CN112797968A - 一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展方法、装置及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展方法、装置及系统，应用于力平衡闭环检测系统，力平衡闭环检测系统包括幅度调制检测电路、放大电路和双路力平衡检测电路，该方法包括：预先确定出幅度调制检测电路中与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数；对增益系数进行放大调节，以对陀螺带宽进行拓展。本发明在使用过程中能够实现在不放大电路噪声的情况下对陀螺带宽进行拓展。
Description
技术领域
本发明实施例涉及微机械陀螺仪技术领域，特别是涉及一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展方法、装置及系统。
背景技术
硅微机械(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)振动陀螺具有尺寸小、重量轻、成本低等优点，在军事和民用领域具有广泛的应用前景。轴对称结构的圆盘谐振陀螺具有结构对称性好、能量传递效率高和抗振性好等优点，已成为高性能微机械陀螺的重要候选方案。由于真空封装的轴对称结构陀螺通常具有高Q(品质因数)值、低频差等特性，显著提高了机械灵敏度，但在传统开环检测下严重限制了带宽。力平衡(Force to Rebalance,FTR)闭环检测方法能够延展带宽、增大量程，提高检测稳定性，具有重要的应用价值。
系统带宽和角度随机游走(Angle Random Walk,ARW)是陀螺的两个重要性能指标。其中，带宽为陀螺仪能够检测到的角速率输入的频率范围，影响陀螺的应用。ARW反映陀螺的检测分辨率，其受检测输出中由陀螺和电路共同影响的低频电压噪声密度决定。对于频差较小的高Q值MEMS陀螺，常用FTR闭环检测方式来扩展带宽。图1所示为双路FTR闭环检测系统，包含正交反馈环路和科氏反馈环路，对信号拾取电路的输出进行同相和正交解调，经过低通滤波(Low Pass Filter,LPF)之后获得科氏响应和正交响应幅度值，再通过比例积分(Proportion Integration,PI)控制器产生两路反馈力来抵消正交力和科氏力，保持陀螺敏感模态相对静止。科氏通道的PI输出即为角速度检测输出。
FTR可以有效提高陀螺仪系统稳定性，且通过调整反馈增益可以改变闭环检测系统的带宽，然而带宽与输出噪声通常呈现矛盾关系。现有的闭环控制方案中为了实现高带宽，通常设置很大的放大电路增益，但这样也会把电路噪声放大，影响陀螺的检测分辨率及陀螺性能。
鉴于此，如何在不增加噪声水平的情况下扩展带宽，进一步提高陀螺性能是本领域技术人员目前需要解决的问题。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展方法、装置及系统，在使用过程中能够实现在不放大电路噪声的情况下对陀螺带宽进行拓展。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展方法，应用于力平衡闭环检测系统，所述力平衡闭环检测系统包括幅度调制检测电路、放大电路和双路力平衡检测电路，包括：
预先确定出所述幅度调制检测电路中与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数；
对所述增益系数进行放大调节，以对所述陀螺带宽进行拓展。
可选的，所述预先确定出幅度调制检测电路中与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数的过程为：
依据预先建立的陀螺带宽关系式，确定出与陀螺带宽相关的各个第一增益系数；
依据预先建立的输出噪声关系式，确定出与所述输出噪声相关的各个第二增益系数；
从各个所述第一增益系数和各个所述第二增益系数中，确定出与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数。
可选的，所述陀螺带宽关系式为：
所述输出噪声关系式为：
则，所述增益系数为陀螺振动位移到输出电压的转换增益Kyv。
可选的，所述幅度调制检测电路包括高频载波发生器、微机械陀螺和位移信号拾取电路，所述位移信号拾取电路包括电荷转换电路、高通滤波器和检波器；
则，所述对所述增益系数进行调节，以对所述陀螺带宽进行拓展的过程为：
依据第一计算关系式
增大Vac或缩小Cf，以对所述陀螺带宽进行拓展；其中，Cx0表示陀螺检测电极的静态电容，d0表示陀螺检测电极的初始间距，Vac表示高频载波发生器的载波交流幅度，Cf表示电荷转换电路中的反馈电容。
本发明实施例还相应的提供了一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展装置，应用于力平衡闭环检测系统，所述力平衡闭环检测系统包括幅度调制检测电路、放大电路和双路力平衡检测电路，包括：
确定模块，用于预先确定出所述幅度调制检测电路中与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数；
调节模块，用于对所述增益系数进行放大调节，以对所述陀螺带宽进行拓展。
可选的，所述确定模块包括：
第一确定单元，用于依据预先建立的陀螺带宽关系式，确定出与陀螺带宽相关的各个第一增益系数；
第二确定单元，用于依据预先建立的输出噪声关系式，确定出与所述输出噪声相关的各个第二增益系数；
