CN110482479B - 一种简化的mems多环谐振陀螺自适应闭环控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对硅微机械多环谐振陀螺的简化的自适应闭环控制方法，属于微机电系统设计领域。该方法使用一个带有积分器及变带宽高通滤波器的自适应控制单元作为陀螺敏感模态闭环控制器，避免了由于调制解调信号引起的相位误差，消除了由于温度变化而引起陀螺仪固有频率发生变化导致的系统稳定性降低；控制器将敏感模态位移信号转换成与哥氏力反相的反馈信号，通过检测反馈信号的大小确定角速度。同时，反馈力反馈至陀螺敏感模态，抑制由哥氏力和外部激扰力引起的陀螺敏感模态振荡，提高陀螺仪系统的稳定性。

Description

一种简化的MEMS多环谐振陀螺自适应闭环控制方法
技术领域
本发明涉及一种针对硅微机械多环谐振陀螺的简化的自适应闭环控制方法，属于微机电系统设计领域。
背景技术
陀螺仪是一种用来测量物体旋转角速率的惯性器件，在导航制导、深空探测、平台稳定控制、汽车工业、消费电子等领域具有重要的应用。
硅微机械多环谐振陀螺由于其高测量精度、超强的稳定性和可靠性、良好的抗冲击振动性及温度性能，逐渐成为近年来硅微机械陀螺仪的研究重点。然而由于硅微机械多环谐振陀螺驱动模态和敏感模态频差较小且品质因数较高的特点，在开环检测时，面对冲击、振动等应用环境，受外部影响较大，且带宽较窄，恶化了陀螺性能。因此，抑制外部环境对敏感模态的影响、扩展其工作带宽对提升多环谐振陀螺具有重要意义。为了实现多环谐振陀螺的带宽扩展及提升陀螺精度，近年来也出现了一些针对多环谐振陀螺的敏感模态闭环控制方法。文献“Half-A-Month Stable 0.2 Degree-Per-Hour Mode-Matched MEMSGyroscope”中描述了一种普遍的适用于多环谐振陀螺的敏感模态闭环控制方法。然而，由于这种方法的控制回路中存在多个调制解调模块，系统控制性能严重依赖于调制和解调模块的相位精度，降低了系统稳定性。文献“Pole-Zero Temperature Compensation CircuitDesign and Experiment for Dual-Mass MEMS Gyroscope Bandwidth Expansion”中提出了一种使用零极点补偿控制器完成敏感模态闭环控制的方法，其中，控制器的截止频率选择和陀螺仪的固有频率相关。而硅微机械陀螺仪固有频率极易受温度影响，因此当温度变化时，由于陀螺仪固有频率发生改变而控制器截止频率不变导致系统带宽发生变化，系统稳定性降低。综上所述，为了消除由于调制解调模块而产生的控制系统的相位误差和由于温度变化而引起陀螺仪固有频率发生变化导致的系统稳定性降低，需要提出一种适用于多环谐振陀螺的简化的自适应敏感模态闭环控制系统。
发明内容
本发明提出一种简化的多环谐振陀螺自适应敏感模态闭环控制方法。通过一种带有积分器及变带宽高通滤波器的自适应控制单元，在不使用调制解调模块的前提下，通过实时调整自适应控制单元的控制带宽，完成敏感模态位移信号到反馈信号的转换。根据敏感模态电路控制原理，将敏感模态位移信号引入控制模块中，并经过电信号到反馈力的转换，得到与由陀螺角速度引起的哥氏力呈反相关系的反馈力，并反馈至陀螺敏感模态，抑制了多环谐振陀螺敏感模态的振动，保持了陀螺敏感模态的稳定；并通过检测反馈电压信号的大小，得到陀螺角速度。
本发明提出的简化的多环谐振陀螺自适应敏感模态闭环控制方法原理是：参考图1。
本发明提出的简化的多环谐振陀螺自适应敏感模态闭环控制方法过程为：
