CN113532409B - 一种高精度数字mems陀螺控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种高精度数字MEMS陀螺控制系统，包括驱动模态闭环控制环路，检测模态闭环控制环路、调制解调信号相位闭环控制环路，使系统可始终跟随陀螺谐振频率变化，通过温补后的驱动模态解调信号相位调整值φ1、驱动模态调制信号相位调整值φ2、检测模态解调信号相位调整值φ3、检测模态调制信号调整值φ4对两模态调制解调信号的相位分别进行调整，通过此系统，解决了当前陀螺控制系统中调制解调信号相位误差对陀螺仪检测精度的影响，大大提高MEMS陀螺仪性能指标。

Description

一种高精度数字MEMS陀螺控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种高精度数字MEMS陀螺控制系统及方法，特别是一种优化的用于检测物体角速率的高精度MEMS陀螺控制系统，属于MEMS(Micro-Electro MechanicalSystem)传感器技术领域。

背景技术

相对于传统陀螺，MEMS陀螺仪具有低功耗、小尺寸、低成本、轻质量等优点，在宇航工业、汽车电子和消费类电子产品中得到广泛的应用。然而，在高精度应用系统中，由于MEMS传感器的精度有限，目前应用较多的还是光纤、激光等陀螺。随着MEMS工艺加工水平的不断提高，很多研究院所和高校均研制出了高性能的MEMS陀螺敏感结构，需要为其配备高精度的控制系统，使敏感结构的性能发挥到最优，同时又能够有效抑制因加工和环境等因素导致的敏感结构和处理电路产生的测量偏差，才能使MEMS陀螺仪的性能指标达到量级上的提升。

目前，对MEMS陀螺的研究主要集中在正交误差消除方法、温度特性及校准，系统带宽等方面，现有技术的控制系统中，两个模态也都采用了闭环控制方式，以消除正交误差，扩大系统动态范围，提高系统带宽，然而，这些系统对于信号处理时调制解调信号本身不准确带来的误差极少注意，缺乏解决方法，默认调制解调信号与陀螺敏感结构的检测输出信号完全同相和正交。然而，实际电路中由于陀螺器件加工的不完全对称、驱动和检测通路链路间特性差异、调制解调信号产生电路与检测和驱动电路链路特性差异的存在以及环境扰动等原因使得解调信号与被解调信号之间、反馈的驱动信号与敏感结构输出位移信号之间很难达到完全同步，这些会影响信号分解精度、反馈力输出精度，从而直接影响陀螺的测量精度。

同时，陀螺敏感结构对温度高度敏感，谐振频率及易随温度发生波动，而且，处理电路本身的元件特性，尤其是模拟处理电路部分的电阻、电感和寄生特性对温度尤其敏感，致使温度变化会导致信号处理链路上的信号延迟变化，这些都会直接造成不能按照预期给出调制解调信号而严重恶化陀螺的全温特性。在现有技术的控制系统中，处理电路内部集成了温度传感器对角速率零偏和刻度因子进行温补，然而，因为导致温度特性差的原因众多，角速率和温度的关系曲线通常会很复杂，有限次拟合的多项式加上分多段补偿的方法都很难达到满意的效果，所以单纯的对输出的角速率进行温补已经无法满足要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高精度数字MEMS陀螺控制系统及方法，包括驱动模态闭环控制环路，检测模态闭环控制环路、调制解调信号相位闭环控制环路，使系统可始终跟随陀螺谐振频率变化，通过温补后的驱动模态解调信号相位调整值φ1、驱动模态调制信号相位调整值φ2、检测模态解调信号相位调整值φ3、检测模态调制信号调整值φ4对两模态调制解调信号的相位分别进行调整，通过此系统，解决了当前陀螺控制系统中调制解调信号相位误差对陀螺仪检测精度的影响，大大提高MEMS陀螺仪性能指标。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种高精度MEMS陀螺仪控制系统，包括驱动模态闭环控制环路、检测模态闭环控制环路、调制解调信号相位闭环控制环路。

