CN111412907A

CN111412907A - 一种微机电多环陀螺的全角测控电路系统

Info

Publication number: CN111412907A
Application number: CN201911396748.7A
Authority: CN
Inventors: 周怡; 樊琦; 苏岩
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2020-07-14
Anticipated expiration: 2039-12-30
Also published as: CN111412907B

Abstract

本发明公开了一种微机电多环陀螺的全角测控电路系统，包括：陀螺前置放大电路、ADC模块、解调模块、参数计算模块、PI控制器模块、坐标转换模块、调制模块、DAC模块和调谐模块；所述前置放大电路模块与微机电多环陀螺的驱动、检测电极相连；所述ADC模块与前置放大电路相连；所述解调模块与ADC模块相连；所述参数计算器模块与调谐模块相连；所述PI控制器模块与参数计算模块相连；所述坐标转换模块与PI控制器模块相连；所述调制模块与坐标转换模块相连；所述DAC模块与调制模块相连；所述前置放大电路与DAC模块相连；所述数字控制振荡器模块与PI控制器相连；所述调谐模块与调谐电极相连；本发明可以实现微机电多环陀螺的全角检测与控制。

Description

一种微机电多环陀螺的全角测控电路系统

技术领域

本发明属于微机电系统领域，特别是一种微机电多环陀螺的全角测控电路系统。

背景技术

微机电(MEMS)多环陀螺作为固体波动陀螺的一种，采用单晶硅作为主体加工材料，因其采用成熟的MEMS技术加工，具有MEMS陀螺的大部分优点；同时作为固体波动陀螺的一种，相较于质量块MEMS陀螺，具有能量耗散小，机械灵敏度高、质量集中、机械噪声小等等优点。因其具有上述优点，微机电(MEMS)多环陀螺在MEMS陀螺领域中占据重要地位。

在实际应用中，大多数微机电(MEMS)多环陀螺控制系统都采用的是力平衡测控电路，力平衡控制系统结构较为简单，可以直接输出陀螺旋转角速度。但是在大多数应用情况下，陀螺旋转角度才是后续处理所需要的数据，力平衡控制系统的角速率输出还需经过积分器才能获得所需角度，同时积分过程中又引入了其他噪声，导致角度输出漂移。针对这一情况，新的全角输出测控电路系统被提出，全角输出测控电路可以直接输出陀螺旋转角度，适合高转速，大动态范围的应用。但是全角输出测控电路存在电路结构复杂，环节较多等问题，因此设计复杂，调试困难，目前还未用于实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微机电多环陀螺的全角测控电路系统，以实现对微机电多环陀螺的全角的检测与控制。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种微机电多环陀螺的全角测控电路系统，包括前置放大电路模块、ADC模块、解调模块、参数计算模块、PI控制器模块、坐标转换模块、调制模块、DAC模块、数字控制振荡器模块、调谐模块；

所述前置放大电路模块与微机电多环陀螺的驱动电极和检测电极相连，用于将微机电多环陀螺的差分检测电极输出的检测信号放大；

所述ADC模块用于将前置放大电路输出的模拟信号转换为数字信号；

所述解调模块用于将数字信号中存在的相位正交和同相的信号解调出来，并输出四路信号；

所述参数计算器模块用于对解调出来的信号进行经过逻辑运算，以得到微机电多环陀螺的总能量变化、正交误差能量变化、振动信号的相位误差和陀螺的旋转角度；

所述PI控制器模块使所得到的变化信号保持稳定，输出稳定的能量控制信号、正交能量控制信号和相位误差控制信号；

所述坐标转换模块用于将PI控制器模块输出的总能量控制信号和正交能量控制信号按照陀螺旋转角度分配到四路输出；

所述调制模块用于将坐标转换模块的四路输出信号调制到数字控制振荡器模块产生的载波信号上，相加得到两路输出；

所述DAC模块用于将调制模块输出的两路数字信号转换为模拟信号；模拟信号经过前置放大电路的电压缓冲电路输入到微机电多环陀螺的驱动电极上；

所述数字控制振荡器模块受到相位误差控制信号的控制产生用于调制解调的两路相位正交的参考正弦信号，参考正弦信号的频率和相位跟踪微机电多环陀螺谐振子的振动信号的频率和相位；