首先，多环谐振陀螺系统由陀螺表头、驱动模态电路以及敏感模态电路组成；其中，陀螺表头又由陀螺驱动模态和陀螺敏感模态组成。陀螺驱动模态的检测信号进入驱动电路模块，经过C/V转换1、增益1、移相器、自动增益控制和V/F转换1模块后，生成驱动力，施加到陀螺驱动模态上，激励驱动模态稳幅振动；其中C/V转换1将电容信号转化成电压信号并通过增益1模块后产生电压信号，再将该电压信号通过移相器进行90°相移，接着通过自动增益控制模块产生直流电压Vdc，并将该直流电压与移相器的输出电压相加后通过V/F转换1得到驱动力，加载到陀螺驱动模态实现陀螺驱动模态稳幅振动。
接着，由于哥氏效应，陀螺敏感模态将受到哥氏力，此外，由于环境中存在外部激扰力作用于陀螺敏感模态；当哥氏力和外部激扰力共同作用于陀螺敏感模态时，由于陀螺敏感模态的高品质因数，陀螺敏感模态同时产生由哥氏力引起的陀螺敏感模态同相响应和由外部激扰力引起的噪声信号；通过敏感模态电路的C/V转换2模块分别得到陀螺敏感模态同相响应和噪声信号对应的电压信号，再经过增益2模块得到放大后的电压信号；该信号经过带有积分器及变带宽高通滤波器的自适应控制单元，得到反馈电压信号，其中，自适应控制单元中变带宽高通滤波器的频率基准由频率提取器从驱动模态电路中增益1的输出信号中提取出来；随后，反馈电压信号分为两路：一路电压信号与驱动模态电路的移相器输出信号相乘，再通过低通滤波器模块得到输入角速度信号；另一路电压信号经过增益3和V/F转换2得到陀螺敏感模态反馈力，反馈至陀螺敏感模态，抑制多环谐振陀螺敏感模态的振动，保持了敏感模态的稳定。
本发明的有益效果是：使用一个带有积分器及变带宽高通滤波器的自适应控制单元作为陀螺敏感模态闭环控制器，避免了由于调制解调信号引起的相位误差，消除了由于温度变化而引起陀螺仪固有频率发生变化导致的系统稳定性降低；控制器将敏感模态位移信号转换成与哥氏力反相的反馈信号，通过检测反馈信号的大小确定角速度。同时，反馈力反馈至陀螺敏感模态，抑制由哥氏力和外部激扰力引起的陀螺敏感模态振荡，提高陀螺仪系统的稳定性。
下面结合图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是实施例中简化的硅微机械多环谐振陀螺自适应闭环控制方法的原理图。
具体实施方式
本实施例中给出了一种简化的硅微机械多环谐振陀螺自适应闭环控制方法，该实施例中的原理为：
首先，陀螺表头中陀螺驱动模态的检测信号进入驱动模态电路，C/V转换1将电容信号转化成电压信号并通过增益1后的电压信号为k0Xsin(ωd(T)t)，其中k0为移相器输出到增益1输出的增益，X为驱动位移，ωd(T)为陀螺驱动模态谐振频率，且是温度T的函数；增益k0为0.2V/μm，驱动位移X设为0.5μm，移相器产生90°相移后变为0.1cos(ωd(T)t)、通过自动增益控制单元后，驱动激励直流电压Vdc为2V，再与0.1cos(ωd(T)t)相加后通过V/F转换1得到驱动力并施加到陀螺表头驱动激励电极控制驱动模态稳幅振荡在0.5μm。
接着，环境中存在外部激扰力e(t)＝fedcos(ωst+ξ),其中，fed为外部激扰力的幅值；ωs为陀螺敏感模态谐振频率；ξ为相位偏移。从外部激扰力到敏感模态振动位移的传递函数可以写成
Figure BDA0002132411410000031
其中ms为敏感模态的等效质量；Qs为敏感模态的品质因数。当陀螺驱动模态稳定工作时，外部激扰力作用于陀螺敏感模态，陀螺敏感模态受到外部激扰力的位移响应为
Figure BDA0002132411410000032
可知，由外部激扰力引起的敏感模态振荡幅值主要受外部激扰力幅值fed和陀螺敏感模态品质因数Qs控制。位移信号经过C/V转换2和增益2后输出电压信号
Figure BDA0002132411410000033
其中
Figure BDA0002132411410000034
为C/V转换2和增益2的共同增益。电压信号经过带有积分器及变带宽高通滤波器的自适应控制单元，转换为陀螺敏感模态控制电压
Figure BDA0002132411410000041
其中
Figure BDA0002132411410000042
