CN109540176B - 一种硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构及参数整定方法 - Google Patents

一种硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构及参数整定方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于惯性MEMS传感器闭环控制技术领域，涉及一种硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构及参数整定方法。本发明通过确定量化噪声传递函数的零点、极点和开环增益，建立了Sigma Delta的开环环路传递函数；再通过在Sigma Delta环路嵌入超前滞后补偿器，令补偿器的极点等于表头模块的零点，实现零极点对消；令补偿器的极点等于开环环路传递函数的实零点；Sigma Delta的其它控制参数通过待定系数法确定，从而实现了硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构设计及参数整定。本发明通过在环路结构中加入超前滞后补偿器，并通过零极点对消的方式，抵消了表头零点对调制器量化噪声整形的负面影响，保证了角速率信号高信噪比的检测，并同时实现了硅微陀螺的纯数字化输出。

Description

一种硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构及参数整 定方法
技术领域
本发明属于微惯性传感器技术，涉及一种硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构及参数整定方法。
背景技术
硅微陀螺检测闭环控制技术，有助于提升硅微陀螺输出的线性度；并可缩小驱动和检测双模态的频率间隙，以此提高硅微陀螺检测模态的机械灵敏度，通过提高信噪比提高硅微陀螺的精度水平。其中，Sigma Delta检测闭环控制系统方案，通过将硅微陀螺的表头模块嵌入Sigma Delta调制器环路中，实现机电Sigma Delta调制器，具有直接数字量化输出，动态特性好，信噪比高等优点。
硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统，不同于纯电学的Sigma Delta ADC系统设计方法成熟，设计的自由度高。硅微陀螺的表头模块嵌入Sigma Delta 调制器环路中，面临着模拟域和数字域跨域协同设计，硅微陀螺表头模块的速度节点不能作为引出端，表头模块的零极点会影响Sigma Delta量化噪声整形传递函数的设计等技术难点。
因此开发一种通用的硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构及参数整定方法显得尤为重要。
进行硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构设计时，如果不针对硅微陀螺表头模块特点，进行专门的控制系统结构设计和控制参数整定，会导致 Sigma Delta检测闭环控制系统不能实现预期的量化噪声传递函数，甚至导致 Sigma Delta系统不能稳定，导致硅微陀螺检测闭环控制的失效。
发明内容
鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是针对硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统，提供一种通用的硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构及参数整定方法。
按照本发明的一个方面，提供一种硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构，包括顺序级联的表头模块、电学调制器模块、超前滞后补偿器模块和比较器模块，其中:
表头模块通过把来自比较器模块的脉冲密度调制电压信号转换成力矩信号，再把力矩信号转换成位移信号，最后通过位移-电压转换成电压信号，并输出；
电学调制器模块用于把来自表头模块的电压信号转换成数字电压信号，并输出给超前滞后补偿器模块；
超前滞后补偿器模块用于对数字电压信号进行超前滞后补偿；
比较器模块对经过超前滞后补偿后的数字电压信号和阈值电压进行比较，输出脉冲密度调制电压信号。
按照本发明的另一个方面，提供一种上述硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构的参数整定方法，所述方法包括如下步骤：
步骤一，确定Sigma Delta调制器的阶数N；
步骤二，令量化噪声传递函数的N个零点中的任意两个零点zo1，zo2，等于表头模型离散化后的两个极点；量化噪声传递函数的其它N-2个零点zo3， zo4，……，zoN全部设置在驱动模态谐振频率上；
步骤三，计算量化噪声传递函数的全部极点zp1，zp2，……，zpN；
步骤四，利用根轨迹法确定开环增益Gn，保证系统的稳定性；
步骤五，计算Sigma Delta开环环路传递函数
Figure BDA0001918126390000021
其中NTFq为量化噪声传递函数，其零点和极点通过步骤二和步骤三计算获得，其表达式为
Figure BDA0001918126390000031
步骤六，用为待定系数的Sigma Delta检测闭环控制系统结构的控制参数表征Sigma Delta开环环路传递函数形式H(z；a,b,c,d…)＝Td(z)He(z)Hcomp(z)，其中Td(z)为表头模块数字域表达式，He(z)为电学调制器模块的传递函数，并令电学调制器模块的阶数为N-2，a,b,c,d…为Sigma Delta的待定系数，并令超前滞后补偿器模块的传递函数Hcomp(z)＝(z+a)/(z+b)的补偿零点a等于开环环路传递函数H(z)的实零点，补偿极点b等于表头模块数字域表达式Td(z)的实零点，从而实现补偿极点与表头模块零点的零极点对消；
步骤七，令步骤五计算的开环环路传递函数H(z)与步骤六表征的开环环路传递函数H(z；a,b,c,d…)相等，利用待定系数法计算Sigma Delta调制器的待定系数a,b,c,d…。
本发明的硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构及参数整定方法，通过在环路结构中加入超前滞后补偿器，并通过零极点对消的方式，抵消了表头零点对调制器量化噪声整形的负面影响，保证了角速率信号高信噪比的检测，并同时实现了硅微陀螺的纯数字化输出。