第三确定单元，用于从各个所述第一增益系数和各个所述第二增益系数中，确定出与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数。
本发明实施例还提供了一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展系统，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上述所述力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展方法的步骤。
本发明实施例提供了一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展方法、装置及系统，应用于力平衡闭环检测系统，力平衡闭环检测系统包括幅度调制检测电路、放大电路和双路力平衡检测电路，该方法包括：预先确定出幅度调制检测电路中与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数；对增益系数进行放大调节，以对陀螺带宽进行拓展。可见，本发明实施例中从幅度调制检测电路的多个增益系数中预先确定出的幅度调制检测电路中与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数，然后对该增益系数进行放大调节，从而实现在不放大电路噪声的情况下对陀螺带宽进行拓展。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有的双路FTR闭环检测系统示意图；
图2为本发明实施例提供的一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的一种幅度调制检测电路示意图；
图4为本发明实施例提供的一种FTR闭环中科氏反馈系统简化示意图；
图5为本发明实施例提供的一种FTR闭环系统噪声模型示意图；
图6为本发明实施例提供的一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展装置的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展方法、装置及系统，在使用过程中能够实现在不放大电路噪声的情况下对陀螺带宽进行拓展。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图2，图2为本发明实施例提供的一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展方法的流程示意图。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展方法，应用于力平衡闭环检测系统，力平衡闭环检测系统包括幅度调制检测电路、放大电路和双路力平衡检测电路，该方法包括：
S110：预先确定出幅度调制检测电路中与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数；
S120：对增益系数进行放大调节，以对陀螺带宽进行拓展。
需要说明的是，幅度调制检测电路对应的增益系数有多个，为了在对陀螺带宽进行拓展时不造成电路噪声的放大，本发明实施例中可以预先从幅度调制检测电路的多个增益系数中确定出与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数，然后再对该增益系数进行调节，从而实现对陀螺带宽的拓展，并且还不会使电路噪声增加。
进一步的，上述S110中预先确定出幅度调制检测电路中与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数的过程，具体可以为：
依据预先建立的陀螺带宽关系式，确定出与陀螺带宽相关的各个第一增益系数；
依据预先建立的输出噪声关系式，确定出与输出噪声相关的各个第二增益系数；
从各个第一增益系数和各个第二增益系数中，确定出与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数。
更进一步的，上述陀螺带宽关系式为：
上述输出噪声关系式为：
则，增益系数为陀螺振动位移到输出电压的转换增益Kyv。
需要说明的是，幅度调制检测技术常用于MEMS传感器的信号提取，可以抑制激励信号的电馈通。具体通过在传感器谐振子上施加一个高频载波，将传感器振动信号调制到高频处，使其与激励信号在频域上分离，从而实现激励信号电馈通的抑制。如图3所示为幅度调制检测电路，具体是在陀螺质量块上施加一个高频载波电压信号，通过高频载波电压信号对振动位移电容信号进行幅度调制并转换为电荷信号，然后通过电荷转换电路将电荷信号转换为电压信号，并通过高通滤波器和检波器获得振动位移电压信号。
1)、具体的，本发明实施例中得到上述陀螺带宽关系式的过程为：
硅微机械陀螺的模态动力学模型由单自由度二阶系统来描述，由于制造工艺误差，会使陀螺产生刚度不对称和阻尼不对称。因此，陀螺动力学方程可以为：
其中，x和y分别为驱动模态和敏感模态中陀螺振子的位移，m为模态质量，Fx为驱动激励信号，Fy为驱动激励信号，c和k分别为阻尼和刚度系数，FΩ为科氏力，Fq为刚度耦合力(正交力)，FI为阻尼耦合力，FI与科氏力FΩ同相。
对于敏感模态，其激励力到振动位移的传递函数表示为：
其中，Qy为敏感模态品质因数，my为敏感模态质量，ωy为敏感模态的自然谐振角频率，s＝jω，j为虚部，ω为角频率。
设定驱动模态激励信号F(t)＝Adcos(ωdt)，稳态时驱动模态的振动位移和相位表达式：