驱动模态闭环控制环路，由幅值控制环路和相位控制环路组成。驱动模态运动检测端输出的位移信号经过CV转换电路转换为相应的电压值，然后经过AD转换器转换成数字信号后进入驱动模态解调电路，该解调电路包括幅值解调器和相位解调器，其中幅值解调器解调输出幅值分量信号，该信号经过低通滤波器得到驱动模态的幅值直流分量，然后与驱动模态振幅给定值通过比较器进行比较得到幅值误差信号，该信号经过PI控制器得到幅值反馈力；同样的，相位解调器解调输出相位分量信号，该信号经过低通滤波器得到驱动模态的相位直流分量，经过PI控制器得到相位反馈力；幅值反馈力和相位反馈力通过驱动模态调制电路将信号调制到谐振频率上，幅值反馈力通过幅值调制器得到幅值反馈力调制分量，相位反馈力通过相位调制器得到相位反馈力调制分量，然后相加两路调制分量后输出驱动模态反馈力数字信号，该信号经过DA转换器转换成模拟电压施加给敏感结构，在该反馈力的作用下，使得驱动模态能够稳幅振荡，也就是使驱动模态的输出幅值信号始终跟踪给定幅值。

检测模态闭环控制环路，由解耦控制环路和抵消控制环路组成；检测模态运动检测端输出的位移信号经过CV转换电路转换为相应的电压值；该电压值经过AD转换器转换成数字信号后进入检测模态解调电路，该解调电路包括正交解调器和同向解调器，其中正交解调器解调输出正交分量信号，该信号经过低通滤波器得到检测模态的正交直流分量，经过PI控制器得到正交反馈力；同样的，同向解调器解调输出同向分量信号，该信号经过低通滤波器得到检测模态的同向直流分量，经过PI控制器得到同向反馈力；正交反馈力和同向反馈力通过检测模态调制电路将信号调制到谐振频率上，正交反馈力通过正交调制器得到正交反馈力调制分量，同向反馈力通过同向调制器得到同向反馈力调制分量，然后相加两路信号后输出检测模态反馈力数字信号，该信号经过DA转换器转换成模拟电压施加给敏感结构，形成检测模态闭环控制环路。在反馈力的作用下，使得检测模态处于闭环工作状态，检测模态位移信号始终为零，保证了系统对量程和带宽的要求。同时，同向反馈力还通过角速率滤波和角速率温补输出最终的角速率测量值。

调制解调信号相位闭环控制环路连接于驱动模态CV电路和两个模态的调制解调电路之间，由锁相环(PLL)和DDS(数字频率合成器)共同组成，DDS包括相位累加器、相位调制器、相幅转换器。驱动模态CV电路得到驱动模态谐振频率作为PLL电路的参考频率，PLL输出时钟为系统和DDS的相位累加器提供工作时钟，使系统时钟始终与陀螺的谐振时钟同步工作。在相位累加器中，根据锁相环输出的时钟对给定的频率控制字K进行相位循环累加，然后在相位调制器中与四组分别代表驱动模态解调信号、驱动模态调制信号、检测模态解调信号、检测模态调制信号的调整相位值φ1、φ2、φ3、φ4分别相加得到驱动模态解调信号、驱动模态调制信号、检测模态解调信号、检测模态调制信号的相位信息，四组输出相位值经过相幅转换器产生四组sin和cos信号，分别作为驱动模态解调信号、驱动模态调制信号、检测模态解调信号、检测模态调制信号，同时，系统还可依据片上温度传感器分别对调整相位值φ1、φ2、φ3、φ4进行温度补偿。

由于MEMS陀螺敏感结构对温度敏感的特性，设计锁相环电路，选用陀螺的谐振频率作为参考时钟，为整个系统提供工作时钟，使得当陀螺谐振频率发生变化时，系统时钟始终与陀螺谐振频率自动保持同步，解决了谐振频率与温度的随动问题。

