CN111024056A - 一种高动态输入的mems陀螺带宽扩展闭环控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对高动态输入的MEMS环形谐振陀螺带宽扩展闭环控制方法，属于微机电系统设计领域。该方法过程为：陀螺表头由位移导致的电容量变化经C/V转换后，分别进入带通滤波器2和带阻滤波器，分离出正交信号和同相信号后，正交信号依次经微分器1、高通滤波器1、带通滤波器1以及增益1得到正交反馈电信号，同相信号依次经微分器2、高通滤波器2、带通滤波器3以及增益2得到同相反馈电信号，两路反馈电信号经求和后，经V/F转换后反馈至陀螺表头的敏感模态。该方法极大抑制正交误差和同相误差，同时扩宽陀螺带宽，显著增加了陀螺角速度动态输入范围。此外，双闭环控制电路无需调制解调模块，避免了解调模块存在的相位噪声恶化角速度输出精度。下面结合图和实例对本发明进一步说明。

Description

一种高动态输入的MEMS陀螺带宽扩展闭环控制方法
技术领域
本发明涉及一种针对高动态输入的MEMS环形谐振陀螺带宽扩展闭环控制方法，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，由于其低成本、低功耗等优点被广泛运用于汽车工业、消费电子、导航系统等领域。
MEMS环形谐振陀螺由于其高测量精度、超强的稳定性、良好的温度特性以及抗冲击性，近期成为该领域研究热点。然而，该陀螺结构在高品质因数作用下固有模态频差小导致其在开环工作模式时响应带宽极窄，从而显著制约其使用范围。因此，扩宽该陀螺工作带宽、增大其测量范围是该技术领域的重要研究内容。文献“A mode-matched force-rebalance control for a MEMS vibratory gyroscope”描述了经典的双闭环控制方法，同时抑制了正交误差和同相误差，该方法有效地提高了陀螺的工作带宽，增大了陀螺的测量范围；然而，双闭环控制回路中存在多个调制解调模块，电路复杂度显著增加，同时，解调信号相位噪声显著影响角速度输出精度；进一步，文献“A novel narrow-band forcerebalance control method for the sense mode of MEMS vibratory gyroscopes”提出了一种改进的单闭环力反馈控制方案，该方案利用窄带带通滤波器作为闭环控制器，正交误差和同相误差之和作为被控制信号，通过单闭环控制回路显著抑制两误差之和，从而使陀螺的信噪比升高，带宽得以扩展；然而，当高动态角速度作用时，正交误差与角速度调制的同相误差之间的频率差显著增大，当该频率差大于带通滤波器的带宽时，带通滤波器对两路误差信号幅值的抑制能力显著变化，这导致正交误差残余项很难被有效抑制，从而使陀螺的信噪比显著降低。因此，为了抑制高动态输入下的正交误差以及同相误差，扩展陀螺工作带宽，增大其测量范围，同时避免解调模块存在的相位噪声恶化角速度输出精度，本文提出一种适用于高动态输入的MEMS环形谐振陀螺带宽扩展闭环控制方法。
发明内容
本发明提出一种适用于高动态输入的MEMS环形谐振陀螺带宽扩展闭环控制方法。该方法使用带通滤波器和带阻滤波器分离正交误差与高动态角速度调制的同相误差，然后通过双闭环控制电路分别抑制两误差项。其中，正交误差为窄带信号，利用正交误差闭环控制电路实现有效抑制，而高动态角速度调制的同相误差为频差较大的双边调制信号，利用同相误差闭环控制电路实现有效抑制。正交误差闭环控制电路包括带通滤波器2、微分器1、高通滤波器1、带通滤波器1以及增益1。同相误差闭环控制回路包括带阻滤波器、微分器2、高通滤波器2、带通滤波器3以及增益2。其中，带通滤波器2和带阻滤波器的作用分别是分离正交误差与同相误差；微分器1和微分器2完成位移信号至速度信号的转换，同时增加系统阻尼从而使陀螺带宽得以扩展；高通滤波器1和高通滤波器2滤除由各自前端电路产生的低频噪声；带通滤波器1和带通滤波器3作为所在环路中的闭环控制器，使陀螺在工作频带内的响应更加平稳，增益1和增益2的作用是调节各自环路增益。此外，该双闭环控制电路中还包括C/V转换与V/F转换，其作用分别是读取电容信号和完成电信号至静电力的转换。控制回路无需调制解调模块，因此避免了解调信号的相位噪声恶化角速度输出精度。该方法有效地扩宽了陀螺的工作带宽，显著增大了陀螺的动态范围。
本发明提出的高动态输入的MEMS环形谐振陀螺带宽扩展闭环控制方法原理是：参考图1。
本发明提出的高动态输入的MEMS环形谐振陀螺带宽扩展闭环控制方法实现过程为：
