CN109324210B - 补偿控制器及mems加速度计闭环伺服专用集成电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种补偿控制器，包括运算放大器、电阻一、电阻二、电容一、电容二、开关一、开关二和开关三；补偿输入端连接电阻一后连接至运算放大器的的反向输入端，所述运算放大器的正向输入端接地，其输出端连接反馈输出端；电容一连接补偿输入端和运算放大器的反向输入端；所述开关一和电容一串联；所述电阻二、开关三和电容二串联后的整体一端连接运算放大器的输出端，另一端连接其反向输入端；所述开关三和电容二串联后，和开关二并联。本发明的补偿控制器，用于加速度计闭环控制系统，能够根据加速度计不同的敏感结构改变补偿模式，以此来改善系统性能，提高系统稳定性。

Description

补偿控制器及MEMS加速度计闭环伺服专用集成电路
技术领域
本发明属于集成电路设计领域，具体涉及一种补偿控制器，还涉及一种使用该补偿控制器的MEMS加速度计闭环伺服专用集成电路。
背景技术
微机电系统(Micro Electromechanical System，缩写为MEMS)是在微电子和微机械技术基础上发展起来的多学科交叉技术。它包括微传感器、微执行器、信号处理和控制电路和通信接口等。MEMS加速度计的感应器件通常采用与微电子技术相近的工艺加工，因而便于与微电子电路集成，而其读出电路通常采用集成电路设计，因而可以对信号进行放大和噪声优化。
现有MEMS电容式加速度计伺服电路从结构分为闭环结构和开环结构。开环结构的电容式加速度计传感器伺服电路在稳定性、线性度和动态范围等性能上都不如闭环结构的电容式加速度计传感器伺服电路。闭环结构的接口电路输出信号也作为反馈信号反馈到敏感质量块，在电极间形成静电力，使得敏感质量块位移量非常小，提高了系统灵敏度、线性度和精度。闭环微加速度计的反馈方式可分为模拟反馈和数字反馈。闭环模拟微加速计接口电路是研究的最为深入，应用最为广泛的电路形式之一，当前高精度的微加速度计大多采用这种电路结构。对于连续时间系统，反馈和检测在频域内进行区分，前端采用电荷敏感放大器检测差分电容的微小变化，利用高通滤波器对载波频率信号进行放大，并防止了反馈信号使输出饱和。
MEMS加速计是一个二阶系统，为了实现稳定的闭环控制，需要闭环伺服专用集成电路配合，才能达到较高的性能指标；以前的专用集成电路都是固定的，这样在实际的应用中就受到限制。而且微加速度计在工作中存在不确定干扰，而且随着微加速度计的使用时间的增长，传感器的结构性能参数以及电路参数会发生微小的变化。这些因素会给传感器输出带来误差，同时也可能造成闭环系统出现的不稳定现象，所以对于微加速度计这样的二阶系统而言，不加任何控制器的直接反馈不能满足电路的性能要求，需要设计优良的补偿控制器对系统相位进行调整，改善系统的稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种补偿控制器，用于加速度计闭环控制系统，能够根据加速度计不同的敏感结构改变补偿模式，以此来改善系统性能，提高系统稳定性。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种补偿控制器，包括运算放大器OP、电阻一R1、电阻二R2、电容一C1、电容二C2、开关一S1、开关二S2、开关三S3；
补偿输入端PID-IN连接电阻一R1后连接至运算放大器OP的反向输入端，所述运算放大器OP的正向输入端接地，其输出端连接反馈输出端；
电容一C1和开关一S1串联，且串联后的整体与电阻一R1并联；电容一C1、开关一S1和电阻一R1连接后的整体连接补偿输入端PID-IN和运算放大器OP的反向输入端；
电容二C2和开关三S3串联，且串联后的整体与开关二S2并联，且并联后的整体与电阻二R2串联；电容二C2、开关三S3、开关二S2和电阻二R2连接后的整体连接运算放大器OP的输出端和其反向输入端；
所述开关一S1断开且开关二S2断开、开关三S3闭合时，所述补偿控制器工作在第一补偿模式；所述开关一S1闭合且开关二S2闭合、开关三S3断开时，所述补偿控制器工作在第二补偿模式；所述开关一S1闭合，开关二S2断开且开关三S3闭合时，所述补偿控制器工作在第三补偿模式。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述电阻一R1或/和电阻二R2为可编程电阻。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述可编程电阻包括多个调整电阻R0、2R0、4R0……2n-1R0和多个程控开关S00、S01、S02……S0n-1，n为大于1的正整数；多个所述调整电阻依次串联，每个所述调整电阻均并联一个所述程控开关。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述可编程电阻包括多个调整电阻R0、2R0、4R0……2n-1R0和多个程控开关S00、S01、S02……S0n-1，n为大于1的正整数；多个所述调整电阻并联，每个所述调整电阻均串联一个所述程控开关。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述电容一C1和电容二C2为可编程电容。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述可编程电容包括多个调整电容C0、2C0、4C0……2n-1C0和多个程控开关S10、S11、S12……S1n-1，n为大于1的正整数；多个所述调整电容并联，每个所述调整电容均串联一个所述程控开关。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述可编程电容包括多个调整电容C0、2C0、4C0……2n-1C0和多个程控开关S10、S11、S12……S1n-1，n为大于1的正整数；多个所述调整电容依次串联，每个所述调整电容均并联一个所述程控开关。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种MEMS加速度计闭环伺服专用集成电路，其特征在于：包括以上结构的补偿控制器，其使用所述补偿控制器进行相位补偿。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括其还包括电容-电压转换器、相关双采样电路、采样保持器和单位增益缓冲器；所述电容-电压转换器的输出端连接相关双采样电路的输入端，相关双采样电路的输出端连接采样保持器的输入端，采样保持器的输出端连接补偿控制器，补偿控制器的输出端连接单位增益缓冲器，单位增益缓冲器的输出端连接电容-电压转换器的输入端。
本发明的有益效果：
本发明的补偿控制器，能够根据加速度计不同的敏感结构改变补偿模式；开关一(S1)断开且开关二(S2)断开、开关三(S3)闭合时，补偿控制器工作在PI工作模式下；开关一(S1)闭合且开关二(S2)闭合、开关三(S3)断开时，补偿控制器工作在PD工作模式下；开关一(S1)闭合，开关二(S2)断开且开关三(S3)闭合时，补偿控制器工作在PID工作模式下。
其中，当加速度计的敏感结构为过阻尼状态，进入PI工作模式下，改善系统的稳态误差，改善加速度计的噪声特性，提高频响性能，且不会破坏系统的稳定性；当加速度计的敏感结构为欠阻尼状态，进入PD工作模式下，提高系统阻尼比，提高系统稳定性，确保系统不会产生自激振荡。
附图说明
图1是本发明优选实施例中补偿控制器的电路原理图；
图2是本发明第一实施例中可编程电阻的原理图；
图3是本发明第二实施例中可编程电阻的原理图；
图4是本发明第一实施例中可编程电容的原理图；
图5是本发明第二实施例中可编程电容的原理图；
图6是本发明优选实施例中MEMS加速度计闭环伺服专用集成电路的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例
如图1所示，本实施例公开了一种补偿控制器，包括运算放大器OP、电阻一R1、电阻二R2、电容一C1、电容二C2、开关一S1、开关二S2、开关三S3；
补偿输入端PID-IN连接电阻一R1后连接至运算放大器OP的反向输入端，所述运算放大器OP的正向输入端接地，其输出端连接反馈输出端；
电容一C1和开关一S1串联，且串联后的整体与电阻一R1并联；电容一C1、开关一S1和电阻一R1连接后的整体连接补偿输入端PID-IN和运算放大器OP的反向输入端；
电容二C2和开关三S3串联，且串联后的整体与开关二S2并联，且并联后的整体与电阻二R2串联；电容二C2、开关三S3、开关二S2和电阻二R2连接后的整体连接运算放大器OP的输出端和其反向输入端；
所述开关一S1断开且开关二S2断开、开关三S3闭合时，所述补偿控制器工作在第一补偿模式；所述开关一S1闭合且开关二S2闭合、开关三S3断开时，所述补偿控制器工作在第二补偿模式；所述开关一S1闭合，开关二S2断开且开关三S3闭合时，所述补偿控制器工作在第三补偿模式。
本发明的补偿控制器，能够根据加速度计不同的敏感结构改变补偿模式：
(一)第三补偿模式：PID工作模式
开关一S1闭合，开关二S2断开且开关三S3闭合时，补偿控制器进入PID工作模式。
此时，补偿控制器的传输函数为：
其中，R2为电阻二的阻值，R1为电阻一的阻值，C1为电容一的容抗，C2为电容二的容抗。
(二)第一种补偿模式：
当加速度计的敏感结构为过阻尼状态，开关一S1断开且开关二S2断开、开关三S3闭合，补偿控制器工作在PI工作模式下。
此时，电容一C1被断开，补偿控制器的传输函数为：
在处增加了一个零点，在S＝0处增加了一个极点，因此，系统的稳态误差得到改善，即如果响应的稳态误差为一个常数，PI工作模式下的补偿控制器会将误差减小到零。另外，由于PI控制器本质是一个低通滤波器，因此可以滤除高频噪声，提高加速度计的噪声特性。
(三)第二种补偿模式
当加速度计的敏感结构为欠阻尼状态，开关一S1闭合且开关二S2闭合、开关三S3断开，补偿控制器工作在PD工作模式下。
此时，电容二C2的容抗为零，补偿控制器的传输函数为：
在处增加了一个零点，并在不改变自然谐振频率的情况下提高了系统阻尼比，提高系统稳定性，确保系统不会产生自激振荡。
作为本发明的进一步改进，上述电阻一R1或/和电阻二R2为可编程电阻。
具体的，如图2所述，在本发明的第一种实施例中，上述可编程电阻包括多个调整电阻R0、2R0、4R0……2n-1R0和多个程控开关S00、S01、S02……S0n-1，n为大于1的正整数；多个上述调整电阻依次串联，每个上述调整电阻均并联一个上述程控开关。
以上结构的可编程电阻，其最终电阻值为
R＝(20S00+21S01+22S02……+2n-1S0n-1)R0
通过程控开关来调整可编程电阻的阻值，以此来适用不同加速度计以及使用过程中加速度计的变化。
在本发明的另一种实施例中，如图3所示，上述可编程电阻包括多个调整电阻R0、2R0、4R0……2n-1R0和多个程控开关S00、S01、S02……S0n-1，n为大于1的正整数；多个上述调整电阻并联，每个上述调整电阻均串联一个上述程控开关。通过程控开关同样能够调整可编程电阻的阻值。
作为本发明的进一步改进，上述电容一C1或/和电容二C2为可编程电容。
具体的，如图4所述，在本发明的第一种实施例中，上述可编程电容包括多个调整电容C0、2C0、4C0……2n-1C0和多个程控开关S10、S11、S12……S1n-1，n为大于1的正整数；多个上述调整电容并联，每个上述调整电容均串联一个上述程控开关。
以上结构的可编程电容，其最终电容值为
C＝(20S10+21S11+22S12……+2n-1S1n-1)C0
通过程控开关来调整可编程电容的电容值，以此来适用不同加速度计以及使用过程中加速度计的变化
在本发明的另一种实施例中，如图5所示，上述可编程电容包括多个调整电容C0、2C0、4C0……2n-1C0和多个程控开关S10、S11、S12……S1n-1，n为大于1的正整数；多个上述调整电容依次串联，每个上述调整电容均并联一个上述程控开关。通过程控开关同样能够调整可编程电容的电容值。
实施例二