其中频率控制字K的设定要能够使得相位累加器输出的频率周期与陀螺敏感结构的谐振频率一致，这样两个模态的调制解调信号具有与陀螺谐振频率近似的频率，而相位调整值φ1、φ2、φ3、φ4均是基于陀螺的谐振频率基础之上。

在相位累加器输出的相位基础上，当驱动模态检测通路与驱动模态解调信号产生通路间的相位延迟的差异性造成驱动模态检测信号和驱动模态解调信号不对齐导致信号解调不准确时，通过调整相位值φ1对此相位差进行调整，同时，通过对调整值φ1进行温度补偿解决因两通路的实现电路中寄生电容、寄生电感、元件特性等因温度发生变化，造成两通路间相位差发生变化，保证驱动模态解调信号和检测信号全温范围内完全同相和正交。

在相位累加器输出的相位基础上，当驱动模态驱动通路上存在相位延迟时，可通过相位调整值φ2对驱动模态的调制信号进行相位调整，同时，通过对调整值φ2进行温度补偿，解决因驱动模态驱动通路上温度引起的相位变化，使得驱动模态调制信号加上驱动模态驱动通路上的相位延迟能够准确给出与驱动模态检测位移信号同相或反向的反馈信号。

在相位累加器输出的相位基础上，当检测模态检测信号与解调信号存在相位差时，可通过相位调整值φ3对检测模态的解调信号进行相位调整，同时，通过对调整值φ3进行温度补偿解决因检测模态检测信号与解调信号通路间因温度变化引起的相位差发生变化，使得检测模态解调信号与检测信号能够完全对齐。

在相位累加器输出的相位基础上，当检测模态驱动通路上存在相位延迟时，可通过相位调整值φ4对检测模态的调制信号进行相位调整，同时，通过对调整值φ4进行温度补偿，解决因检测模态的检测通路上温度引起的相位变化，使得检测模态调制信号加上驱动通路上的相位延迟能够准确给出与检测模态检测位移信号相位相差180度的反馈信号。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明采用全数字闭环控制系统，方便电路实现，算法配置更灵活，不易受外部环境和温度的影响；

(2)本发明采用自时钟锁相同步技术，无须外部晶振，更适应冲击、振动等恶劣环境的需求；

(3)本发明采用了DDS实现高精度移相，相位精度高，满足高精度调制和解调的要求；

(4)本发明能够避免因为陀螺器件的不完全对称、电路不同通路间特性差异、温度和系统扰动等造成的调制解调信号与检测信号不对齐的问题，解决了由于调制解调信号本身的相位误差对系统精度带来的影响；

(5本发明通过控制系统内部进行了相位误差的温度补偿，解决了直接角速率温补难度大且效果不佳的问题；

(6)本发明控制系统可大幅度提高陀螺仪的全温范围性能指标。

附图说明

图1为本发明高精度数字MEMS陀螺控制系统示意图。

附图标记：驱动模态闭环控制环路1、检测模态闭环控制环路2、调制解调信号相位闭环控制环路3、第一CV转换电路7、第一AD转换器8、驱动模态解调电路9、幅值解调器10、相位解调器11、第一低通滤波器12、比较器13、第一PI控制器14、第二低通滤波器15、第二PI控制器16、驱动模态调制电路17、幅值调制器18、第一相位调制器19、第一加法器20、第一DA转换器21、检测模态解调电路22、正交解调器23、同向解调器24、第二CV转换电路25、第二AD转换器26、第三低通滤波器27、第四低通滤波器28、第三PI控制器29、检测模态调制电路31、第一调制器32、第二调制器33、第二加法器34、第二DA转换器35、陀螺敏感结构36、角速率滤波37、角速率温补38、锁相环39、片上温度传感器40、数字频率合成器41、相位累加器42、第二相位调制器44、相幅转换器48。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