附图说明
图1是本发明硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构的功能框图。
图2是本发明Sigma Delta检测闭环控制系统结构具体实施方式的结构示意图。
图3是本发明的闭环控制参数整定方法的流程示意图；
图4是本发明的方法中采用的量化噪声传递函数配置极点的计算方法流程示意图。
具体实施方式
为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
现有的硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统技术，无法规避表头模块对SigmaDelta设计的影响，使其量化噪声传递函数不能实现理想的设计，无法保证有效信号的最高信噪比检测。而本发明利用超前滞后补偿器模块的引入和参数的精准配置，可以实现理想的量化噪声传递函数实现和有效信号的高信噪比检测。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
图1示意表示本发明的硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构。如
图1所示，本发明的硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构包括顺序级联的表头模块01、电学调制器模块02、超前滞后补偿器模块03和比较器模块 04。
其中表头模块01包括了硅微陀螺的检测模态、检测模态的力矩器和传感器，通过把来自比较器模块04的脉冲密度调制电压信号转换成力矩信号，再把力矩信号转换成位移信号，最后通过位移-电压转换成电压信号，并输出。电学调制器模块02包括了以离散域形式表示，以积分单元和比例单元构成的前馈和反馈结构，该模块实现电压信号从模拟域到数字域的转换，用于把来自表头模块01的电压信号转换成数字电压信号，并输出给超前滞后补偿器模块03。超前滞后补偿器模块03用于对数字电压信号进行超前滞后补偿。比较器模块04，对经过超前滞后补偿后的数字电压信号和阈值电压进行比较，输出脉冲密度调制电压信号。
图2是本发明Sigma Delta检测闭环控制系统结构的具体实施方式的结构示意图，具体示意表示了电学调制器模块02的一种实现方式，由于表头模块 01、电学调制器模块02和比较器模块04都是本领域的常规技术，为本领域的技术人员熟知，不再进行具体说明。下面参考图3和4，重点针对超前滞后补偿器模块03及参数整定方法进行说明。图3是本发明的闭环控制参数整定方法的流程示意图，图4是本发明的方法中采用的量化噪声传递函数配置极点的计算方法流程示意图。本发明所用的超前滞后补偿器，其传递函数形式上是超前滞后补偿器；在实际的电路功能上，实现数字域的超前和滞后补偿功能；但是在参数配置上，需要结合被控对象：表头模块的性能进行有针对性的参数配置。
本发明的硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构的参数整定方法包括：
步骤一，确定Sigma Delta调制器的阶数N＝4；
步骤二，令量化噪声传递函数(Quantization Noise Transfer Function, NTFq)的4个零点中的任意两个零点zo1，zo2，等于表头模型离散化后的两个极点；NTFq其它2个零点zo3，zo4全部设置在驱动模态谐振频率上；
步骤三，计算量化噪声传递函数NTFq的全部极点zp1、zp2、zp3、zp4，极点的计算的方法可以参考论文：Johan Raman,Pieter Rombouts,Ludo Weyten.An UnconstrainedArchitecture for Systematic Design of Higher Order ΣΔForce-Feedback Loops[J].IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMS—I:REGULAR PAPERS,55(6),2008.07:1601-1614。具体步骤包括如下四步：
子步骤3.1，计算如下等式的根，并选取|z|<1的解，作为量化噪声传递函数NTFq的备选极点。
Figure BDA0001918126390000051
子步骤3.2，将计算获得的NTFq备选极点带入NTFq的表达式，并计算其无穷级数
Figure BDA0001918126390000052
并判断||NTFq||∞<2不等式是否成立。
子步骤3.3，如果||NTFq||∞<2不成立，则继续迭代重复计算子步骤3.1～子步骤3.2，直到满足||NTFq||∞<2，则该组备选极点，即为NTFq的极点zp1，zp2，zp3， zp4。
步骤四，利用根轨迹法确定开环增益Gn，保证系统的稳定性。
步骤五，计算Sigma Delta调制器开环环路的传递函数为：
Figure BDA0001918126390000053
其中NTFq的零点和极点通过步骤二和步骤三计算获得，从而可确定增益为1的NTFq的表达式，
Figure BDA0001918126390000061
步骤六，在调制器结构中嵌入超前滞后补偿器，超前滞后补偿器的典型传递函数形式为：
Figure BDA0001918126390000062
Sigma Delta调制器结构的控制参数为待定系数，以待定系数表征Sigma Delta调制器的传递函数形式H(z；a,b,c,d…)＝Td(z)He(z)Hcomp(z)，其中Td(z) 为表头模块数字域表达式，He(z)为电学调制器模块的传递函数，并令电学调制器模块的阶数为N-2，a,b,c,d…为调制器的待定系数。令超前滞后补偿器的补偿零点a等于开环环路传递函数H(z)的实零点，超前滞后补偿器的补偿极点b 等于硅微陀螺表头等效传递函数Td(z)的实零点，从而可以实现补偿极点与表头零点的零极点对消。在本领域中，这里的z表示离散时间系统z域传递函数的系统复变量。
步骤七，利用步骤五计算的传递函数H(z)与步骤六表征的待定系数传递函数H(z；a,b,c,d…)相等，利用待定系数法计算Sigma Delta调制器的待定系数 a,b,c,d…。
本发明通过数学计算，获得期望的量化噪声传递函数和调制器开环环路传递函数；然后通过在Sigma Delta调制器环路中嵌入超前滞后补偿器，抵消表头模块的零点对量化噪声传递函数整形特性的影响，获得预期的闭环控制效果；最后，利用待定系数法，获得控制环路的其它控制参数。通过该方法，一方面保证了Sigma Delta检测闭环控制系统的稳定性，另一方面，实现了理想的量化噪声整形特性，保证了硅微陀螺检测模态的高信噪比输出。

