尼耦合系数；
Figure FDA0003188104380000013
2.根据权利要求1所述的用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控系统，其特征在于：所述振环硅微陀螺仪(100)的误差模型为：
Figure FDA0003188104380000021
其中，x为第一模态的位移，y为第二模态的位移；m为第一模态和第二模态的有效质量，c0为第一模态和第二模态的阻尼系数，k0为第一模态和第二模态的刚度系数；ε1、ε2为第一模态和第二模态的质量耦合系数，σ1、σ2为第一模态和第二模态的阻尼耦合系数，μ1、μ2为第一模态和第二模态的刚度耦合系数；fx为第一模态上施加的驱动力，fy为第二模态上施加的驱动力；η为进动系数；Ωin为角速度输入信号。
3.根据权利要求2所述的用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控系统，其特征在于：当第一模态作为驱动模态，第二模态作为检测模态时，闭环检测零偏误差Ω1根据式(2)得到：
Figure FDA0003188104380000022
式(2)中，bias1为第一模态的陀螺输出零偏信号的电压；SF1为第一模态的标度因数，也即第一模态的电压与角速度的比值；
当第二模态作为驱动模态，第一模态作为检测模态时，闭环检测零偏误差Ω2根据式(3)得到：
Figure FDA0003188104380000023
式(3)中，bias2为第二模态的陀螺输出零偏信号的电压；SF2为第二模态的标度因数，也即第二模态的电压与角速度的比值。
4.根据权利要求1所述的用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控系统，其特征在于：所述串口通信模块(114)包括RS485通信电路。
CN201810617245.7A 2018-06-15 2018-06-15 一种用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控系统 Active CN109029498B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810617245.7A CN109029498B (zh) 2018-06-15 2018-06-15 一种用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810617245.7A CN109029498B (zh) 2018-06-15 2018-06-15 一种用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109029498A CN109029498A (zh) 2018-12-18
CN109029498B true CN109029498B (zh) 2021-09-28

Family

ID=64609707

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810617245.7A Active CN109029498B (zh) 2018-06-15 2018-06-15 一种用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109029498B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109813927B (zh) * 2019-01-11 2021-04-27 东南大学 一种全对称微机电陀螺仪三轴角速度测量系统
CN109827594B (zh) * 2019-02-27 2023-03-31 东南大学 基于面内模态旋转的轴对称陀螺仪零位自补偿系统及方法
CN109916386B (zh) * 2019-03-13 2023-01-31 东南大学 一种具有抑制高过载后振荡过程功能的振环陀螺仪

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7188523B2 (en) * 2005-08-08 2007-03-13 Northrop Grumman Corporation Vibrating mass gyroscope and method for minimizing bias errors therein
US8561466B2 (en) * 2006-08-07 2013-10-22 Northrop Grumman Systems Corporation Vibratory gyro bias error cancellation using mode reversal
CN102759365B (zh) * 2012-07-12 2014-12-17 中国人民解放军国防科学技术大学 用于硅微机械陀螺的零偏稳定性提升方法及装置
CN104535057B (zh) * 2014-12-26 2018-02-02 东南大学 一种硅微机械线振动式陀螺及其正交误差刚度校正方法
CN107238381A (zh) * 2017-05-23 2017-10-10 东南大学 用于模态匹配状态硅微机械陀螺仪带宽拓展数字校正方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109029498A (zh) 2018-12-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109029498B (zh) 一种用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控系统
CN108253952B (zh) 一种零偏自校准mems陀螺仪及其零偏自校准方法
CN102759365B (zh) 用于硅微机械陀螺的零偏稳定性提升方法及装置
CN103822623B (zh) 一种振动式硅微机械陀螺正交误差闭环补偿电路
CN101968359B (zh) 钟形振子式角速率陀螺
CN101968360B (zh) 一种钟形振子式角速率陀螺的电路系统
CN113532409B (zh) 一种高精度数字mems陀螺控制系统及方法
CN105258689A (zh) 一种数字陀螺仪信号控制处理系统
CN104535057A (zh) 一种硅微机械线振动式陀螺及其正交误差刚度校正方法
CN114383590B (zh) 速率积分陀螺的相位误差辨识和补偿方法
CN102607546A (zh) 用于微机械陀螺的正交误差处理方法及装置
CN104567849A (zh) 一种硅微机械线振动式陀螺及其带宽拓展方法
CN110631570A (zh) 一种用于提升硅微陀螺仪标度因数温度稳定性的系统和方法
CN115451999A (zh) 半球谐振陀螺虚拟哥氏效应生成方法和装置
CN104819710A (zh) 一种具有温度补偿结构的谐振式硅微机械陀螺
CN206378139U (zh) 一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪
CN106441359B (zh) 一种高精度的微机械陀螺现场模态匹配方法
CN103901226A (zh) 三轴硅谐振式加速度计闭环驱动控制与频率检测电路
CN109084742B (zh) 基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法
CN105424979B (zh) 一种单芯片双轴集成硅微谐振式加速度计闭环驱动控制和频率检测电路
CN109827594B (zh) 基于面内模态旋转的轴对称陀螺仪零位自补偿系统及方法
Yin et al. A phase self-correction method for bias temperature drift suppression of MEMS gyroscopes
CN106441261A (zh) 一种微机械陀螺仪
CN210198392U (zh) 一种新型mems谐振式陀螺仪测控装置
CN110879059B (zh) 基于压电陶瓷离面驱动的隧道磁阻效应微陀螺装置及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant