CN110108299A - 一种硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统 - Google Patents

一种硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统，其特点在于不需要额外增加静电激励电极，在陀螺仪正常工作情况下，可以实时对标度因数进行自校准。AGC与C/V驱动检测接口电路相连对陀螺仪进行闭环驱动；检测电流信号Is，通过C/V检测接口电路转换成检测电压信号Vs；FPGA产生自校准参考信号，通过DAC进行数模转换，并连接到控制开关；FPGA内生成的控制信号对控制开关两路进行选通，同时该信号作为自校准参考信号的解调基准，提取陀螺仪检测模态实时频率与驱动模态实时频率，完成标度因数自校准。

Description

一种硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统
技术领域
本发明属于硅微机械陀螺领域，具体是一种硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统。
背景技术
陀螺仪是一种惯性传感器，用于测量载体相对于惯性空间的角速度。与传统陀螺仪相比，硅微机械陀螺体积小，重量轻，功耗低且适合大规模生产，使得其在民用和军用领域具有广阔的应用前景。国产化硅微机械陀螺性能在近二十年的研发过程中取得了巨大的提升，在实验室环境下，硅微机械陀螺的零偏稳定性优于1°/h。然而其精度仍然无法满足独立惯性导航的要求。硅微机械陀螺在工程应用环境下也逐渐暴露出环境适应性差，且在长期存贮条件下标度因数发生改变，需要人工进行离线校准的不足。如何解决其在温度、力学环境下和长期存贮条件下的稳定性和可靠性问题，是实现硅微机械陀螺在武器装备中工程应用的关键。
现有的硅微机械陀螺仪误差在线补偿系统需要在硅微机械陀螺仪本身结构中增加额外的静电激励电极，因此会增加硅微机械陀螺仪的设计难度和加工难度。由于加工工艺的限制，硅微机械陀螺仪结构复杂化之后，会导致加工出来的陀螺结构和设计值之间的误差增大，从而影响硅微机械陀螺仪的整体性能。同时，现有的自补偿系统在硅微机械陀螺仪的整个服役期都进行补偿，然而，环境因素比如温度、应力等变化造成的陀螺标度因数变化是一个缓慢的过程，无需在硅微机械陀螺仪的整个服役期都进行补偿。这种方法一方面不能很好的反映硅微机械陀螺仪的工作状态，另一方面增加了硅微机械陀螺仪的功耗。
目前大部分硅微机械陀螺仪采取离线标度因数校准的方法，即利用外部环境传感器或自身结构频率、品质因数等特性实施误差补偿。但这种误差补偿存在的问题主要包括：(1)由于硅微机械陀螺仪与环境因素的耦合机理复杂，难以实现高效、精准的误差补偿；(2)在温度和力学环境及长期存贮条件下，硅微机械陀螺的部分参数会发生缓慢变化，因此离线所获取的补偿系数无法适用于硅微机械陀螺表的整个服役期；
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统，在不借助外部信息的情况下自校准由于环境温度、应力等条件改变引起的标度因数的变化，该方法不需要额外增加静电激励电极，根据环境情况对正常工作模式和校准工作模式进行切换，以提高硅微机械陀螺在复杂工作环境中的长期稳定性。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统，包括C/V驱动检测接口电路、C/V检测接口电路、自动增益控制电路AGC、控制开关、现场可编程门阵列FPGA、数模转换器DAC、模数转换器ADC；
所述陀螺仪C/V驱动检测接口电路输入端与硅微机械陀螺的驱动检测电极相连，将驱动检测电极获得的驱动检测电流信号Ids转化为驱动检测电压Vds信号；所述自动增益控制电路AGC将驱动检测电压Vds信号进行幅度控制，输出驱动电压Vd到硅微机械陀螺的驱动电极，用以驱动硅微机械陀螺；所述C/V检测接口电路与硅微机械陀螺的检测电极一端相连；所述控制开关的输出端D与硅微机械陀螺的检测电极另一端相连，其中一源终端S1与C/V检测接口电路相连，另外一源终端S2和所述数模转换器DAC相连；所述C/V检测接口经模数转换器ADC与现场可编程门阵列FPGA相连；所述数模转换器DAC与可编程门阵列FPGA相连；当终端S1与输出端D接通时，所述现场可编程门阵列FPGA将转化后的信号进行相敏解调，获得硅微机械陀螺的输出信号；当终端S2与输出端D接通时，所述现场可编程门阵列FPGA将转化后的数字信号进行相敏解调，参数获取，进行标度因数自校准，将校准后的硅微机械陀螺的信号进行输出。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明的硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统，不需要额外增加陀螺仪的机械结构，即对于没有专门的静电激励电极的陀螺仪也同样适用，降低了硅微机械陀螺仪结构设计难度和加工难度，使得加工出来的陀螺参数更接近设计值；增大了标度因数在线自校准方法的适用性。