其中，ωd为驱动信号频率，Ax为振动位移幅度，
为驱动模态相移，ωx为驱动模态的自然谐振角频率，t为时间，Qx为驱动模态品质因数。
根据图1中的科氏通道得到如图3所示的FTR闭环中科氏反馈系统简化示意图，根据图4中的FTR闭环中科氏反馈系统简化示意图得到角速率闭环传递函数：
其中，Kyv为位移信号拾取电路中位移到电压的转换系数，Ke为放大电路增益，Kvf为电压到力的转换系数，KΩ为角速率到科氏力的转换系数。PI(s)和LPF(s)分别为PI控制器的传递函数和LPF的传递函数，其中，
KP和KI分别为PI控制器中的比例系数和积分系数。另外，图4中的Ω(t)表示外界输入的角速率。
对于高Q值和低频差的陀螺，G(s)可以近似简化为：
闭环带宽BWFTR为|Hclose(jωBW)|下降到|Hclose(0)|的-3dB时，所对应的频率ωBW，即：
为得到在上式成立时的ωBW值(也即FTR闭环带宽BWFTR)，通过对上式化简可以得到方程式：
得到陀螺带宽关系式，也即FTR闭环带宽BWFTR(单位:Hz)为：
可见，陀螺带宽与Kvf、Kyv、Ke、KP和KI成正比关系(也即正相关)，所以提高反馈环路中的任何一个增益系数都能够扩展带宽，其中，由于KI项的系数较小的原因，其对带宽的作用相对不明显。
2)、具体的，本发明实施例中得到上述输出噪声关系式关系式的过程为：
如图5所示，根据噪声注入位置，把噪声分为两个部分，即前端注入噪声Nf和后端注入噪声Nb。设定噪声Nf、Nb的PSD(功率谱密度)分别为
输出噪声谱密度
可表示为：
对于高Q值陀螺，通常
的影响要远小于
的影响，那么
最终可以简化为：
根据上式可以看出，
对
的贡献程度与增益系数Kvf、Kyv和Ke相关其中，Ke越大检测输出的噪声水平越高，然而增大Kyv和Kvf却不会增加噪声水平，也即，Ke与输出噪声呈正相关，Kyv和Kvf与输出噪声呈负相关。
综上可知，本发明实施例中可以确定出与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数为Kyv和Kvf，也即通过调节Kyv和Kvf可以实现对陀螺带宽的拓展，并且不会导致输出噪声增加。另外，在实际应用过程中由于电压到力的转换系数Kvf与陀螺的标度因数相关联，对Kvf进行调节会导致标度因数的改变，因此，为避免标度因数发生变化，可以通过对Kyv进行调节来实现对陀螺带宽的拓展。
更进一步的，如图1和图3所示，幅度调制检测电路包括高频载波发生器、微机械陀螺和位移信号拾取电路，位移信号拾取电路包括电荷转换电路、高通滤波器和检波器；
则，对增益系数进行调节，以对陀螺带宽进行拓展的过程为：
依据第一计算关系式
增大Vac或缩小Cf，以对陀螺带宽进行拓展；其中，Cx0表示陀螺检测电极的静态电容，d0表示陀螺检测电极的初始间距，Vac表示高频载波发生器的载波交流幅度，Cf表示电荷转换电路中的反馈电容。
具体的，幅度调制检测电路中，设定施加在陀螺质量块公共电极上的载波为：
Vcar＝Vdc+Vaccos(ωct)，其中，ωc为高频载波发生器的载波频率，Vdc为高频载波发生器的直流偏压，Vac为高频载波发生器的载波交流幅度，设定陀螺振动位移为
则振动机构中电容变化引起的电荷量为：
其中，Cx0为陀螺检测电极的静态电容，d0为陀螺检测电极初始间距；在得到qx后，可以通过电荷转换电路中的反馈电容Cf，将电荷信号转变为电压信号，并抑制直流信号通过。则，电荷转换电路输出的电压信号为：
电荷转换电路输出的电压信号经过截止频率为fd＜fHPF＜fc-fd的高通滤波器(HPF)后，振动信号的低频部分和馈通信号都被过滤，只保留已调信号，则通过HPF后的信号VHPF可以表示为：
已调信号VHPF再通过检波器后，将信号包络提取出来，输出为：
Vdemod通过隔离直流后的最终检测输出为：
又因Kyv表示陀螺振动位移到输出电压的转换增益，因此，在幅度调制检测下，Kyv的第一计算关系式为：
也即，幅度调制检测下Kyv与高频载波发生器的载波交流幅度Vac和电荷转换电路中的反馈电容Cf直接相关，为此可以通过提高Vac或缩小Cf来增大Kyv，从而实现在不增加噪声的情况下，扩展带宽。
具体的，在实际应用中具体对Kyv放大多少倍可以根据实际需要进行得到，例如可以先计算出对Ke的放大倍数，然后根据该放大倍数对Kyv进行放大。
可见，本发明实施例中从幅度调制检测电路的多个增益系数中预先确定出的幅度调制检测电路中与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数，然后对该增益系数进行放大调节，从而实现在不放大电路噪声的情况下对陀螺带宽进行拓展。
在上述实施例的基础上，本发明实施例还相应的提供了一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展装置，应用于力平衡闭环检测系统，力平衡闭环检测系统包括幅度调制检测电路、放大电路和双路力平衡检测电路，具体请参照图6。该装置包括：
确定模块21，用于预先确定出幅度调制检测电路中与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数；
调节模块22，用于对增益系数进行放大调节，以对陀螺带宽进行拓展。
可选的，确定模块22包括：
第一确定单元，用于依据预先建立的陀螺带宽关系式，确定出与陀螺带宽相关的各个第一增益系数；
第二确定单元，用于依据预先建立的输出噪声关系式，确定出与输出噪声相关的各个第二增益系数；
第三确定单元，用于从各个第一增益系数和各个第二增益系数中，确定出与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数。
