CN112066968B - 一种微机电多环陀螺实时模态自动匹配系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微机电多环陀螺实时模态自动匹配系统，该系统是在微机电多环陀螺检测模态的力反馈电极上施加一高频激励力信号，利用微机电多环陀螺检测模态输出信号的幅相频特性，通过模态匹配模块对高频激励力信号的相位变化信息进行求取，对高频激励力信号的相位变化信息处理后最终输出调谐电压，并将调谐电压反馈到微机电多环陀螺的调谐电极上实现调谐电压闭环控制，从而完成微机电多环陀螺的实时模态自动匹配。本发明可以提高微机电多环陀螺的机械灵敏度、零偏稳定性、角度随机游走等关键性能指标，减小外界环境温度变化对陀螺测量精度的影响，且避免了模态匹配过程中正交误差信号对陀螺角速率输出的干扰，具有实时自动且高精度的特性。
Description
技术领域
本发明属于微机电多环陀螺领域，特别是一种微机电多环陀螺实时模态自动匹配系统。
背景技术
微机电多环陀螺是一种同时能兼顾固体波动陀螺和微机电陀螺两类陀螺优良特性的新型微陀螺，且因其全对称的结构设计，从而具有简并正交的驱动与敏感模态，实现了更高的Q值和谐振频率对称性；对外界的振动和加速度干扰也具有很好的抑制能力；陀螺整体结构除了锚点外均为悬空结构，使得封装后产生的应力对陀螺结构的影响小；此外，温度系数小也是该陀螺的一大优势。基于上述优点，微机电多环陀螺被广泛应用于消费电子、工业控制、航空航天、军事等领域，是微机电陀螺的重要组成部分。
因为微机电多环陀螺的谐振子具有良好的对称性，所以陀螺的驱动模态和敏感模态的谐振频率在理论上应该完全相同。但是由于加工过程中存在的误差导致谐振子质量、刚度等参数周向不均匀分布。谐振子在振动过程中会因为这些问题使得原来两个模态相同的谐振频率裂解成不同的频率，产生频率裂解现象，直接影响到陀螺输出的灵敏度、零偏稳定性等性能指标。
为了解决这个问题，国内外研究者提出了许多能够实现陀螺模态匹配的频率调谐方法，主要有机械调谐以及静电调谐这两种方法，对于机械调谐法而言只能通过特殊的制造工艺来对陀螺结构的质量、几何尺寸进行修调，这就导致了调谐过程的局限性较大，并且很难实现陀螺的模态自动匹配。而静电调谐方法利用静电负刚度效应改变陀螺的等效刚度，不需要对陀螺结构做出调整，因而被公认为一种成本低、效率高的模态匹配技术并广泛应用。目前大多数静电调谐模态匹配方法只能实现初始状态下的模态匹配，受到环境因素影响后就无法保持匹配状态，因此如何利用静电调谐方法实现高精度的实时模态自动匹配，是当前微机电多环陀螺的研究热点之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微机电多环陀螺实时模态自动匹配系统，以实现微机电多环陀螺的实时模态自动匹配，提高微机电多环陀螺的关键性能指标，减小外界环境温度变化对陀螺测量精度的影响，且避免了模态匹配过程中正交误差信号对陀螺角速率输出的干扰，具有实时自动且高精度的特性。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种微机电多环陀螺实时模态自动匹配系统，包括高频激励力信号输入模块、正交误差解调模块、正交误差控制模块、角速率解调模块、角速率调制模块和模态匹配模块；
所述高频激励力信号输入模块产生的是一个高于微机电多环陀螺驱动模态的谐振频率的正弦形式的交流信号，作为参考信号输入到微机电多环陀螺的力反馈电极上；
