CN110108266A - 基于机械vco锁相环的陀螺实时自动闭环模态匹配方法 - Google Patents

基于机械vco锁相环的陀螺实时自动闭环模态匹配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于机械VCO锁相环的陀螺实时自动闭环模态匹配方法，首先将陀螺的两个工作模态分别自激振荡驱动，产生表征陀螺两个工作模态谐振频率的信号；消除陀螺两个工作模态正交信号的互相耦合；将陀螺两个工作模态中频率较低的一个谐振振荡信号作为锁相环的输入参考信号，调节陀螺谐振频率较高的工作模态的谐振频率，作为机械压控振荡器，然后利用鉴相器识别陀螺两工作模态频率差，作为误差信号输入控制器，产生的控制信号施加到陀螺频率较高工作模态的频率调谐电极，利用闭环原理最终实现陀螺两工作模态谐振频率一致。本发明消除了环境因素对陀螺两工作模态谐振频率差的影响，能够让陀螺始终保持在模态匹配的高灵敏度工作模式下。

Description

基于机械VCO锁相环的陀螺实时自动闭环模态匹配方法
技术领域
本发明涉及陀螺性能提高技术，特别是涉及一种基于机械VCO锁相环的陀螺实时自动闭环模态匹配方法。
背景技术
近二十年，哥氏振动陀螺性能极限的提升受到了很多的关注和研究，尤其是为了利用高机械灵敏度提高陀螺的零偏稳定性，陀螺设计为工作在模态匹配的模式下。虽然在陀螺机械结构设计阶段，陀螺两工作模态就被设计为谐振频率一致，但由于加工工艺等因素，实际加工出的陀螺两工作频率存在频差，无法达到高机械灵敏度。利用开环的方法，在陀螺调谐电极上施加直流电压可以减小陀螺频差，但环境因素(例如温度、压力等)的影响会破坏开环调谐状态，从而影响陀螺的标度因数稳定性，限制了高性能哥氏振动陀螺的发展。
文献一(Sonmezoglu S,Alper S E,Akin T.A high performance automaticmode-matched MEMS gyroscope with an improved thermal stability of the scalefactor[C]//Transducers&Eurosensors Xxvii:the International Conference onSolid-state Sensors.2013.)公开了一种哥氏振动音叉陀螺自动闭环模态匹配方法，利用残留正交信号与陀螺驱动模态振荡信号之间的相位关系，即残留正交信号在模态失配和模态匹配条件下有90度的移相，利用控制器产生频率调节电压，实现并保持了陀螺模态匹配，但是该方案在陀螺有角速度输入的条件下，会干扰控制器的工作，产生虚假的频率调节电压，不具备实用价值。文献二(Flader I B,Ahn C H,Ng E J,et al.Stochastic methodfor disk resonating gyroscope mode matching and quadrature nulling[C]//2016IEEE 29th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems(MEMS).IEEE,2016.)公开了一种利用粒子群优化算法对MEMS碟形陀螺进行自动模态匹配的方法，该方案将陀螺的频差、正交信号、驱动幅值作为优化目标，经过80次的迭代优化，实现了陀螺模态匹配。但该方案无法解决环境因素快速变化对陀螺频差的影响，具有耗时的缺点，同时不方便小型化。文献三(Sharma A,Zaman M F,Ayazi F.A Sub-0.2°/hr BiasDrift Micromechanical Silicon Gyroscope With Automatic CMOS Mode-Matching[J].IEEE Journal of Solid-State Circuits,2009,44(5):1593-1608.)公开了一种利用模态匹配时正交信号幅值最大原理的陀螺自动模态匹配方法，但是该方案需要软件算法判断匹配点，且残留的正交信号会影响陀螺性能。