MEMS陀螺是一种惯性器件，其工作原理是科氏力原理，可类比于两个相互正交的阻尼-弹簧系统。当质量块沿着驱动方向作简谐振动时，如果在与驱动-检测平面垂直的方向有角速率变化，则在检测方向会感应出与角速度大小成正比的科氏力。哥氏力Fc大小表达式为：

Fc＝2m*v*Ω (1)

其中，m为陀螺敏感结构质量，v为驱动模态的有效振速，Ω为外加角速率。

在陀螺仪控制系统中，保持驱动模态的振动幅度为固定值，即让驱动模态稳幅振动，而振速v为振幅的导数，这样有效振速v为定值，从而哥氏力直接正比于角速率Ω。

理想情况下，驱动轴和检测轴完全正交，然而，由于加工误差的存在，检测轴受力为驱动力耦合分量与科氏力的叠加，从而造成检测轴的角速度信号中包含正交误差分量。检测轴受力情况表达式为：

F_s＝K_yx*S_x+2m*v*Ω (2)

其中，K_yx为驱动轴和检测轴的正交耦合系数，S_x为驱动轴运动位移量，F_s为检测轴实际受力。

在陀螺仪控制系统中，采用与检测轴实际受力大小相等，方向相反的信号施加于陀螺敏感结构检测轴，使得检测模态检测端输出位移信号保持为零，检测模态的这种闭环控制可满足陀螺仪量成和带宽的要求，同时提高系统抗干扰能力。

在陀螺仪两模态闭环控制系统中，如果解调信号相位不能与检测信号对其，即完全同相或正交，那么驱动模态将无法准确分离出幅值和相位信号，检测模态将无法准确分离出角速率和正交误差信号；如果调制信号相位不能与驱动信号对其，那么驱动模态将无法准确稳幅振荡，检测模态将无法完全抵消角速率和正交误差信号引起的位移。调制解调信号相位误差均会恶化陀螺仪的检测性能。下面以检测模态解调信号误差为例说明其对系统性能造成的影响。

假设陀螺敏感结构的谐振频率为ω_d,驱动模态检测信号为S_X＝Asinω_d，经过CV、AD转换后为S_X1＝Bsin(ω_dt+θ₁)，其中θ₁为驱动模态检测通路上(CV和AD)引入的信号相移，t为时间。

根据式(2)，检测模态检测信号为S_Y＝Csinω_dt+Dcosω_dt，其中Csinω_dt为正交误差对应的输出信号，Dcosω_dt为科氏力对应的输出信号，经过CV、AD转换后为S_Y1＝Csin(ω_dt+θ₂)+Dcos(ω_dt+θ₂)，其中θ₂为检测模态检测通路上引入(CV和AD)的信号相移。

通常默认θ₁＝θ₂，即驱动模态和检测模态检测通路的信号相移相等。然而，实际发现，由于电路中寄生电容、寄生电感以及元件非线性的影响，驱动和检测信号在输出后经历不同的信号路径，在后续的CV和AD转换环节中被引入了不同的延迟，从而使得解调信号与检测信号存在不同程度的相位差，导致检测性能受到影响。下面以当检测模态解调信号采用与驱动模态检测信号对其的信号进行解调为例，说明解调信号误差带来的影响。

设两模态检测链路相位差θ₂-θ₁＝θ_es,为简化分析，假定θ₁＝0，解调信号幅值为单位幅值1，则解调信号分别为sinω_dt、cosω_dt，θ₂＝θ_es,那么检测模态解调的同向分量为

经过低通滤波器后，得到：

同理，正交分量的解调结果为：

可以看出，当角速率输入为0，而θ_es不为0时，解调得到的角速率分量V_Ω不为0，同时还会检测到很大的正交耦合分量V_q。这会严重影响系统的动态范围和零偏稳定性。