需要说明的是本发明实施例中提供的力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展装置具有与上述所提供的陀螺带宽拓展方法相同的有益效果，并且对于本发明实施例中所涉及到的陀螺带宽拓展方法的具体介绍请参照上述实施例，本发明在此不再赘述。
在上述实施例的基础上，本发明实施例还提供了一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展系统，该系统包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行计算机程序时实现如上述力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展方法的步骤。
需要说明的是，本发明实施例中的处理器具体可以用于实现预先确定出幅度调制检测电路中与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数；对增益系数进行放大调节，以对陀螺带宽进行拓展。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展方法，应用于力平衡闭环检测系统，所述力平衡闭环检测系统包括幅度调制检测电路、放大电路和双路力平衡检测电路，其特征在于，包括：
预先确定出所述幅度调制检测电路中与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数；
对所述增益系数进行放大调节，以对所述陀螺带宽进行拓展。
2.根据权利要求1所述的力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展方法，其特征在于，所述预先确定出幅度调制检测电路中与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数的过程为：
依据预先建立的陀螺带宽关系式，确定出与陀螺带宽相关的各个第一增益系数；
依据预先建立的输出噪声关系式，确定出与所述输出噪声相关的各个第二增益系数；
从各个所述第一增益系数和各个所述第二增益系数中，确定出与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数。
3.根据权利要求2所述的力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展方法，其特征在于，所述陀螺带宽关系式为：
所述输出噪声关系式为：
则，所述增益系数为陀螺振动位移到输出电压的转换增益Kyv。
4.根据权利要求3所述的力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展方法，其特征在于，所述幅度调制检测电路包括高频载波发生器、微机械陀螺和位移信号拾取电路，所述位移信号拾取电路包括电荷转换电路、高通滤波器和检波器；
则，所述对所述增益系数进行调节，以对所述陀螺带宽进行拓展的过程为：
依据第一计算关系式
增大Vac或缩小Cf，以对所述陀螺带宽进行拓展；其中，Cx0表示陀螺检测电极的静态电容，d0表示陀螺检测电极的初始间距，Vac表示高频载波发生器的载波交流幅度，Cf表示电荷转换电路中的反馈电容。
5.一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展装置，应用于力平衡闭环检测系统，所述力平衡闭环检测系统包括幅度调制检测电路、放大电路和双路力平衡检测电路，其特征在于，包括：
确定模块，用于预先确定出所述幅度调制检测电路中与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数；
调节模块，用于对所述增益系数进行放大调节，以对所述陀螺带宽进行拓展。
6.根据权利要求5所述的力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展装置，其特征在于，所述确定模块包括：
第一确定单元，用于依据预先建立的陀螺带宽关系式，确定出与陀螺带宽相关的各个第一增益系数；
第二确定单元，用于依据预先建立的输出噪声关系式，确定出与所述输出噪声相关的各个第二增益系数；
第三确定单元，用于从各个所述第一增益系数和各个所述第二增益系数中，确定出与陀螺带宽呈正相关、且与输出噪声呈负相关的增益系数。
7.一种力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展系统，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述力平衡闭环检测下的陀螺带宽拓展方法的步骤。
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| CN115824181A (zh) * | 2023-02-14 | 2023-03-21 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 谐振陀螺分时复用电容检测方法、控制系统及谐振陀螺 |
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- 2021-01-06 CN CN202110012867.9A patent/CN112797968B/zh active Active
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