陀螺表头的敏感模态同时受到科氏力和正交力的作用，由位移导致的电容量变化经C/V转换后，分别进入带通滤波器2和带阻滤波器，所述带阻滤波器的阻带为所述带通滤波器2的通带，敏感模态的固有频率位于所述带通滤波器2的通频段内；带通滤波器2和带阻滤波器分离出正交信号和同相信号后，正交信号依次经微分器1、高通滤波器1、带通滤波器1以及增益1得到正交反馈电信号，同相信号依次经微分器2、高通滤波器2、带通滤波器3以及增益2得到同相反馈电信号，两路反馈电信号经求和后，经V/F转换后反馈至陀螺表头的敏感模态。
工作原理分析：环形谐振陀螺在闭环驱动电路的控制下稳幅振动。由于科氏效应，陀螺敏感模态将受到科氏力的作用，此外，由于陀螺的加工工艺存在不可避免的加工误差，导致环形陀螺质量和刚度分布不完全对称，因此，除了科氏力的作用，陀螺的敏感模态还受到由驱动位移直接耦合的力，该力与科氏力成90°相位关系，被称为正交力。在科氏力和正交力的共同作用下，陀螺敏感模态将会同时产生由科氏力引起的同相响应和由正交力引起的正交响应。当陀螺有高动态角速度作用时，同相信号与正交信号之间的频率差显著增大，由于正交信号为窄带信号而同相信号为频差较大的双边调制信号，因此，通过带通滤波器2和带阻滤波器可以有效地分离正交信号和同相信号；微分器1和微分器2分别使分离得到的两项位移信号转换为相应的速度信号，同时增加了闭环系统的阻尼；速度信号再经过高通滤波器滤除由前级速度检测环节产生的低频噪声，滤波后的信号经过带通滤波器1和带通滤波器3后，得到反馈信号，其中，带通滤波器1和带通滤波器3作为各自环路的闭环控制器，通过调节其通频带范围使陀螺响应更加平稳；随后，双路反馈信号经过不同的增益放大后转换为敏感模态反馈力，作用于陀螺敏感模态从而抑制陀螺敏感模态位移。同时，同相反馈信号经过解调后，得到了包含角速度信息的电压信号，再通过低通滤波器得到输入角速度信号。
本发明的有益效果是：通过带通滤波器和带阻滤波器分离正交信号与高频角速度调制的同相信号，然后通过双闭环控制电路，极大抑制正交误差和同相误差，同时扩宽陀螺带宽，显著增加了陀螺角速度动态输入范围。此外，双闭环控制电路无需调制解调模块，避免了解调模块存在的相位噪声恶化角速度输出精度。下面结合图和实例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是实施例中高动态输入的MEMS环形谐振陀螺敏感模态带宽扩展闭环控制方法的原理图。
图2是实施例中系统频率响应图
具体实施方式
本实施例中给出了一种高动态输入的MEMS环形谐振陀螺带宽扩展闭环控制方法，该实施例中的原理为：
首先，陀螺在驱动闭环电路的控制下稳幅振荡，当有高动态角速度作用时，科氏效应产生的科氏力大小为2Ωcos(ωΩt)mωdX cos(ωdt)，其中X为驱动模态振幅，ωd为驱动模态谐振频率，Ω为输入角速度大小，ωΩ为角速度的频率，同时，由于刚度交叉耦合导致的正交力大小为2ΩqmωdX sin(ωdt)，Ωq为正交等效角速度大小。假设驱动模态振幅为0.5μm，驱动模态谐振频率ωd为3534·2πrad/s，敏感模态谐振频率ωs为3550·2πrad/s，输入角速度大小Ω为2rad/s，角速度频率ωΩ为300·2πrad/s，等效正交角速度大小Ωq为1rad/s。陀螺敏感模态传递函数可以写成
Figure BDA0002325443050000041
其中ms为敏感模态的等效质量；Qs为敏感模态的品质因数。当陀螺稳幅振荡时，正交力作用于陀螺敏感模态，相应的位移响应为
Figure BDA0002325443050000042
其中Fq为正交力的幅值，由正交力引起的敏感模态位移大小由正交力幅值Fq以及敏感模态品质因数Qs决定，假设敏感模态的等效质量ms为2×10-7kg，品质因数Qs为20000，则正交力的幅值Fq为6·π·10-9N，进而得到正交位移大小为0.106um，该位移信号经过C/V转换后输出电压信号为
Figure BDA0002325443050000051
由于该电压信号为窄带信号因此可以通过带通滤波器2。假设带通滤波器2的增益为1，则滤波后的信号经过微分器1后得到的速度电压信号为
Figure BDA0002325443050000052
其中，
Figure BDA0002325443050000053
为C/V转换的增益，该速度电压信号经过高通滤波器1滤除夹杂的低频噪声后进入带通滤波器1，假设高通滤波器1的增益为1，则由带通滤波器1生成的控制电压为
Figure BDA0002325443050000054
