CN110542437B - 驱动-检测模态互换的微机械陀螺机械灵敏度自补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微机械陀螺机械灵敏度补偿技术，具体是一种驱动‑检测模态互换的微机械陀螺机械灵敏度自补偿方法。本发明解决了微机械陀螺环境适应能力差的问题。驱动‑检测模态互换的微机械陀螺机械灵敏度自补偿方法，该方法是采用如下步骤实现的：步骤S1：构建自补偿控制模块；步骤S2：自补偿控制器设定微机械陀螺的如下参数：机械灵敏度的目标值S₀；步骤S3：在驱动模态下，测频模块实时测量激励电压信号的频率；步骤S4：在检测模态下，测频模块实时测量激励电压信号的频率；步骤S5：计算出调节电压信号的控制值R；步骤S6：驱动闭环回路根据调节电压信号设定微机械陀螺的实时驱动模态振动幅值A_x。本发明适用于微机械陀螺。

Description

驱动-检测模态互换的微机械陀螺机械灵敏度自补偿方法

技术领域

本发明涉及微机械陀螺机械灵敏度补偿技术，具体是一种驱动-检测模态互换的微机械陀螺机械灵敏度自补偿方法。

背景技术

微机械陀螺是一种采用哥氏效应原理敏感载体输入角速率信息的传感器，其具有体积小、功耗低、重量轻、成本低、抗过载特性强、易于集成化和批量生产等优点，并广泛应用于诸多领域(比如惯性导航、汽车安全、工业控制、消费电子等)。如图1～图2所示，微机械陀螺包括陀螺结构、模态自激振荡模块。所述陀螺结构包括驱动轴向结构、检测轴向结构、哥氏质量。所述驱动轴向结构包括驱动模态激励模块、驱动模态位移检测模块。所述检测轴向结构包括检测模态激励模块、检测模态位移检测模块。所述模态自激振荡模块包括驱动闭环回路。所述驱动闭环回路包括驱动前级放大接口、驱动次级放大器、90°移相器、整流器、驱动低通滤波器、驱动位移幅值设置装置、驱动比较器、驱动位移控制器、驱动调制器、驱动直流信号叠加装置。微机械陀螺仪的工作模态包含驱动模态和检测模态。微机械陀螺在实际应用过程中，其机械灵敏度往往因外界环境因素(例如温度、气压、冲击、振动等)影响而发生漂移，由此导致其环境适应能力差。基于此，有必要发明一种全新的微机械陀螺机械灵敏度补偿方法，以解决微机械陀螺环境适应能力差的问题。

发明内容

本发明为了解决微机械陀螺环境适应能力差的问题，提供了一种驱动-检测模态互换的微机械陀螺机械灵敏度自补偿方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

驱动-检测模态互换的微机械陀螺机械灵敏度自补偿方法，该方法是采用如下步骤实现的：

步骤S1：构建自补偿控制模块；

所述自补偿控制模块包括自补偿控制器、测频模块、模态切换控制模块、数据存储模块、第一切换开关、第二切换开关；

自补偿控制器分别与测频模块、数据存储模块双向连接；自补偿控制器的输出端分别与模态切换控制模块的输入端、驱动闭环回路的第一输入端连接；测频模块的输入端与驱动闭环回路的输出端连接；模态切换控制模块的第一输出端与第一切换开关的控制端连接；模态切换控制模块的第二输出端与第二切换开关的控制端连接；第一切换开关的动触头与驱动闭环回路的输出端连接；第一切换开关的第一静触头与驱动模态激励模块的输入端连接；第一切换开关的第二静触头与检测模态激励模块的输入端连接；第二切换开关的动触头与驱动闭环回路的第二输入端连接；第二切换开关的第一静触头与驱动模态位移检测模块的输出端连接；第二切换开关的第二静触头与检测模态位移检测模块的输出端连接；

步骤S2：自补偿控制器设定微机械陀螺的如下参数：机械灵敏度的目标值S₀、调节电压信号的初始值R₀、比例系数k、初始检测模态谐振频率ω_y0、初始驱动模态谐振频率ω_x0、初始驱动模态振动幅值A_x0；上述参数满足如下关系：