更具体的，本发明提出的一种高精度数字MEMS陀螺控制系统及方法，解决了调制解调信号相位误差的影响，如图1所示。该控制系统包括驱动模态闭环控制环路1、检测模态闭环控制环路2、调制解调信号相位闭环控制环路3。

在驱动模态控制环路中1，驱动模态运动检测端输出的位移信号经过CV转换电路7转换为相应的电压值，然后经过AD转换器8转换成数字信号后进入驱动模态解调电路9，该解调电路包括幅值解调器10和相位解调器11，其中幅值解调器解调输出幅值分量信号，该信号经过低通滤波器12得到驱动模态的幅值直流分量，然后与驱动模态振幅给定值通过比较器13进行比较得到幅值误差信号，然后经过PI控制器14得到幅值反馈力；同样的，相位解调器11解调输出相位分量信号，该信号经过低通滤波器15得到驱动模态的相位直流分量，经过PI控制器16得到相位反馈力；幅值反馈力和相位反馈力通过驱动模态调制电路17将信号调制谐振频率上，幅值反馈力通过幅值调制器18得到幅值反馈力调制分量，相位反馈力通过相位调制器19得到相位反馈力调制分量，然后通过加法器20相加两路信号后输出驱动模态反馈力数字信号，该信号经过DA转换器21转换成模拟电压施加给敏感结构，在该反馈力的作用下，使得驱动模态能够稳幅振荡，也就是使驱动模态的输出幅值信号始终跟踪给定幅值。

在检测模态控制环路中2，检测模态运动检测端输出的位移信号经过CV转换电路25转换为相应的电压值；该电压值经过AD转换器26转换成数字信号后进入检测模态解调电路22，该解调电路包括正交解调器23和同向解调器24，其中正交解调器解调输出正交分量信号，该信号经过低通滤波器27得到检测模态的正交直流分量，经过PI控制器29得到正交反馈力；同样的，同向解调器解调输出同向分量信号，该信号经过低通滤波器28得到检测模态的同向直流分量，经过PI控制器39得到同向反馈力；正交反馈力和同向反馈力通过检测模态调制电路31将信号调制谐振频率上，正交反馈力通过调制器32得到正交反馈力调制分量，同向反馈力通过调制器33得到同向反馈力调制分量，然后通过加法器40相加两路信号后输出检测模态反馈力数字信号，该信号经过DA转换器35转换成模拟电压施加给敏感结构，通过检测模态闭环控制环路，在反馈力的作用下，使得检测模态处于闭环工作状态，检测模态位移信号始终为零，保证了系统对量程和带宽的要求。同时，同向反馈力还通过角速率滤波37和角速率温补38输出最终的角速率测量值。

调制解调信号相位控制环路3连接于驱动模态CV电路和两个模态的调制解调电路之间，由锁相环(PLL)39和DDS(数字频率合成器)41组成，DDS包括相位累加器42、相位调制器44、相幅转换器48。驱动模态CV电路得到驱动模态谐振频率作为PLL电路39的参考频率，PLL输出的时钟为系统和DDS的相位累加器42提供工作时钟，使系统时钟始终与陀螺的谐振时钟同步工作。在相位累加器42中，根据锁相环输出的时钟对给定的频率控制字K进行相位循环累加，然后在相位调制器中分别与驱动模态解调信号的调整相位值φ1、驱动模态调制信号的调整相位值φ2、检测模态解调信号的调整相位值φ3、检测模态调制信号的调整相位值φ4分别相加得到驱动模态解调信号、驱动模态调制信号、检测模态解调信号、检测模态调制信号的相位信息，四组输出相位值经过相幅转换器48产生四组sin和cos信号，分别作为驱动模态解调信号、驱动模态调制信号、检测模态解调信号、检测模态调制信号，同时，系统还可依据片上温度传感器40分别对调整相位值φ1、φ2、φ3、φ4进行温度补偿，解决温度变化引入的相位差。