所述调谐模块与微机电多环陀螺两个电极轴的调谐电极DTA，DTB相连，输出相应的直流电压，直流电压加载在调谐电极上，改变电极轴的频率，使0度电极轴和45 度电极轴频率一致。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：

(1)本发明中微机电多环陀螺的检测信号通过解调模块解调后又通过参数计算模块和PI控制器，最终又通过坐标转换模块和调制模块反馈到陀螺上，构成了一个完整的闭环系统，参数计算模块通对解调模块解调出的信号进行逻辑运算，系统对信号的响应与反馈的能力比较强，对周围环境的适应能力比较强。

(2)由于可以直接输出检测角度，与其他微机电多环陀螺的角度检测系统相比，少了一级时间积分，所以对角度的检测精度比较高，响应速度较快。

(3)本发明通过解调模块和参数计算模块可以得到陀螺谐振时的总能量和正交误差，旋转角度，通过坐标转换和调制可以实现对振动能量的幅度控制闭环和正交抑制闭环，同时直接输出旋转角度。

附图说明

图1为本发明的微机电多环陀螺全角测控电路系统原理框图。

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。

所述系统适用的微机电多环陀螺拥有两个电极轴，即0度电极轴和45度电极轴，0度电极轴包含1个驱动电极DB，2个差分检测电极(SB-、SB+)，1个调谐电极(DTB)； 45度电极轴包含1个驱动电极DA，2个差分检测电极(SA-、SA+)，1个调谐电极(DTA)。由于微机电多环陀螺存在因加工工艺误差造成的结构不对称性以及阻尼以及刚度的不对称性，因而微机电多环陀螺的旋转角度θ，是由实际旋转角度和时间延迟造成的衰减时间常数不匹配的误差和两个电极轴频差Δω，以及实际环路中存在的相位失配误差等因素综合作用的结果。

本发明的一种微机电多环陀螺的全角测控电路系统，包括前置放大电路模块1、ADC 模块2、解调模块3、参数计算模块4、PI控制器模块5、坐标转换模块6、调制模块7、 DAC模块8、数字控制振荡器模块9、调谐模块10；

所述前置放大电路模块1与微机电多环陀螺的驱动电极和检测电极相连，用于将微机电多环陀螺的差分检测电极(SA-、SA+)和(SB-、SB+)输出的检测信号放大；前置放大电路1为电荷检测电路，可以检测出微机电多环陀螺内因内部谐振子的振动而引起的电极电荷变化。

所述ADC模块2与前置放大电路1相连，所述ADC模块2用于将前置放大电路输出的模拟信号转换为数字信号。ADC模块2采用AD公司的商用ADC芯片AD7903。所述ADC模块2转换后的数字信号包含微机电多环陀螺内部谐振子的振动信号的幅度与相位信号。

当微机电多环陀螺工作时，运动方程如下所示：

x为微机电多环陀螺0°电极轴的振动位移，θ为陀螺旋转角度，ω₁为0°电极轴的谐振频率，y为45°电极轴的振动位移，ω₂为45°电极轴的谐振频率。a为微机电多环陀螺的谐振子驻波波腹点振幅，q为波节点振幅。在调谐情况下，ω₁＝ω₂＝ω，即两个电极轴频差Δω＝0，ω为调谐后电极轴的谐振频率。t为陀螺旋转时间，

为振动信号的相位。

所述解调模块3与ADC模块2相连，所述解调模块3用于将数字信号中存在的相位正交和同相的信号解调出来。解调模块3输出四路信号cx、sx、cy、sy。信号cx、sx 分别代表谐振子0°电极轴振动信号的同相和正交部分；信号cy、sy分别代表谐振子45° 电极轴振动信号的同相和正交部分。

cx＝LPF(x*cos(ωt+φ))

sx＝LPF(x*sin(ωt+φ))

cy＝LPF(y*cos(ωt+φ))

sy＝LPF(y*sin(ωt+φ))

cos(ωt+φ)为用于解调的同相参考信号，sin(ωt+φ)为正交参考信号，LPF代表低通滤波；φ为参考信号的相位。

所述参数计算器模块4与解调模块3相连，用于对解调出来的信号进行经过逻辑运算，以得到微机电多环陀螺的总能量变化E，正交误差能量变化Q，振动信号的相位误差L和陀螺的旋转角度θ。参数计算模块4的算法如下所示：