R₀＝kA_x0；

然后，自补偿控制器将上述参数送入数据存储模块进行存储；

步骤S3：自补偿控制器向模态切换控制模块发送指令，模态切换控制模块根据指令控制第一切换开关、第二切换开关进行动作，由此使得第一切换开关的动触头和第一静触头接通、第二切换开关的动触头和第一静触头接通；此时，驱动闭环回路产生的激励电压信号送入驱动模态激励模块，驱动模态位移检测模块产生的驱动位移信号送入驱动闭环回路，微机械陀螺的工作模态为驱动模态；

在驱动模态下，测频模块实时测量激励电压信号的频率，该频率即为微机械陀螺的实时驱动模态谐振频率ω_x；然后，测频模块将实时驱动模态谐振频率ω_x送入自补偿控制器，自补偿控制器将实时驱动模态谐振频率ω_x送入数据存储模块进行存储；

步骤S4：自补偿控制器向模态切换控制模块发送指令，模态切换控制模块根据指令控制第一切换开关、第二切换开关进行动作，由此使得第一切换开关的动触头和第二静触头接通、第二切换开关的动触头和第二静触头接通；此时，驱动闭环回路产生的激励电压信号送入检测模态激励模块，检测模态位移检测模块产生的检测位移信号送入驱动闭环回路，微机械陀螺的工作模态为检测模态；

在检测模态下，测频模块实时测量激励电压信号的频率，该频率即为微机械陀螺的实时检测模态谐振频率ω_y；然后，测频模块将实时检测模态谐振频率ω_y送入自补偿控制器，自补偿控制器将实时检测模态谐振频率ω_y送入数据存储模块进行存储；

步骤S5：自补偿控制器从数据存储模块中读出微机械陀螺的如下参数：调节电压信号的初始值R₀、初始检测模态谐振频率ω_y0、初始驱动模态谐振频率ω_x0、实时检测模态谐振频率ω_y、实时驱动模态谐振频率ω_x；然后，自补偿控制器根据上述参数计算出调节电压信号的控制值R；计算公式如下：

步骤S6：自补偿控制器将调节电压信号送入驱动闭环回路；驱动闭环回路根据调节电压信号设定微机械陀螺的实时驱动模态振动幅值A_x；设定公式如下：

R＝kA_x；

此时，微机械陀螺的机械灵敏度的实时值S_machenical等于机械灵敏度的目标值S₀，即

由此实现机械灵敏度的自补偿。

本发明所述的驱动-检测模态互换的微机械陀螺机械灵敏度自补偿方法通过采用全新原理，实现了对微机械陀螺的机械灵敏度进行自补偿，由此有效防止了微机械陀螺的机械灵敏度发生漂移，从而有效增强了微机械陀螺的环境适应能力。

本发明有效解决了微机械陀螺环境适应能力差的问题，适用于微机械陀螺。

附图说明

图1是本发明中微机械陀螺和自补偿控制模块的结构示意图。

图2是本发明中驱动闭环回路的结构示意图。

具体实施方式

驱动-检测模态互换的微机械陀螺机械灵敏度自补偿方法，该方法是采用如下步骤实现的：

步骤S1：构建自补偿控制模块；

所述自补偿控制模块包括自补偿控制器、测频模块、模态切换控制模块、数据存储模块、第一切换开关K1、第二切换开关K2；

自补偿控制器分别与测频模块、数据存储模块双向连接；自补偿控制器的输出端分别与模态切换控制模块的输入端、驱动闭环回路的第一输入端连接；测频模块的输入端与驱动闭环回路的输出端连接；模态切换控制模块的第一输出端与第一切换开关K1的控制端连接；模态切换控制模块的第二输出端与第二切换开关K2的控制端连接；第一切换开关K1的动触头与驱动闭环回路的输出端连接；第一切换开关K1的第一静触头与驱动模态激励模块的输入端连接；第一切换开关K1的第二静触头与检测模态激励模块的输入端连接；第二切换开关K2的动触头与驱动闭环回路的第二输入端连接；第二切换开关K2的第一静触头与驱动模态位移检测模块的输出端连接；第二切换开关K2的第二静触头与检测模态位移检测模块的输出端连接；

步骤S2：自补偿控制器设定微机械陀螺的如下参数：机械灵敏度的目标值S₀、调节电压信号U的初始值R₀、比例系数k、初始检测模态谐振频率ω_y0、初始驱动模态谐振频率ω_x0、初始驱动模态振动幅值A_x0；上述参数满足如下关系：