由于MEMS陀螺谐振频率对温度敏感的特性，设计锁相环电路，选用陀螺的谐振频率作为参考时钟，为整个系统提供工作时钟，使得当陀螺谐振频率发生变化时，系统时钟始终与陀螺谐振频率自动保持同步，解决了敏感结构谐振频率与温度的随动问题。

其中频率控制字K的设定要能够使得相位累加器输出的频率周期与陀螺敏感结构的谐振频率一致，这样两个模态的调制解调信号具有与陀螺谐振频率相同的频率，而相位调整值φ1、φ2、φ3、φ4均是基于陀螺的谐振频率基础之上。

在相位累加器输出的相位基础上，当驱动模态检测通路与驱动模态解调信号产生通路(CV经PLL到相位累加器输出)间的相位延迟的差异性造成驱动模态检测信号和驱动模态解调信号不对齐导致信号解调不准确时，通过调整相位值φ1对此通路间的相位差进行调整，如果驱动模态检测通路的相位延迟相比小于驱动模态解调信号产生通路的相位延迟，则设置φ1使驱动模态解调信号的相位在相位累加器输出的相位基础上前移到与驱动模态检测信号对齐，相反的，如果驱动模态检测通路的相位延迟相比大于驱动模态解调信号产生通路的相位延迟，则设置φ1使驱动模态解调信号的相位在相位累加器输出的相位基础上后移到与驱动模态检测信号对齐，同时，通过对调整值φ1进行温度补偿解决因两通路的实现电路中，尤其是模拟处理电路部分的电阻、电感、元件寄生特性等因温度发生变化，造成两通路间相位差发生变化，保证驱动模态解调信号和检测信号全温范围内准确对齐。

在相位累加器输出的相位基础上，通过相位调整值φ2对驱动模态的调制信号进行相位调整，相位调整值φ2应包括驱动模态解调信号的相位调整值φ1，驱动模态调制信号在解调信号基础上的90度相移以及驱动模态驱动通路上的相位延迟，通过相位调整值φ2调整后的驱动模态调制信号能够使给出的调制后的驱动反馈力与驱动模态输出的位移信号准确对齐。同时，通过对调整值φ2进行温度补偿，解决因驱动模态驱动通路上温度引起的相位延迟变化，使得驱动模态调制信号考虑驱动模态驱动通路上的相位延迟能够在全温范围下准确给出与驱动模态检测位移信号同相或反相的反馈力信号。

在相位累加器输出的相位基础上，当检测模态检测通路与解调信号产生通路(CV经PLL到相位累加器输出)间的相位延迟的差异性造成检测模态检测信号和检测模态解调信号不对齐导致信号解调不准确时，通过调整相位值φ3对此通路间的相位差调整。如果检测模态检测通路的相位延迟相比小于解调信号产生通路的相位延迟，则设置φ3使检测模态解调信号的相位在相位累加器输出的相位基础上前移到与检测模态检测信号对齐，相反的，如果检测模态检测通路的相位延迟相比大于解调信号产生通路的相位延迟，则设置φ3使检测模态解调信号的相位在相位累加器输出的相位基础上后移到与检测模态检测信号对齐，同时，通过对调整值φ3进行温度补偿解决因检测模态检测信号与解调信号通路间因温度变化引起的相位差发生变化，使得检测模态解调信号与检测信号能够全温范围下准确对齐。

在相位累加器输出的相位基础上，通过相位调整值φ4对检测模态的调制信号进行相位调整，相位调整值φ4应包括检测模态解调信号的调整值φ3，检测模态驱动信号相比解调信号的90度相移，以及检测模态驱动通路上存在的相位延迟，通过调整值φ4调整后的检测模态调制信号能够使调制后给出的检测反馈力与检测位移信号准确对齐。同时，通过对调整值φ4进行温度补偿，解决因检测模态驱动通路上温度引起的相位变化，使得检测模态调制信号考虑检测模态驱动通路上的随温度变化的相位延迟能够在全温范围下准确给出与检测模态检测位移信号相位相差180度的反馈力信号。