E＝cx²+cy²+sx²+sy²

Q＝2*(cx*sy-cy*sx)

L＝2*(cx*sx+cy*sy)

所述PI控制器模块5与参数计算模块4相连，拥有比例和积分控制环节，使所得到的变化信号(总能量变化E、正交误差能量变化Q和相位误差L)保持稳定，输出稳定的能量控制信号Eout、正交能量控制信号Qout、相位误差控制信号Lout。

所述坐标转换模块6与PI控制器模块5相连，用于将PI控制器模块5输出的总能量控制信号Eout和正交能量控制信号Qout按照陀螺旋转角度θ分配到四路输出Fcx、 Fsx、Fcy、Fsy。坐标转换模块6的算法如下所示：

Fcx＝Eout*cosθ

Fcy＝-Qout*sinθ

Fcy＝Eout*sinθ

Fsy＝Qout*sinθ

所述调制模块7与坐标转换模块6相连，用于将坐标转换模块6的四路输出信号Fcx、Fsx、Fcy、Fsy调制到数字控制振荡器模块9产生的载波信号上，调制后进行逻辑运算，运算后得到两路输出Fx和Fy。调制模块的算法如下所示：

Fx＝Fcx*cos(ωt+φ)+Fsx*sin(ωt+φ)

Fy＝Fcy*cos(ωt+φ)+Fsy*sin(ωt+φ)

所述DAC模块8和调制模块7相连，用于将调制模块7输出的两路数字信号Fx 和Fy转换为模拟信号。

所述前置放大电路2与DAC模块8相连，DAC模块8转换后的模拟信号经过前置放大电路2的电压缓冲电路输入到微机电多环陀螺的驱动电极(DA，DB)上。

所述数字控制振荡器模块9与PI控制器模块5相连，PI控制器5的相位误差控制信号Lout输入到数字控制振荡器模块9中，数字控制振荡器模块9受到相位误差控制信号Lout的控制产生用于调制解调的两路相位正交的参考正弦信号，参考正弦信号的频率和相位跟踪微机电多环陀螺谐振子的振动信号的频率和相位。数字控制振荡器模块 9产生的参考信号公式如下：

singal_{in_pase}为同相参考信号，singal_{out_pahse}为正交参考信号。

所述调谐模块10与微机电多环陀螺两个电极轴的调谐电极DTA，DTB相连，通过其调谐模块内部的可编程DC电源芯片，输出相应的直流电压，直流电压加载在调谐电极上，改变电极轴的频率，使0度电极轴和45度电极轴频率一致(调谐)。DC电源芯片采用德州仪器公司的TPS7A8300，是一款低噪声、低压降的可编程电源芯片。

本实施例中，所述测控电路系统的前置放大电路1采用模拟器件包括放大器芯片AD8642，稳压芯片ADR01、ADR02；ADC、DAC模块采用AD公司高精度的ADC、 DAC芯片，包括AD7903和AD7173；调制模块、解调模块、数字控制振荡器模块均在商业化FPGA芯片中设计；坐标转换模块、参数计算模块和PI控制器模块均在ARM公司设计的ARM-Cortex-A9处理器中设计。所述测控电路系统中基于的FPGA芯片和 ARM-Cortex-A9处理器之间的通信采用AXI协议。