R₀＝kA_x0；

然后，自补偿控制器将上述参数送入数据存储模块进行存储；

步骤S3：自补偿控制器向模态切换控制模块发送指令，模态切换控制模块根据指令控制第一切换开关K1、第二切换开关K2进行动作，由此使得第一切换开关K1的动触头和第一静触头接通、第二切换开关K2的动触头和第一静触头接通；此时，驱动闭环回路产生的激励电压信号S送入驱动模态激励模块，驱动模态位移检测模块产生的驱动位移信号XV送入驱动闭环回路，微机械陀螺的工作模态为驱动模态；

在驱动模态下，测频模块实时测量激励电压信号S的频率，该频率即为微机械陀螺的实时驱动模态谐振频率ω_x；然后，测频模块将实时驱动模态谐振频率ω_x送入自补偿控制器，自补偿控制器将实时驱动模态谐振频率ω_x送入数据存储模块进行存储；

步骤S4：自补偿控制器向模态切换控制模块发送指令，模态切换控制模块根据指令控制第一切换开关K1、第二切换开关K2进行动作，由此使得第一切换开关K1的动触头和第二静触头接通、第二切换开关K2的动触头和第二静触头接通；此时，驱动闭环回路产生的激励电压信号S送入检测模态激励模块，检测模态位移检测模块产生的检测位移信号YV送入驱动闭环回路，微机械陀螺的工作模态为检测模态；

在检测模态下，测频模块实时测量激励电压信号S的频率，该频率即为微机械陀螺的实时检测模态谐振频率ω_y；然后，测频模块将实时检测模态谐振频率ω_y送入自补偿控制器，自补偿控制器将实时检测模态谐振频率ω_y送入数据存储模块进行存储；

步骤S5：自补偿控制器从数据存储模块中读出微机械陀螺的如下参数：调节电压信号U的初始值R₀、初始检测模态谐振频率ω_y0、初始驱动模态谐振频率ω_x0、实时检测模态谐振频率ω_y、实时驱动模态谐振频率ω_x；然后，自补偿控制器根据上述参数计算出调节电压信号U的控制值R；计算公式如下：

步骤S6：自补偿控制器将调节电压信号U送入驱动闭环回路；驱动闭环回路根据调节电压信号U设定微机械陀螺的实时驱动模态振动幅值A_x；设定公式如下：

R＝kA_x；

此时，微机械陀螺的机械灵敏度的实时值S_machenical等于机械灵敏度的目标值S₀，即

由此实现机械灵敏度的自补偿。

具体实施时，驱动位移幅值设置装置的输入端作为驱动闭环回路的第一输入端；驱动前级放大接口的输入端作为驱动闭环回路的第二输入端；驱动直流信号叠加装置的输出端作为驱动闭环回路的输出端；

激励电压信号S的具体产生步骤如下：驱动前级放大接口对驱动位移信号XV/检测位移信号YV进行提取和初步放大；驱动次级放大器对驱动前级放大接口的输出信号进行进一步放大；90°移相器对驱动次级放大器的输出信号进行转换；整流器对90°移相器的输出信号进行整流；驱动低通滤波器对整流器的输出信号的幅值信号进行提取；驱动位移幅值设置装置根据调节电压信号U设定驱动模态振动幅值；驱动比较器对驱动低通滤波器的输出信号和驱动位移幅值设置装置的输出信号进行比较；驱动位移控制器根据驱动比较器的输出信号产生控制信号；驱动调制器以90°移相器的输出信号为基准，对驱动位移控制器的输出信号进行调制；驱动直流信号叠加装置对驱动调制器的输出信号进行叠加；驱动直流信号叠加装置的输出信号作为激励电压信号S。

Claims (1)

1.一种驱动-检测模态互换的微机械陀螺机械灵敏度自补偿方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：

步骤S1：构建自补偿控制模块；

所述自补偿控制模块包括自补偿控制器、测频模块、模态切换控制模块、数据存储模块、第一切换开关K1、第二切换开关K2；

自补偿控制器分别与测频模块、数据存储模块双向连接；自补偿控制器的输出端分别与模态切换控制模块的输入端、驱动闭环回路的第一输入端连接；测频模块的输入端与驱动闭环回路的输出端连接；模态切换控制模块的第一输出端与第一切换开关K1的控制端连接；模态切换控制模块的第二输出端与第二切换开关K2的控制端连接；第一切换开关K1的动触头与驱动闭环回路的输出端连接；第一切换开关K1的第一静触头与驱动模态激励模块的输入端连接；第一切换开关K1的第二静触头与检测模态激励模块的输入端连接；第二切换开关K2的动触头与驱动闭环回路的第二输入端连接；第二切换开关K2的第一静触头与驱动模态位移检测模块的输出端连接；第二切换开关K2的第二静触头与检测模态位移检测模块的输出端连接；