(2)本发明的硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统通过FPGA对开关两路进行控制选通，实现了误差校准与正常工作的可控，既能很好的反映陀螺的工作状态又能进行标度因数自校准；也无需在陀螺仪整个服役期都对标度因数进行监测，可降低整个系统的功耗。
(3)本发明系统进行标度因数误差补偿实现对标度因数的自校准，无需借助陀螺参数、外部传感器，减小了体积与成本，避免了其他参数在温变、力学等复杂环境因素发生缓慢变化影响陀螺标度因数稳定性；
附图说明
图1为本发明的硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统原理图。
图2为本发明控制信号选通示意图。
图3为陀螺仪工作谐振频率示意图。
图4为本发明中标度因数自校准原理流程图。
图5为本发明中FPGA内标度因数自校准示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明的一种硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统，包括C/V驱动检测接口电路、C/V检测接口电路、自动增益控制电路AGC、控制开关、现场可编程门阵列FPGA、数模转换器DAC、模数转换器ADC；
所述陀螺仪C/V驱动检测接口电路输入端与硅微机械陀螺的驱动检测电极相连，将驱动检测电极获得的驱动检测电流信号Ids转化为驱动检测电压Vds信号；所述自动增益控制电路AGC将驱动检测电压Vds信号进行幅度控制，输出驱动电压Vd到硅微机械陀螺的驱动电极，用以驱动硅微机械陀螺；所述C/V检测接口电路与硅微机械陀螺的检测电极一端相连；所述控制开关的输出端D与硅微机械陀螺的检测电极另一端相连，其中一源终端S1与C/V检测接口电路相连，另外一源终端S2和所述数模转换器DAC相连；所述C/V检测接口经模数转换器ADC与现场可编程门阵列FPGA相连；所述数模转换器DAC与可编程门阵列FPGA相连；
当终端S1与输出端D接通时，所述C/V检测接口电路与硅微机械陀螺的检测电极两端同时接通，将检测电极获得的检测电流Is+、Is-差分信号转换成检测电压Vs；所述模数转换器ADC将检测电压Vs、驱动检测电压Vds进行模数转换，所述现场可编程门阵列FPGA将转化后的信号进行相敏解调，获得硅微机械陀螺的输出信号。
当终端S2与输出端D接通时，所述C/V检测接口电路与硅微机械陀螺的检测电极的一端接通；所述现场可编程门阵列FPGA产生自校准参考信号Vp，经数模转换器DAC进行模数转换，将转换后的模拟信号施加到检测电极的另一端；所述C/V检测接口电路将检测电极获得的检测电流Is+转换成检测电压Vs，同时将自校准参考信号Vp在检测电极上产生的校准检测电流信号Is_p转换成校准电压信号Vs_p；所述模数转换器ADC10将检测电压Vs、驱动检测电压Vds、校准电压Vs_p进行模数转换，所述现场可编程门阵列FPGA将转化后的数字信号进行相敏解调，参数获取，进行标度因数自校准，将校准后的硅微机械陀螺的信号进行输出。
进一步的，所述自动增益控制电路AGC包括全波整流电路、低通滤波电路、PI控制电路、乘法器；
所述全波整流电路、低通滤波电路用以将驱动检测电压Vds进行整流、滤波获得驱动检测电压Vds的幅值；
所述PI控制电路用于将驱动检测电压Vds幅值与参考电压Vref进行比较，并将比较的差值经过积分输出一个直流增益信号Vg；
所述乘法器将驱动检测电压Vds乘以增益信号Vg输出驱动电压Vd，实现陀螺仪稳定的闭环驱动。
进一步的，所述现场可编程门阵列FPGA8包括数字滤波模块、第一相敏解调模块、第二相敏解调模块、驱动模态频率提取模块、控制信号生成模块、自校准参考信号生成模块、检测模态频率提取模块、标度因数自校准模块、串口模块；