本实施例中，所述微机电多环陀螺的两个电极轴0度电极轴和45度电极轴的输出的信号经过前置放大电路1放大和ADC模块2转换成数字信号；所述输出的信号包含微机电多环陀螺的谐振子振幅信号频率与相位信号，经过所述解调模块3把将信号中的同向与正交分量分别解调出来；所述参数计算器模块4经过逻辑运算对解调出来的信号 cx、sx、cy、sy进行逻辑运算，从而得到微机电多环陀螺的总能量变化E，正交误差能量变化Q，振动信号的相位误差L和旋转角度θ。所述的总能量变化E、正交误差能量变化Q、振动信号的相位误差L信号经过PI控制器模块5，得到能量控制信号Eout、正交能量控制信号Qout，经过所述坐标转换模块6后分配到相应的四路输出信号Fcx、 Fsx、Fcy、Fsy；经过调制模块7后产生两路数字反馈信号Fx和Fy，经过DAC模块8 转换为模拟信号，通过前置放大电路2中的电压缓冲电路后反馈到微机电多环陀螺的驱动电极中。同时振动信号的相位误差L信号经过PI控制器模块5后产生相位误差控制信号Lout，相位误差控制信号Lout输入数字控制振荡模块9中，产生相应的同相和正交参考信号。于此同时，调谐模块10产生直流电压改变微机电多环陀螺0°和45°电极轴的频率，使电极轴频差Δω＝0。全角测控电路系统中由参数计算模块4逻辑运算获得的振动信号的相位误差L信号可以反应陀螺谐振信号与参考信号之间的相差，经过 PI控制器5和数字控制振荡器模块9产生两路相位同相和正交的参考信号，参考信号用于调制模块7和解调模块3，这其实构成了一种异型的锁相环结构。

Claims

1.一种微机电多环陀螺的全角测控电路系统，其特征在于，包括前置放大电路模块、ADC模块、解调模块、参数计算模块、PI控制器模块、坐标转换模块、调制模块、DAC模块、数字控制振荡器模块、调谐模块；

所述调谐模块与微机电多环陀螺两个电极轴的调谐电极DTA，DTB相连，输出相应的直流电压，直流电压加载在调谐电极上，改变电极轴的频率，使0度电极轴和45度电极轴频率一致。

2.根据权利要求1所述的全角测控电路系统，其特征在于，所述解调模块解调过程为：

cx＝LPF(x*cos(ωt+φ))

sx＝LPF(x*sin(ωt+φ))

cy＝LPF(y*cos(ωt+φ))

sy＝LPF(y*sin(ωt+φ))

x为微机电多环陀螺0°电极轴的振动位移，y为45°电极轴的振动位移；ω为调谐后电极轴的谐振频率；cos(ωt+φ)为用于解调的同相参考信号，sin(ωt+φ)为正交参考信号，LPF代表低通滤波；φ为参考信号的相位。

3.根据权利要求2所述的全角测控电路系统，其特征在于，参数计算模块的逻辑运算过程为：

E＝cx²+cy²+sx²+sy²

Q＝2*(cx*sy-cy*sx)

L＝2*(cx*sx+cy*sy)

其中E为微机电多环陀螺的总能量变化；Q为正交误差能量变化；L为振动信号的相位误差；θ为陀螺旋转角度。

4.根据权利要求2所述的全角测控电路系统，其特征在于，所述坐标转换模块分配的四路输出Fcx、Fsx、Fcy、Fsy具体为：

Fcx＝Eout*cosθ

Fcy＝-Qout*sinθ

Fcy＝Eout*sinθ

Fsy＝Qout*sinθ

其中Eout、Qout、Lout分别为PI控制器模块输出稳定的能量控制信号，正交能量控制信号、相位误差控制信号。

5.根据权利要求4所述的全角测控电路系统，其特征在于，所述调制模块的具体调制得到两路输出Fx和Fy过程为：

Fx＝Fcx*cos(ωt+φ)+Fsx*sin(ωt+φ)

Fy＝Fcy*cos(ωt+φ)+Fsy*sin(ωt+φ)。

6.根据权利要求2所述的全角测控电路系统，其特征在于，所述数字控制振荡器模块产生的参考信号具体过程为：

7.根据权利要求1所述的全角测控电路系统，其特征在于，所述调制模块、解调模块、数字控制振荡器模块均设置在FPGA芯片中。

8.根据权利要求1所述的全角测控电路系统，其特征在于，坐标转换模块、参数计算模块和PI控制器模块均在ARM处理器中。