步骤S2：自补偿控制器设定微机械陀螺的如下参数：机械灵敏度的目标值S₀、调节电压信号U的初始值R₀、比例系数k、初始检测模态谐振频率ω_y0、初始驱动模态谐振频率ω_x0、初始驱动模态振动幅值A_x0；上述参数满足如下关系：

R₀＝kA_x0；

然后，自补偿控制器将上述参数送入数据存储模块进行存储；

步骤S3：自补偿控制器向模态切换控制模块发送指令，模态切换控制模块根据指令控制第一切换开关K1、第二切换开关K2进行动作，由此使得第一切换开关K1的动触头和第一静触头接通、第二切换开关K2的动触头和第一静触头接通；此时，驱动闭环回路产生的激励电压信号S送入驱动模态激励模块，驱动模态位移检测模块产生的驱动位移信号XV送入驱动闭环回路，微机械陀螺的工作模态为驱动模态；

在驱动模态下，测频模块实时测量激励电压信号S的频率，该频率即为微机械陀螺的实时驱动模态谐振频率ω_x；然后，测频模块将实时驱动模态谐振频率ω_x送入自补偿控制器，自补偿控制器将实时驱动模态谐振频率ω_x送入数据存储模块进行存储；

步骤S4：自补偿控制器向模态切换控制模块发送指令，模态切换控制模块根据指令控制第一切换开关K1、第二切换开关K2进行动作，由此使得第一切换开关K1的动触头和第二静触头接通、第二切换开关K2的动触头和第二静触头接通；此时，驱动闭环回路产生的激励电压信号S送入检测模态激励模块，检测模态位移检测模块产生的检测位移信号YV送入驱动闭环回路，微机械陀螺的工作模态为检测模态；

在检测模态下，测频模块实时测量激励电压信号S的频率，该频率即为微机械陀螺的实时检测模态谐振频率ω_y；然后，测频模块将实时检测模态谐振频率ω_y送入自补偿控制器，自补偿控制器将实时检测模态谐振频率ω_y送入数据存储模块进行存储；

步骤S5：自补偿控制器从数据存储模块中读出微机械陀螺的如下参数：调节电压信号U的初始值R₀、初始检测模态谐振频率ω_y0、初始驱动模态谐振频率ω_x0、实时检测模态谐振频率ω_y、实时驱动模态谐振频率ω_x；然后，自补偿控制器根据上述参数计算出调节电压信号U的控制值R；计算公式如下：

步骤S6：自补偿控制器将调节电压信号U送入驱动闭环回路；驱动闭环回路根据调节电压信号U设定微机械陀螺的实时驱动模态振动幅值A_x；设定公式如下：

R＝kA_x；

此时，微机械陀螺的机械灵敏度的实时值S_machenical等于机械灵敏度的目标值S₀，即

由此实现机械灵敏度的自补偿；

驱动位移幅值设置装置的输入端作为驱动闭环回路的第一输入端；驱动前级放大接口的输入端作为驱动闭环回路的第二输入端；驱动直流信号叠加装置的输出端作为驱动闭环回路的输出端；

激励电压信号S的具体产生步骤如下：驱动前级放大接口对驱动位移信号XV/检测位移信号YV进行提取和初步放大；驱动次级放大器对驱动前级放大接口的输出信号进行进一步放大；90°移相器对驱动次级放大器的输出信号进行转换；整流器对90°移相器的输出信号进行整流；驱动低通滤波器对整流器的输出信号的幅值信号进行提取；驱动位移幅值设置装置根据调节电压信号U设定驱动模态振动幅值；驱动比较器对驱动低通滤波器的输出信号和驱动位移幅值设置装置的输出信号进行比较；驱动位移控制器根据驱动比较器的输出信号产生控制信号；驱动调制器以90°移相器的输出信号为基准，对驱动位移控制器的输出信号进行调制；驱动直流信号叠加装置对驱动调制器的输出信号进行叠加；驱动直流信号叠加装置的输出信号作为激励电压信号S。

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