调制解调信号相位控制环路解决了因为驱动模态控制环路和检测模态控制环路中的调制解调信号相位误差引入的测量误差。直接对调制解调信号的相位调整值φ1、φ2、φ3、φ4进行温度补偿，从控制系统内部解决了温度引入的测量误差，解决通过角速率温补很难使全温测量特性达到要求的问题。

根据此控制系统，MEMS陀螺仪的测量精度大大提高，零偏稳定性从之前的10°/h提升至全温范围0.1°/h。

本发明公开的控制系统对于大部分简谐振动模式的振动结构陀螺仪都是适用的。

一种高精度数字MEMS陀螺控制方法，包括如下步骤：

将驱动模态谐振频率作为PLL电路的参考频率，PLL输出时钟为整个控制系统和DDS的相位累加器提供工作时钟；DDS的相位累加器根据PLL输出的时钟对给定的频率控制字K进行相位循环累加，然后将累加结果在DDS的相位调制器中与驱动模态解调信号、驱动模态调制信号、检测模态解调信号、检测模态调制信号四个信号的调整相位值φ1、φ2、φ3、φ4分别相加得到驱动模态解调信号、驱动模态调制信号、检测模态解调信号、检测模态调制信号四个信号的相位信息，四个信号的相位信息经相幅转换后产生四组信号，分别作为驱动模态解调信号、驱动模态调制信号、检测模态解调信号、检测模态调制信号；

驱动模态将幅值解调后输出的幅值分量信号进行滤波后与驱动模态振幅给定值进行比较得到幅值误差信号，该幅值误差信号经过PI控制器得到幅值反馈力；将相位解调后输出的相位分量信号进行滤波后经过PI控制器得到相位反馈力；利用幅值反馈力和相位反馈力转换成模拟电压施加给敏感结构，使得驱动模态稳幅振荡；

检测模态将正交解调输出的正交分量信号进行滤波后经过PI控制器得到正交反馈力；将同向解调输出的同向分量信号进行滤波后经过PI控制器得到同向反馈力；利用幅正交反馈力和同向反馈力转换成模拟电压施加给敏感结构，使得检测模态处于闭环工作状态；利用同向反馈力获得最终的角速率测量值。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种高精度数字MEMS陀螺控制系统，其特征在于，包括驱动模态闭环控制环路、检测模态闭环控制环路、调制解调信号相位闭环控制环路；

驱动模态闭环控制环路，将幅值解调后输出的幅值分量信号进行滤波后与驱动模态振幅给定值进行比较得到幅值误差信号，该幅值误差信号经过PI控制器得到幅值反馈力；将相位解调后输出的相位分量信号进行滤波后经过PI控制器得到相位反馈力；利用幅值反馈力和相位反馈力转换成模拟电压施加给敏感结构，使得驱动模态稳幅振荡；

检测模态闭环控制环路，将正交解调输出的正交分量信号进行滤波后经过PI控制器得到正交反馈力；将同向解调输出的同向分量信号进行滤波后经过PI控制器得到同向反馈力；利用正交反馈力和同向反馈力转换成模拟电压施加给敏感结构，使得检测模态处于闭环工作状态；利用同向反馈力获得最终的角速率测量值；

调制解调信号相位闭环控制环路，包括PLL和DDS，将驱动模态谐振频率作为PLL电路的参考频率，PLL输出时钟为整个控制系统和DDS的相位累加器提供工作时钟，使整个控制系统时钟与陀螺的谐振时钟同步工作。