如图6所示，本实施例公开了一种MEMS加速度计闭环伺服专用集成电路，包括电容-电压转换器、相关双采样电路、采样保持器、单位增益缓冲器和以上结构的补偿控制器，专用集成电路使用上述补偿控制器进行相位补偿。上述电容-电压转换器的输出端连接相关双采样电路的输入端，相关双采样电路的输出端连接采样保持器的输入端，采样保持器的输出端连接补偿控制器，补偿控制器的输出端连接单位增益缓冲器，单位增益缓冲器的输出端连接电容-电压转换器的输入端。
电容-电压转换器用于电容-电压转换，模拟输出加速度计通过相关双采样电路进一步降低低频噪声和失调电压，采样保持器实现对高频信号解调；并采用优化结构设计的PID补偿控制器提高系统稳定性，改善动态响应特性，降低噪声。为确保机械结构运动不会对信号处理单元影响，在PID补偿控制器与敏感结构之间增加了单位增益缓冲器。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种补偿控制器，其特征在于：包括运算放大器(OP)、电阻一(R1)、电阻二(R2)、电容一(C1)、电容二(C2)、开关一(S1)、开关二(S2)、开关三(S3)；
补偿输入端(PID-IN)连接电阻一(R1)后连接至运算放大器(OP)的反向输入端，所述运算放大器(OP)的正向输入端接地，其输出端连接反馈输出端；
电容一(C1)和开关一(S1)串联，且串联后的整体与电阻一(R1)并联；电容一(C1)、开关一(S1)和电阻一(R1)连接后的整体连接补偿输入端(PID-IN)和运算放大器(OP)的反向输入端；
电容二(C2)和开关三(S3)串联，且串联后的整体与开关二(S2)并联，且并联后的整体与电阻二(R2)串联；电容二(C2)、开关三(S3)、开关二(S2)和电阻二(R2)连接后的整体连接运算放大器(OP)的输出端和其反向输入端；
所述开关一(S1)断开且开关二(S2)断开、开关三(S3)闭合时，所述补偿控制器工作在第一补偿模式；所述开关一(S1)闭合且开关二(S2)闭合、开关三(S3)断开时，所述补偿控制器工作在第二补偿模式；所述开关一(S1)闭合，开关二(S2)断开且开关三(S3)闭合时，所述补偿控制器工作在第三补偿模式。
2.如权利要求1所述的补偿控制器，其特征在于：所述电阻一(R1)或/和电阻二(R2)为可编程电阻。
3.如权利要求2所述的补偿控制器，其特征在于：所述可编程电阻包括多个调整电阻(R0、2R0、4R0……2n-1R0)和多个程控开关(S00、S01、S02……S0n-1)，n为大于1的正整数；多个所述调整电阻依次串联，每个所述调整电阻均并联一个所述程控开关。
4.如权利要求2所述的补偿控制器，其特征在于：所述可编程电阻包括多个调整电阻(R0、2R0、4R0……2n-1R0)和多个程控开关(S00、S01、S02……S0n-1)，n为大于1的正整数；多个所述调整电阻并联，每个所述调整电阻均串联一个所述程控开关。
5.如权利要求1所述的补偿控制器，其特征在于：所述电容一(C1)或/和电容二(C2)为可编程电容。
6.如权利要求5所述的补偿控制器，其特征在于：所述可编程电容包括多个调整电容(C0、2C0、4C0……2n-1C0)和多个程控开关(S10、S11、S12……S1n-1)，n为大于1的正整数；多个所述调整电容并联，每个所述调整电容均串联一个所述程控开关。
7.如权利要求5所述的补偿控制器，其特征在于：所述可编程电容包括多个调整电容(C0、2C0、4C0……2n-1C0)和多个程控开关(S10、S11、S12……S1n-1)，n为大于1的正整数；多个所述调整电容依次串联，每个所述调整电容均并联一个所述程控开关。
8.一种MEMS加速度计闭环伺服专用集成电路，其特征在于：包括如权利要求1-7任一项所述的补偿控制器，其使用所述补偿控制器进行相位补偿。
9.如权利要求8所述的MEMS加速度计闭环伺服专用集成电路，其特征在于：其还包括电容-电压转换器、相关双采样电路、采样保持器和单位增益缓冲器；所述电容-电压转换器的输出端连接相关双采样电路的输入端，相关双采样电路的输出端连接采样保持器的输入端，采样保持器的输出端连接补偿控制器，补偿控制器的输出端连接单位增益缓冲器，单位增益缓冲器的输出端连接电容-电压转换器的输入端。
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