发明内容
为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于机械VCO锁相环的陀螺实时自动闭环模态匹配方法。
实现本发明的技术解决方案为：
一种基于机械VCO锁相环的陀螺实时自动闭环模态匹配方法，包括如下步骤：
步骤1、构建表征陀螺两工作模态谐振频率的振荡系统：利用自激闭环振荡驱动技术，同时驱动陀螺的两工作模态，构建驱动闭环，产生表征陀螺两工作模态谐振频率的振荡信号，作为锁相环的输入；
步骤2、构建陀螺正交信号抑制闭环系统：利用相敏解调技术，从陀螺的驱动振荡信号中提取正交信号的幅值信息，输入比例积分PI控制器，产生正交抑制信号，消除陀螺两工作模态正交信号的互相耦合，完成正交抑制；
步骤3、构建陀螺实时自动闭环模态匹配系统：陀螺谐振频率较高的工作模态完成自激驱动闭环后，将所述自激驱动闭环作为机械压控振荡器，然后利用锁相环原理实现陀螺两工作模态谐振频率一致。
进一步地，所述步骤1利用自激闭环振荡驱动技术，将陀螺两工作模态同时驱动，产生表征陀螺两工作模态谐振频率的振荡信号为：
式中，x表示陀螺驱动工作模态的振荡信号，X为该模态的驱动幅值，ωx为驱动工作模态的谐振频率，为驱动工作模态的谐振相位，a为驱动工作模态的正交信号幅值，为驱动工作模态的正交相位，y表示陀螺检测工作模态的振荡信号，Y为检测工作模态的驱动幅值，ωy为检测工作模态的谐振频率，为检测工作模态的谐振相位，b为检测工作模态正交信号幅值，为检测工作模态的正交相位，t表示时间。
进一步地，所述步骤2构建陀螺正交信号抑制闭环系统，具体为：利用相敏解调技术提取振荡信号中的正交信号幅值a和b，输入比例积分PI控制器，产生正交反馈控制电压，施加在陀螺的正交抑制电极上，得到和其中x'表示正交抑制后陀螺驱动工作模态的振荡信号，y'表示正交抑制后陀螺检测工作模态的振荡信号。
进一步地，步骤3构建陀螺实时自动闭环模态匹配系统，陀螺频率较低的工作模态谐振振荡信号作为锁相环的输入参考信号，利用静电负刚度原理调节陀螺谐振频率较高的工作模态的谐振频率，作为机械压控振荡器，然后利用锁相环原理实现陀螺两工作模态谐振频率一致，得到和其中x”表示模态匹配后陀螺驱动工作模态的振荡信号，y”表示模态匹配后陀螺检测工作模态的振荡信号，与一致或相差90°。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明通过同时驱动哥氏振动陀螺两工作模态，能够实时得到真实的谐振频率信号；(2)本发明无需额外的VCO，节约了成本，降低了功耗；(3)本发明可自动完成陀螺的模态匹配，避免了开环方式耗时、需重复标定的缺点；(4)本发明提出的陀螺自动闭环模态匹配方法无需利用残留正交信号，可进一步提高陀螺性能；(5)本发明提出的陀螺自动闭环模态匹配方法能够实时保证匹配状态，具有快速、实用、抗环境干扰等优点，提高了陀螺标度因数稳定性。
附图说明
图1是本发明采用的自激闭环振荡驱动电路框图。
图2是陀螺正交信号抑制闭环电路框图。
图3是陀螺调谐振电压与谐振频率的关系图。
图4是本发明提出的自动闭环模态匹配方法框图。
图5是陀螺模态失配与模态匹配示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
传统哥氏振动陀螺都是利用陀螺两个工作模态进行角速度的测量，工作状态下选择其中一个工作模模态为驱动闭环，产生幅值稳定的振荡信号，然后另外一个工作模态作为检测模态。当有角速度输入时，在哥氏效应(Coriolis effect)作用下，检测模态产生检测位移，通过检测该位移或者产生反馈力抑制该位移，便可以输出角速度。