其中，Gc为带通滤波器1的增益，ηq是带通滤波器1产生的微弱相位漂移。该电压信号经过增益1和V/F转换后生成抑制正交的反馈力，由此可得正交抑制力为
Figure BDA0002325443050000055
其中，
Figure BDA0002325443050000056
G1分别为V/F转换和增益1的增益。假设
Figure BDA0002325443050000057
为1×10-7，控制器增益Gc为1，增益1G1为3.3×105π，则正交抑制力的大小为Fsq＝Fq＝6·π·10-9N。同时，正交抑制力的相位与正交力的相位满足反向关系从而可以有效抑制由正交引起的陀螺敏感模态的振动，同理可以推导出同相误差闭环控制电路的力反馈原理。由科氏力引起的陀螺敏感模态的位移响应为
Figure BDA0002325443050000058
其中，Fc为科氏力的幅值，该位移信号为双边调制信号因此可以通过带阻滤波器，然后经过微分器2、高通滤波器2、带通滤波器3和增益2得到同相闭环控制电压为
Figure BDA0002325443050000059
其中，GΩ为高通滤波器2、带通滤波器3、增益2的共同增益，ηΩ为带通滤波器3产生的微弱相位漂移。该控制电压通过低通滤波器之后得到输出信号为
Figure BDA00023254430500000510
其中Gl为低通滤波器的增益。控制电压和作用力满足反相关系从而可以抑制掉敏感位移。
取同相误差闭环控制电路为例对陀螺系统进行频域分析，设C/V转换、V/F转换以及增益2产生的共同增益为G2，高通滤波器2的传递函数为
Figure BDA00023254430500000511
带通滤波器3的传递函数为
Figure BDA0002325443050000061
带阻滤波器的传递函数为
Figure BDA0002325443050000062
陀螺敏感模态传递函数为
Figure BDA0002325443050000063
其中，ωh2为高通滤波器2的截止频率，δb3ωb3、δbeωbe分别为带通滤波器3和带阻滤波器的阻尼比和中心频率，ms、ωs、Qs分别为陀螺敏感模态的有效质量、固有频率以及品质因数。由此可得从科氏力到同相闭环反馈力的开环传递函数为D(s)＝G2sH2(s)B3(s)Be(s)Hgy(s)。陀螺敏感模态为高q值的二阶振荡系统，典型的二阶振荡系统的传递函数为
Figure BDA0002325443050000064
其闭环传递函数为
Figure BDA0002325443050000065
当在环路中加入微分器和增益环节后，开环传递函数变为H2(s)＝sGH1(s)，闭环传递函数变为
Figure BDA0002325443050000066
由此知当加入微分器后，闭环系统阻尼比增大，而Q值和阻尼δ成反比，因此系统Q值降低，进而提高了陀螺的带宽。系统频率响应如图2所示，由图可知系统带宽由13Hz提高至1420Hz。
由开环传递函数D(s)推得控制系统的闭环传递函数为
Figure BDA0002325443050000067
由此推导闭环控制电压和角速度的关系为
Figure BDA0002325443050000068
其中GΩ为科氏效应对角速度的增益，Kvf为V/F转换的增益。控制电压通过低通滤波器被cosωdt解调后得到角速度输出为
Figure BDA0002325443050000069
其中低通滤波器的传递函数L(s)为
Figure BDA00023254430500000610
由此可知，利用该双闭环控制电路，有效抑制了正交误差和高动态角速度调制的同相误差，扩展了陀螺带宽，显著增大了陀螺动态测量范围，同时，闭环控制回路中无需调制解调模块，避免了调制解调信号相位噪声恶化角速度输出精度。

Claims (1)

1.一种高动态输入的MEMS陀螺带宽扩展闭环控制方法，其特征在于过程如下：陀螺表头的敏感模态同时受到科氏力和正交力的作用，由位移导致的电容量变化经C/V转换后，分别进入带通滤波器2和带阻滤波器，所述带阻滤波器的阻带为所述带通滤波器2的通带，敏感模态的固有频率位于所述带通滤波器2的通频段内；带通滤波器2和带阻滤波器分离出正交信号和同相信号后，正交信号依次经微分器1、高通滤波器1、带通滤波器1以及增益1得到正交反馈电信号，同相信号依次经微分器2、高通滤波器2、带通滤波器3以及增益2得到同相反馈电信号，两路反馈电信号经求和后，经V/F转换后反馈至陀螺表头的敏感模态。
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