所述角速率调制模块用于将微机电多环陀螺的角速率信号进行调整，该模块的输出信号作为力平衡信号输入到微机电多环陀螺的力反馈电极上，完成微机电多环陀螺的力平衡闭环控制；
所述正交误差解调模块用于将微机电多环陀螺的检测电极上的输出信号解调成正交误差信号；
所述角速率解调模块用于将微机电多环陀螺的检测电极上的输出信号解调成角速率信号；
所述正交误差控制模块的输出信号用于对微机电多环陀螺的正交误差信号进行正交误差抑制，对陀螺的闭环正交误差进行抑制；
所述模态匹配模块用于将角速率信号进行相位变化信息的求取，对该相位变化信息处理后输出调谐电压，将该调谐电压输入至微机电多环陀螺的调谐电极上，完成微机电多环陀螺的实时模态自动匹配。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)不同于现有的利用正交误差信号幅值相位变化实现模态自动匹配的技术，本发明提出的微机电多环陀螺实时模态自动匹配系统，是基于额外高频激励力信号相位变化实现模态自动匹配，避免了模态匹配过程中正交误差信号对陀螺角速率输出的干扰，能够在实现模态匹配的同时也能够使微机电多环陀螺正常工作，在改善微机电多环陀螺关键性能指标的同时，保证陀螺的实用性。
(2)微机电多环陀螺的谐振频率会随着工作环境温度的变化而变化，从而导致陀螺测量精度下降，本发明通过实时跟踪在不同温度下的微机电多环陀螺的谐振频率可以解决由温度等环境因素造成的模态失配问题，提高微机电多环陀螺对工作环境的适应性，提升陀螺在全温范围内的测量精度。
附图说明
图1是一种微机电多环陀螺实时模态自动匹配方法的实现框图。
图2是本发明的角速率解调模块和正交误差解调模块的实现框图。
图3是本发明的模态匹配模块的实现框图。
图4是本发明的相位解调模块和频率调节模块的实现框图。
图5是相位解调模块输出电压频差曲线图。
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。
如图1所示，本发明的一种微机电多环陀螺实时模态自动匹配系统，包括高频激励力信号输入模块、正交误差解调模块、正交误差控制模块、角速率解调模块、角速率调制模块和模态匹配模块；
所述高频激励力信号输入模块、角速率调制模块均与微机电多环陀螺的力反馈电极相连，所述高频激励力信号输入模块用于产生一个交流信号，所述角速率调制模块的输出信号与高频激励力信号输入模块的输出信号共同输入到微机电多环陀螺的力反馈电极上。
所述高频激励力信号输入模块产生的是一个正弦形式的交流信号，作为参考信号输入到微机电多环陀螺的力反馈电极上，产生的高频激励力信号频率ωh高于微机电多环陀螺驱动模态的谐振频率ωd。
所述角速率调制模块用于将微机电多环陀螺的角速率信号进行调整，该模块的输出信号作为力平衡信号输入到微机电多环陀螺的力反馈电极上，完成微机电多环陀螺的力平衡闭环控制。
所述正交误差解调模块和角速率解调模块均与微机电多环陀螺的检测电极相连；所述正交误差解调模块用于将微机电多环陀螺的检测电极上的输出信号解调成正交误差信号；角速率解调模块用于将微机电多环陀螺的检测电极上的输出信号解调成角速率信号。
所述正交误差控制模块连接在正交误差解调模块和微机电多环陀螺的正交误差抑制电极上，该模块的输出信号用于对微机电多环陀螺的正交误差信号进行正交误差抑制，实现陀螺的闭环正交误差抑制，避免了模态匹配过程中正交误差信号对陀螺角速率输出的干扰。
所述角速率解调模块输出的角速率信号分别连接至角速率调制模块和模态匹配模块；所述角速率调制模块用于将角速率信号进行调整，并输入至力反馈电极上，完成微机电多环陀螺的力平衡闭环控制。