Claims (1)

1.一种硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构的参数整定方法，其中所述硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构包括顺序级联的表头模块(01)、电学调制器模块(02)、超前滞后补偿器模块(03)和比较器模块(04)，其中：
表头模块(01)把来自比较器模块(04)的脉冲密度调制电压信号转换成力矩信号，再把力矩信号转换成位移信号，最后通过位移-电压转换成电压信号，并输出给电学调制器模块(02)；
电学调制器模块(02)把来自表头模块(01)的电压信号转换成数字电压信号，并输出给超前滞后补偿器模块(03)；
超前滞后补偿器模块(03)对数字电压信号进行超前滞后补偿；
比较器模块(04)，对经过超前滞后补偿后的数字电压信号和阈值电压进行比较，输出脉冲密度调制电压信号，并反馈给表头模块(01)，
所述方法包括如下步骤：
步骤一，确定Sigma Delta调制器的阶数N；
步骤二，令量化噪声传递函数的N个零点中的任意两个零点zo1，zo2，等于表头模块离散化后的两个极点；量化噪声传递函数的其它N-2个零点zo3，zo4，……，zoN全部设置在驱动模态谐振频率上；
步骤三，计算量化噪声传递函数的全部极点zp1，zp2，……，zpN；
步骤四，利用根轨迹法确定开环增益Gn，保证系统的稳定性；
步骤五，计算Sigma Delta开环环路传递函数
Figure FDA0003676564370000011
其中NTFq为量化噪声传递函数，其零点、极点分别通过步骤二和步骤三计算获得；
步骤六，用为待定系数的Sigma Delta检测闭环控制系统结构的控制参数表征SigmaDelta开环环路传递函数形式H(z；a,b,c,d)＝Td(z)He(z)Hcomp(z)，其中Td(z)为表头模块数字域表达式，He(z)为电学调制器模块的传递函数，并令电学调制器模块的阶数为N-2，a,b,c,d为Sigma Delta调制器的待定系数，并令超前滞后补偿器模块的传递函数Hcomp(z)＝(z+a)/(z+b)的补偿零点a等于开环环路传递函数H(z)的实零点，补偿极点b等于表头模块数字域表达式Td(z)的实零点，从而实现补偿极点与表头模块零点的零极点对消；
步骤七，令步骤五计算的传递函数H(z)与步骤六表征的开环环路传递函数H(z；a,b,c,d)相等，利用待定系数法计算Sigma Delta调制器的待定系数a,b,c,d。
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