为了提高陀螺的零偏稳定性，通常需要提高陀螺的检测灵敏度，因此高性能陀螺采用模态匹配的工作方式，如图5所示。
检测模态的位移为：
其中Qeff是有效品质因数，与陀螺两工作模态频率差有关，ky是检测模态刚度，Fc是哥氏力。
将陀螺幅值响应等效为一阶模型，则有效品质因数与与陀螺两工作模态频率的关系为：
当ωy-ωx＞BW
Qeff＝Qy,当ωy-ωx＜BW
其中Qy是陀螺检测模态的品质因数，ωx和ωy分别表示陀螺两工作模态的谐振频率，BW是陀螺的机械带宽。因此为了提高陀螺的灵敏度，需要减小陀螺两工作模态的频率差，使得陀螺工作在模态匹配的状态下。同时为了避免环境因素，如温度和压力等对模态匹配状态的破坏，需要利用闭环电路完成实时自动模态匹配，这样可以提高陀螺标度因数的稳定性。
本发明提出的陀螺模态匹配方法是基于机械VCO锁相环原理。首先将陀螺的两个工作模态分别自激振荡驱动，产生表征陀螺两个工作模态谐振频率的信号；然后利用正交抑制闭环补偿方法消除陀螺两个工作模态正交信号的互相耦合；然后利用锁相环原理，将陀螺两个工作模态中频率较低的一个谐振振荡信号作为锁相环的输入参考信号，利用静电负刚度原理调节陀螺谐振频率较高的工作模态的谐振频率，作为机械压控振荡器，然后利用鉴相器识别陀螺两工作模态频率差，作为误差信号输入控制器，产生的控制信号施加到陀螺频率较高工作模态的频率调谐电极，调节该模态的频率相位，利用闭环原理最终实现陀螺两工作模态谐振频率一致，实现陀螺实时自动闭环模态匹配方法。
综上所述，本发明提出基于机械VCO锁相环的陀螺实时自动闭环模态匹配方法，利用鉴相器测得陀螺两工作模态的频率差，通过控制器产生调节电压，达到模态匹配，具体步骤如下：
步骤1、构建表征陀螺两工作模态谐振频率的振荡系统：利用自激闭环振荡驱动技术，同时驱动陀螺的两工作模态，构建驱动闭环，产生表征陀螺两工作模态谐振频率的振荡信号，作为锁相环的输入；
与传统哥氏振动陀螺工作方式不同，本发明将陀螺两工作模态同时自激闭环驱动起来，产生的驻波可固定在任意的方位角。自激闭环驱动电路如图1所示，由陀螺结构、差分放大器、全波整流器、低通滤波器、比较器、PI控制器、调制电路组成。检测电极输出驱动位移，经过差分放大，消除共模干扰信号，然后进行幅值检测，全波整流可得到低频幅值信息，高频信号采用低通滤波器去除。低频幅值信息与参考幅值Ref进行比较，得到的误差输入比例积分PI控制器，控制器输出驱动电压幅值，经过载波调制，得到与陀螺谐振频率一致的驱动力，施加到驱动电极，完成陀螺的自激闭环振荡驱动。
由于正交耦合的存在，得到表征陀螺两工作模态谐振频率的振荡信号：
式中，x表示陀螺驱动工作模态的振荡信号，X为该模态的驱动幅值，ωx为该模态的谐振频率，为该模态的谐振相位，a为该模态的正交信号幅值，为该模态的正交相位；y表示陀螺检测工作模态的振荡信号，Y为该模态的驱动幅值，ωy为该模态的谐振频率，为该模态的谐振相位，b为该模态正交信号幅值，为该模态的正交相位，t表示时间。
步骤2、构建陀螺正交信号抑制闭环系统：利用相敏解调技术，从陀螺的驱动振荡信号中提取正交信号的幅值信息，输入比例积分PI控制器，产生正交抑制信号，消除陀螺两工作模态正交信号的互相耦合，完成正交抑制；
陀螺两工作模态之间正交的相互耦合不仅影响陀螺的零偏稳定性，而且对自动闭环模态匹配也产生了干扰，即每个模态都不是单一频率的振荡信号，因此需要正交抑制闭环系统，如图2所示。正交抑制闭环系统由陀螺结构、差分放大器、解调器、低通滤波器、PI控制器、正交抑制电极构成。由于正交信号与角速度信号相差90度，因此可以通过相敏解调得到正交信号幅值，经过控制器转化为反馈电压施加到正交抑制电极上，产生与耦合刚度Kxy相反的信号，抑制由于加工误差产生的刚度耦合引起的正交信号。
通过正交抑制后，得到：