所述模态匹配模块用于将角速率信号进行相位变化信息的求取，对该相位变化信息处理后输出调谐电压，将该调谐电压输入至微机电多环陀螺的调谐电极上，完成微机电多环陀螺的实时模态自动匹配。
进一步的，如图2所示，所述正交误差解调模块包括第一信号发生器、第一低通滤波器；所述第一信号发生器用于产生正弦形式的载波信号1，利用载波信号1可将微机电多环陀螺检测电极上的输出信号进行解调得到正交误差信号，所述第一低通滤波器用于对解调后的正交误差信号进行滤波处理，滤波后的正交误差信号作为正交误差控制模块的输入信号。
进一步的，如图2所示，所述角速率解调模块包括第二信号发生器、第二低通滤波器；所述第二信号发生器用于产生余弦形式的载波信号2，利用载波信号2可将微机电多环陀螺检测电极上的输出信号进行解调得到角速率信号，该角速率信号作为模态匹配模块的输入信号，所述第二低通滤波器用于对解调后的角速率信号进行滤波处理，滤波后的角速率信号作为角速率调制模块输入信号。
进一步的，如图3所示，所述模态匹配模块包括相位解调模块和频率调节模块，所述相位解调模块用于求取高频激励力信号的相位变化信息；所述频率调节模块用于调节模态匹配模块输出的调谐电压大小，实现对调谐电压的闭环控制。
进一步的，如图4所示，所述相位解调模块包括第三信号发生器、第三低通滤波器；所述第三信号发生器用于产生正弦形式的载波信号3，利用载波信号3可将模态匹配模块的输入信号进行解调得到包含高频激励力信号的相位变化信息的电压信号，所述第三低通滤波器用于对解调后的电压信号进行滤波处理，滤波后的该电压信号作为频率调节模块的输入信号。
进一步的，如图4所示，所述频率调节模块包括基准控制电压、PID控制器；所述基准控制电压为陀螺模态匹配时相位解调模块输出的电压值，作为参考电压与相位解调模块输出的电压进行实时比较，将比较后的信号作为PID控制器的输入信号；所述PID控制器用于控制输出的调谐电压大小，实现对调谐电压的闭环控制。
忽略阻尼系数影响的微机电多环陀螺动力学方程可简单表示为：
其中t表示时间变量，F(t)为陀螺的驱动激励信号，mx、my分别是陀螺驱动、检测模态的等效质量，cx、cy、kx、ky分别是陀螺驱动、检测模态的阻尼和刚度系数，kyx为检测模态到驱动模态的耦合系数，Ω为外界输入的角速率，x、y分别是驱动模态和检测模态的位移信号。
当陀螺的力平衡环路和闭环正交误差抑制环路正常工作时，科氏力和正交误差力都会被反馈力抵消，那么就只需要考虑高频激励力信号输入模块的输出信号对陀螺检测模态的作用，因此可假设高频激励力信号输入模块的输出信号Fh形式为：
Fh＝Ahkvfsinωht
其中，Ah为高频激励力信号幅值，kvf表示为电压-反馈静电力转换系数，ωh为高频激励力信号频率。
陀螺检测模态的检测电极上的输出信号Vh1可表示成：
其中，kyv表示为检测模态输出位移-电压转换系数，Qy表示为检测模态的品质因数，A1、分别表示陀螺检测模态的检测电极输出位移信号的幅值和相位，ωy为陀螺检测模态的谐振频率。
陀螺检测模态的检测电极上的输出信号经过角速率解调模块后得到的模态匹配模块输入信号Vh2可表示成：
其中，ωd为陀螺的驱动激励信号的频率。
所述相位解调模块的输出信号Vh3可表示成：
其中，陀螺检测模态的谐振频率可以表示成ωy＝ωd+Δω，Δω表示陀螺驱动模态和检测模态间的频差值，若将ωy＝ωd+Δω代入上式，在其他参数已知不变的情况下，相位解调模块的输出信号本质上是一个关于频差Δω的一元函数，因此可表示成