为自适应控制单元的增益；η是积分器引起的微弱相位漂移。该信号被移相器后的电压信号k0X cos(ωd(T)t)解调，并通过低通滤波器1，得到输出信号
Figure BDA0002132411410000043
在通过自适应高通滤波器后的信号经由增益3和V/F转换2，产生敏感模态反馈力Fs。该力与外部激扰力呈反相关系，与外部激扰力相抵消，消除陀螺敏感模态由于外部激扰产生的振荡。
当有角速度输入至陀螺系统中，在敏感模态电路中，从哥氏力到敏感闭环反馈力的开环传递函数为
Figure BDA0002132411410000044
GC/V为陀螺敏感模态振动位移转换到电压信号的增益；KI为自适应控制单元中积分器的增益；HH(s)为自适应控制单元中变带宽高通滤波器的传递函数，且
Figure BDA0002132411410000045
ωc为变带宽高通滤波器的截止频率，略小于ωd。由于陀螺驱动模态谐振频率随温度的变化而变化，使用频率提取器从增益1后将驱动模态固有频率提取出来，表示为ωd(T)。在变带宽高通滤波器中，其截止频率随驱动模态谐振频率的变化而变化，则ωc＝ωd(T)+ωc0，其中ωc0为室温25℃时ωc的基准值。自适应控制单元在抑制噪声的同时，保持频域(ωd-ωΩ,ωd+ωΩ)内的频响特性，其中，ωΩ＝2πfΩ为外界角速度的输入角频率。控制系统的闭环传递函数为
Figure BDA0002132411410000046
则通过闭环控制后在自适应高通滤波器输出的信号为
Figure BDA0002132411410000047
在输出信号被k0X cos(ωd(T)t)所解调，并经过低通滤波器HL(s)，得到角速度输出信号
Figure BDA0002132411410000048
由上述可知，在简化的自适应敏感模态电路中，通过自适应控制单元中积分器和变带宽高通滤波器的共同作用，在使陀螺仪敏感模态不产生位移的同时，检测出外部角速度。同时抑制了外部噪声在其敏感模态上产生的振荡。避免了由于调制解调信号引起的相位误差，提高了在陀螺仪固有频率变化时的系统稳定性。

Claims (1)

1.一种简化的多环谐振陀螺自适应敏感模态闭环控制方法，其特征在于，包括如下过程：
首先，多环谐振陀螺系统由陀螺表头、驱动模态电路以及敏感模态电路组成；其中，陀螺表头又由陀螺驱动模态和陀螺敏感模态组成；陀螺驱动模态的检测信号进入驱动模态电路，经过C/V转换1、增益1、移相器、自动增益控制和V/F转换1模块后，生成驱动力，施加到陀螺驱动模态上，激励驱动模态稳幅振动；其中C/V转换1将电容信号转化成电压信号并通过增益1模块后产生电压信号，再将该电压信号通过移相器进行90°相移，接着通过自动增益控制模块产生直流电压Vdc，并将该直流电压与移相器的输出电压相加后通过V/F转换1得到驱动力，加载到陀螺驱动模态实现陀螺驱动模态稳幅振动；
接着，由于哥氏效应，陀螺敏感模态将受到哥氏力，此外，由于环境中存在外部激扰力作用于陀螺敏感模态；当哥氏力和外部激扰力共同作用于陀螺敏感模态时，由于陀螺敏感模态的高品质因数，陀螺敏感模态同时产生由哥氏力引起的陀螺敏感模态同相响应和由外部激扰力引起的噪声信号；通过敏感模态电路的C/V转换2模块分别得到陀螺敏感模态同相响应和噪声信号对应的电压信号，再经过增益2模块得到放大后的电压信号；该信号经过带有积分器及变带宽高通滤波器的自适应控制单元，得到反馈电压信号，其中，自适应控制单元中变带宽高通滤波器的频率基准由频率提取器从驱动模态电路中增益1的输出信号中提取出来；随后，反馈电压信号分为两路：一路电压信号与驱动模态电路的移相器输出信号相乘，再通过低通滤波器模块得到输入角速度信号；另一路电压信号经过增益3和V/F转换2得到陀螺敏感模态反馈力，反馈至陀螺敏感模态，抑制多环谐振陀螺敏感模态的振动，保持敏感模态的稳定。
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