其中x'表示正交抑制后陀螺驱动工作模态的振荡信号，y'表示正交抑制后陀螺检测工作模态的振荡信号。
步骤3、构建陀螺实时自动闭环模态匹配系统：陀螺谐振频率较高的工作模态完成自激驱动闭环后，调节该模态的调谐电压可改变谐振频率，该驱动闭环作为机械压控振荡器，然后利用锁相环原理实现陀螺两工作模态谐振频率一致，实现陀螺实时自动闭环模态匹配方法。
完成陀螺的驱动闭环和正交抑制后，利用锁相环原理，将陀螺两个工作模态(A模态为陀螺驱动工作模态、B模态为陀螺检测工作模态)中频率较低的一个谐振振荡信号作为锁相环的输入参考信号，利用静电负刚度原理调节陀螺谐振频率较高的工作模态的谐振频率，作为机械VCO，其特性如图3所示，然后利用鉴相器识别陀螺两工作模态频率差，作为误差信号输入控制器，产生的控制信号施加到陀螺频率较高工作模态的频率调谐电极，调节该模态的频率相位，利用闭环原理实现陀螺两工作模态谐振频率一致，如图4所示，实现陀螺实时自动闭环模态匹配方法。最终陀螺两工作模态谐振频率一致，相位一般设计成与一致或相差90°，得到：
其中x”表示模态匹配后陀螺驱动工作模态的振荡信号，y”表示模态匹配后陀螺检测工作模态的振荡信号。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于机械VCO锁相环的陀螺实时自动闭环模态匹配方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、构建表征陀螺两工作模态谐振频率的振荡系统：利用自激闭环振荡驱动技术，同时驱动陀螺的两工作模态，构建驱动闭环，产生表征陀螺两工作模态谐振频率的振荡信号，作为锁相环的输入；
步骤2、构建陀螺正交信号抑制闭环系统：利用相敏解调技术，从陀螺的驱动振荡信号中提取正交信号的幅值信息，输入比例积分PI控制器，产生正交抑制信号，消除陀螺两工作模态正交信号的互相耦合，完成正交抑制；
步骤3、构建陀螺实时自动闭环模态匹配系统：陀螺谐振频率较高的工作模态完成自激驱动闭环后，将所述自激驱动闭环作为机械压控振荡器，然后利用锁相环原理实现陀螺两工作模态谐振频率一致。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1利用自激闭环振荡驱动技术，将陀螺两工作模态同时驱动，产生表征陀螺两工作模态谐振频率的振荡信号为：
上式中，x表示陀螺驱动工作模态的振荡信号，X为该模态的驱动幅值，ωx为驱动工作模态的谐振频率，为驱动工作模态的谐振相位，a为驱动工作模态的正交信号幅值，为驱动工作模态的正交相位，y表示陀螺检测工作模态的振荡信号，Y为检测工作模态的驱动幅值，ωy为检测工作模态的谐振频率，为检测工作模态的谐振相位，b为检测工作模态正交信号幅值，为检测工作模态的正交相位，t表示时间。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2构建陀螺正交信号抑制闭环系统，具体为：利用相敏解调技术提取振荡信号中的正交信号幅值a和b，输入比例积分PI控制器，产生正交反馈控制电压，施加在陀螺的正交抑制电极上，得到和其中x'表示正交抑制后陀螺驱动工作模态的振荡信号，y'表示正交抑制后陀螺检测工作模态的振荡信号。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3构建陀螺实时自动闭环模态匹配系统，陀螺频率较低的工作模态谐振振荡信号作为锁相环的输入参考信号，利用静电负刚度原理调节陀螺谐振频率较高的工作模态的谐振频率，作为机械压控振荡器，然后利用锁相环原理实现陀螺两工作模态谐振频率一致，得到和其中x”表示模态匹配后陀螺驱动工作模态的振荡信号，y”表示模态匹配后陀螺检测工作模态的振荡信号，与一致或相差90°。
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