当陀螺模态匹配时，Δω＝0，此时解调模块的输出信号为一定值常量。所述频率调节模块将该值Vh3(Δω)确定为基准控制电压，将解调模块的输出信号与基准控制电压比较后送入PID控制器，得到的频率调节模块的输出信号即为陀螺的调谐电压，将调谐电压反馈到微机电多环陀螺的调谐电极上即可实现微机电多环陀螺实时模态自动匹配。
如图5所示，该图为所述相位解调模块输出电压—模态频差曲线，通常情况下模态匹配时相位解调模块输出电压大小与所设基准控制电压相等。再分别考虑陀螺驱动模态的谐振频率ωd和检测模态谐振频率ωy的三种频率关系(大于、等于、小于)时的实模态自动匹配过程。
1)当陀螺驱动模态的谐振频率和检测模态谐振频率相等时(Δω＝0)。所述频率调节模块中PID控制器的输入电压为零，所述模态匹配模块输出的调谐电压最终会稳定在一个常值，此时陀螺处于模态匹配状态。
2)当陀螺驱动模态的谐振频率大于检测模态谐振频率时(Δω<0)。所述频率调节模块中PID控制器的输入电压小于零，所述模态匹配模块输出的调谐电压将减小，使得检测模态谐振频率增大，直到陀螺驱动模态的谐振频率和检测模态谐振频率相等时调谐电压不再变化，从而达到匹配状态。
3)当陀螺驱动模态的谐振频率小于检测模态谐振频率时(Δω＞0)。所述频率调节模块中PID控制器的输入电压大于零，所述模态匹配模块输出的调谐电压将增大使得检测模态谐振频率减小，直到陀螺驱动模态的谐振频率和检测模态谐振频率相等时调谐电压不再变化，从而达到匹配状态。
由于微机电多环陀螺的谐振频率会随着工作环境温度的变化而变化，从而导致陀螺测量精度下降。本发明提出的实时模态自动匹配系统通过实时跟踪在不同温度下的微机电多环陀螺的谐振频率，不断调节所述模态匹配模块输出的调谐电压大小直到陀螺驱动模态的谐振频率和检测模态谐振频率相等，因此本发明还可以解决由温度等环境因素造成的模态失配问题，提高微机电多环陀螺对工作环境的适应性，提升陀螺在全温范围内的测量精度。
Claims (4)
1.一种微机电多环陀螺实时模态自动匹配系统，其特征在于，包括高频激励力信号输入模块、正交误差解调模块、正交误差控制模块、角速率解调模块、角速率调制模块和模态匹配模块；
所述高频激励力信号输入模块产生的是一个高于微机电多环陀螺驱动模态的谐振频率的正弦形式的交流信号，作为参考信号输入到微机电多环陀螺的力反馈电极上；
所述角速率调制模块用于将微机电多环陀螺的角速率信号进行调整，该模块的输出信号作为力平衡信号输入到微机电多环陀螺的力反馈电极上，完成微机电多环陀螺的力平衡闭环控制；
所述正交误差解调模块用于将微机电多环陀螺的检测电极上的输出信号解调成正交误差信号；
所述角速率解调模块用于将微机电多环陀螺的检测电极上的输出信号解调成角速率信号；
所述正交误差控制模块的输出信号用于对微机电多环陀螺的正交误差信号进行正交误差抑制，对陀螺的闭环正交误差进行抑制；
所述模态匹配模块用于将角速率信号进行相位变化信息的求取，对该相位变化信息处理后输出调谐电压，将该调谐电压输入至微机电多环陀螺的调谐电极上，完成微机电多环陀螺的实时模态自动匹配；
所述模态匹配模块包括相位解调模块和频率调节模块；
所述相位解调模块用于求取高频激励力信号的相位变化信息；所述频率调节模块用于调节模态匹配模块输出的调谐电压大小，实现对调谐电压的闭环控制；
所述相位解调模块包括第三信号发生器、第三低通滤波器；
所述第三信号发生器用于产生正弦形式的载波信号；利用载波信号将模态匹配模块的输入信号进行解调得到包含高频激励力信号的相位变化信息的电压信号，所述第三低通滤波器用于对解调后的电压信号进行滤波处理，滤波后的该电压信号作为频率调节模块的输入信号；