所述控制信号生成模块用以生成控制开关的控制信号，驱动控制开关的两路的通断以及作为自校准信号的解调基准。该控制信号为方波形式，低电平输出时，控制开关输出端D与终端S1相连，陀螺仪处于正常工作模式，此时硅微机械陀螺仪只有角速度输入，检测电极两端获得一对差分检测电流信号Is+、Is-；当高电平输出时，控制开关输出端D与终端S2相连，同时允许校准电压Vs_p与自校准参考信号Vp相敏解调和驱动模态频率提取，陀螺仪处于标度因数校准模式，此时检测电极一端既有角速度输入，又施加了自校准参考信号Vp，此端作为驱动端。因此，在检测电极另外一端生成了检测电流信号Is+以及校准检测电流信号Is_p。如图2所示。
所述自校准参考信号生成模块用以产生数字自校准参考信号Vp，在检测电极一端施加的自校准参考信号Vp，不影响陀螺仪正常工作的前提是参考信号频率fp必须在陀螺工作带宽之外。陀螺工作具有一定的带宽，一般为100Hz。如图3所示为陀螺工作谐振频率示意图，所施加的自校准参考信号其频率fp需满足条件：fs＞fd＞fp，其中fd为驱动模态固有频率，fs为检测模态固有频率；
(a)当控制信号处于低电平状态时，处于正常工作模式：
所述数字滤波模块用于对数字检测电压信号Vs进行滤波，滤除不在该信号频率范围内的其他信号；
所述第一相敏解调模块用以将经过滤波模块之后的数字检测信号Vs和数字驱动检测信号Vds进行相敏解调，获取检测信号Vs幅值。此时由于没有获取到相关参数，检测信号Vs幅值数据经过标度因数校准模块后并未发生变化，然后传输到串口模块，得到硅微机械陀螺仪输出。
(b)当控制信号处于高电平状态时，处于标度因数自校准模式：
所述数字滤波模块用于将模数转换后的检测电压信号Vs和校准电压信号Vs_p混杂的数字信号进行分解，得到两路信号：数字检测电压信号Vs和数字校准电压信号Vs_p；
所述第一相敏解调模块用以将数字检测电压信号Vs和数字驱动检测电压信号Vds进行相敏解调，获取检测信号Vs幅值；
所述第二相敏解调模块用以将数字校准电压信号Vs_p和数字自校准参考信号Vp进行相敏解调，获取检测信号Vs_p幅值；
所述驱动模态频率提取模块用于在控制开关处于高电平状态对驱动检测电压信号Vds的频率值进行实时获取，并传输到标度因数自校准模块；
所述检测模态频率提取模块用于在控制开关处于高电平状态对检测电压信号Vs的频率值进行实时获取，并传输到标度因数自校准模块；
所述标度因数自校准模块用以对标度因数进行实时校准。
陀螺仪标度因数sf的表达式为：
其中ks为检测轴刚度系数；Ksvi为检测轴振动速度转化为电流的系数，受温度影响较小；Ksiv为C/V检测接口电路电流转化为电压系数；Qs为陀螺仪的品质因数，与设计值相关；Vds为驱动检测电压，可以实时测量；为驱动轴振动速度；
因此标度因数在线校准时，可以在线校准检测灵敏度
由于可得检测轴灵敏度为：
其中ms为检测轴质量，不受温度及环境影响。由此可知，硅微机械陀螺标度因数主要由驱动轴和检测轴谐振频率的差值，以及Ksiv相关。
进一步的，C/V检测接口电路引起的误差为1％左右，所以检测轴灵敏度的变化主要是由检测轴增益引起的。因此在检测灵敏度在线校准时，忽略检测前置放大增益变化的影响。主要通过时测算频差在线校准硅微机械陀螺检测灵敏度。由此可以得到陀螺输出Gout和频差成比例:c为常系数。因此硅微机械陀螺驱动轴和检测轴谐振频率变化引起的频差Δf＝fs-fd的变化是影响检测灵敏度变化的主要因素。
进一步的，为了获得硅微机械陀螺工作实时频差，我们需要实时获得fd以及fs。由于驱动轴在硅微机械陀螺工作时，处于闭环自激振荡状态，我们可以通过实时测量驱动检测信号频率获得fd(t)的值。但是检测模态采用的是开环检测所以无法直接获取硅微机械陀螺检测模态的变化我们需要通过一定的算法进行间接获得检测轴谐振频率。如果我们施加自校准参考信号，可知陀螺仪检测的参考信号输出为：c'为常系数，fp为参考信号频率值。当采用输入频率为fp和幅值为Pm的虚拟基准信号对检测轴谐振频率进行校准时，在该信号经过检测输出后，设测得输出后参考信号的实时幅值为Pm'(t)，所以检测轴相对于输入参考信号的实时增益为：进一步可得实时检测轴谐振频率为：
所以，实时检测轴谐振频率与驱动频率之差为：
可得，补偿后的陀螺实时输出Gout_c(t)为：
其中Δf0为某个温度点的频差，Gout(t)为实时陀螺未补偿输出。
因此，可以通过添加参考信号的方式对陀螺检测灵敏度进行在线自校准，从而实现硅微机械陀螺标度因数在线校准，如图4所示；
进一步的，FPGA内信号的参数提取和标度因数校准过程如下：在自校准模式下，检测信号有两路，分别为真实角速度产生的检测信号Vs和自校准参考信号Vp产生的校准检测电压信号Vs_p，Vs_p和自校准参考信号Vp通过相敏解调可以得到实时基准信号输出的幅值Pm'(t)，通过比较原始幅值便可获得基准信号的增益。Vs和Vds通过相敏解调可以得到实时陀螺未校准输出。驱动检测信号Vds的实时频率fd(t)可通过频率测量模块实时获得。驱动检测信号Vds和检测信号Vs相敏解调可以得到陀螺输出。标度因数自校准原理框图如图5所示。

Claims (5)

1.一种硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统，其特征在于，包括C/V驱动检测接口电路、C/V检测接口电路、自动增益控制电路AGC、控制开关、现场可编程门阵列FPGA、数模转换器DAC、模数转换器ADC；
所述陀螺仪C/V驱动检测接口电路输入端与硅微机械陀螺的动检测电极相连，将驱动检测电极获得的驱动检测电流信号Ids转化为驱动检测电压Vds信号；所述自动增益控制电路AGC将驱动检测电压Vds信号进行幅度控制，输出驱动电压Vd到硅微机械陀螺的驱动电极，用以驱动硅微机械陀螺；所述C/V检测接口电路与硅微机械陀螺的检测电极一端相连；所述控制开关的输出端D与硅微机械陀螺的检测电极另一端相连，其中一源终端S1与C/V检测接口电路相连，另外一源终端S2和所述数模转换器DAC相连；所述C/V检测接口经模数转换器ADC与现场可编程门阵列FPGA相连；所述数模转换器DAC与可编程门阵列FPGA相连；当终端S1与输出端D接通时，所述现场可编程门阵列FPGA将转化后的信号进行相敏解调，获得硅微机械陀螺的输出信号；当终端S2与输出端D接通时，所述现场可编程门阵列FPGA将转化后的数字信号进行相敏解调，参数获取，进行标度因数自校准，将校准后的硅微机械陀螺的信号进行输出。
2.根据权利要求1所述的硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统，其特征在于，所述自动增益控制电路AGC包括全波整流电路、低通滤波电路、PI控制电路、乘法器；
所述全波整流电路、低通滤波电路用以将驱动检测电压Vds进行整流、滤波获得驱动检测电压Vds的幅值；
所述PI控制电路用于将驱动检测电压Vds幅值与参考电压Vref进行比较，并将比较的差值经过积分输出一个直流增益信号Vg；
所述乘法器将驱动检测电压Vds乘以增益信号Vg输出驱动电压Vd，实现陀螺仪稳定的闭环驱动。
3.根据权利要求1所述的硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统，其特征在于，所述现场可编程门阵列FPGA包括数字滤波模块、第一相敏解调模块、第二相敏解调模块、驱动模态频率提取模块、控制信号生成模块、自校准参考信号生成模块、检测模态频率提取模块、标度因数自校准模块、串口模块；
所述控制信号生成模块用以生成控制开关的控制信号，驱动控制开关的两路的通断以及作为自校准信号的解调基准；
所述自校准参考信号生成模块用以产生数字自校准参考信号Vp；
所述第一相敏解调模块用以将经过滤波模块之后的数字检测信号Vs和数字驱动检测信号Vds进行相敏解调，获取检测信号Vs幅值；
当控制信号处于低电平状态时：所述数字滤波模块用于对数字检测电压信号Vs进行滤波；
当控制信号处于高电平状态时，所述数字滤波模块用于将模数转换后的检测电压信号Vs和校准电压信号Vs_p混杂的数字信号进行分解；得到数字检测电压信号Vs和数字校准电压信号Vs_p；所述第二相敏解调模块用以将数字校准电压信号Vs_p和数字自校准参考信号Vp进行相敏解调，获取检测信号Vs_p幅值；
所述驱动模态频率提取模块用于在控制开关处于高电平状态对驱动检测电压信号Vds的频率值进行实时获取，并传输到标度因数自校准模块；
所述检测模态频率提取模块用于在控制开关处于高电平状态对检测电压信号Vs的频率值进行实时获取，并传输到标度因数自校准模块；
所述标度因数自校准模块用以对标度因数进行实时校准。
4.根据权利要求3所述的硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统，其特征在于，所述自校准参考信号生成模块所施加的自校准参考信号其频率fp需满足条件：fs＞fd＞fp，其中fd为驱动模态固有频率，fs为检测模态固有频率。
5.根据权利要求3所述的硅微机械陀螺仪标度因数在线自校准系统，其特征在于，所述标度因数自校准模块补偿后的陀螺实时Gout_c(t)输出：
其中Δf0为某个温度点的频差，Δf为检测模态实时频率与驱动模态实时频率，Gout(t)为实时陀螺未补偿输出，fd(t)为驱动模态实时频率，fs(t)为检测模态实时频差，c'为常系数，Pm自校准为参考信号的幅值，Pm'(t)为输出后参考信号的实时幅值，fp为自校准参考信号的频率。
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