所述频率调节模块包括基准控制电压、PID控制器；所述基准控制电压为陀螺模态匹配时相位解调模块输出的电压值，作为参考电压与相位解调模块输出的电压进行实时比较，将比较后的信号作为PID控制器的输入信号；所述PID控制器用于控制输出的调谐电压大小，实现对调谐电压的闭环控制；
所述相位解调模块输出的电压值为：
其中Δω表示陀螺驱动模态和检测模态间的频差值；Ah为激励力信号幅值，kvf表示为电压-反馈静电力转换系数，kyv表示为检测模态输出位移-电压转换系数，Qy表示为检测模态的品质因数，my为检测模态的等效质量；ωd为陀螺的驱动激励信号的频率；ωh为激励力信号频率；
包括以下三种匹配过程：
1)当陀螺驱动模态的谐振频率和检测模态谐振频率相等时：所述频率调节模块中PID控制器的输入电压为零，所述模态匹配模块输出的调谐电压最终会稳定在一个常值，此时陀螺处于模态匹配状态；
2)当陀螺驱动模态的谐振频率大于检测模态谐振频率时：所述频率调节模块中PID控制器的输入电压小于零，所述模态匹配模块输出的调谐电压将减小，使得检测模态谐振频率增大，直到陀螺驱动模态的谐振频率和检测模态谐振频率相等时调谐电压不再变化，从而达到匹配状态；
3)当陀螺驱动模态的谐振频率小于检测模态谐振频率时：所述频率调节模块中PID控制器的输入电压大于零，所述模态匹配模块输出的调谐电压将增大使得检测模态谐振频率减小，直到陀螺驱动模态的谐振频率和检测模态谐振频率相等时调谐电压不再变化，从而达到匹配状态。
2.根据权利要求1所述的微机电多环陀螺实时模态自动匹配系统，其特征在于，角速率解调模块后得到的模态匹配模块输入信号Vh2为：
A1、分别表示陀螺检测模态的检测电极输出位移信号的幅值和相位；ωh为激励力信号频率；ωd为陀螺的驱动激励信号的频率；t表示时间变量；
所述相位解调模块的输出信号Vh3为：
Ah为激励力信号幅值，kvf表示为电压-反馈静电力转换系数，kyv表示为检测模态输出位移-电压转换系数，my为检测模态的等效质量，ωy为陀螺检测模态的谐振频率，ωh为激励力信号频率，Qy表示为检测模态的品质因数。
3.根据权利要求1所述的微机电多环陀螺实时模态自动匹配系统，其特征在于，所述正交误差解调模块包括第一信号发生器、第一低通滤波器；
所述第一信号发生器用于产生正弦形式的载波信号，利用载波信号将微机电多环陀螺检测电极上的输出信号进行解调得到正交误差信号；所述第一低通滤波器用于对解调后的正交误差信号进行滤波处理，滤波后的正交误差信号作为正交误差控制模块的输入信号。
4.根据权利要求1所述的微机电多环陀螺实时模态自动匹配系统，其特征在于，所述角速率解调模块包括第二信号发生器、第二低通滤波器；
所述第二信号发生器用于产生余弦形式的载波信号，利用载波信号将微机电多环陀螺检测电极上的输出信号进行解调得到角速率信号，该角速率信号作为模态匹配模块的输入信号；所述第二低通滤波器用于对解调后的角速率信号进行滤波处理，滤波后的角速率信号作为角速率调制模块输入信号。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 结合正交控制与相位检测的MEMS陀螺模态匹配方法;卜峰等;中国惯性技术学报;第第26卷卷(第第4期期);第470-477页 * |
Also Published As
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