2.根据权利要求1所述的高精度数字MEMS陀螺控制系统，其特征在于，驱动模态运动检测端输出的位移信号经过CV转换电路转换为相应的电压值，然后经过AD转换器转换成数字信号后进入驱动模态解调电路，利用驱动模态解调电路获得幅值解调后输出的幅值分量信号、相位解调后输出的相位分量信号。

3.根据权利要求1所述的高精度数字MEMS陀螺控制系统，其特征在于，将幅值反馈力和相位反馈力通过驱动模态调制电路将信号调制到谐振频率上，其中幅值反馈力通过幅值调制后得到幅值反馈力调制分量，相位反馈力通过相位调制后得到相位反馈力调制分量，然后将幅值反馈力调制分量和相位反馈力调制分量相加后获得驱动模态反馈力数字信号，将驱动模态反馈力数字信号转换为模拟电压施加给敏感结构。

4.根据权利要求1所述的高精度数字MEMS陀螺控制系统，其特征在于，同向反馈力通过角速率滤波和角速率温补后输出最终的角速率测量值。

5.根据权利要求1所述的高精度数字MEMS陀螺控制系统，其特征在于，正交反馈力通过正交调制得到正交反馈力调制分量，同向反馈力通过同向调制得到同向反馈力调制分量，然后将正交反馈力调制分量和同向反馈力调制分量相加后获得检测模态反馈力数字信号，检测模态反馈力数字信号经转换成模拟电压施加给敏感结构。

6.根据权利要求1所述的高精度数字MEMS陀螺控制系统，其特征在于，检测模态运动检测端输出的位移信号经过CV转换电路转换为相应的电压值；然后经过AD转换器转换成数字信号后进入检测模态解调电路。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的高精度数字MEMS陀螺控制系统，其特征在于，DDS的相位累加器根据PLL输出的时钟对给定的频率控制字K进行相位循环累加，然后将累加结果在DDS的相位调制器中与驱动模态解调信号、驱动模态调制信号、检测模态解调信号、检测模态调制信号四个信号的调整相位值φ1、φ2、φ3、φ4分别相加得到驱动模态解调信号、驱动模态调制信号、检测模态解调信号、检测模态调制信号四个信号的相位信息，四个信号的相位信息经相幅转换后产生四组信号，分别作为驱动模态解调信号、驱动模态调制信号、检测模态解调信号、检测模态调制信号。

8.根据权利要求7所述的高精度数字MEMS陀螺控制系统，其特征在于，根据PLL输出的时钟确定DDS的相位累加器的频率控制字K，使得相位累加器输出的频率周期与陀螺敏感结构的谐振频率一致。

9.根据权利要求7所述的高精度数字MEMS陀螺控制系统，其特征在于，通过修正调整相位值φ1使得信号解调准确且使得驱动模态解调信号和检测信号全温范围内同相和正交；通过修正调整相位值φ2能够消除驱动模态驱动通路上的相位延迟，且能够用于温度补偿；通过修正调整相位值φ3能够消除检测模态检测信号与解调信号之间存在相位差，且使得检测模态解调信号与检测信号能够对齐；通过修正调整相位值φ4能够消除检测模态驱动通路上存在的相位延迟，且能够消除检测模态的检测通路上温度引起的相位差。

10.一种高精度数字MEMS陀螺控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

将驱动模态谐振频率作为PLL电路的参考频率，PLL输出时钟为整个控制系统和DDS的相位累加器提供工作时钟；DDS的相位累加器根据PLL输出的时钟对给定的频率控制字K进行相位循环累加，然后将累加结果在DDS的相位调制器中与驱动模态解调信号、驱动模态调制信号、检测模态解调信号、检测模态调制信号四个信号的调整相位值φ1、φ2、φ3、φ4分别相加得到驱动模态解调信号、驱动模态调制信号、检测模态解调信号、检测模态调制信号四个信号的相位信息，四个信号的相位信息经相幅转换后产生四组信号，分别作为驱动模态解调信号、驱动模态调制信号、检测模态解调信号、检测模态调制信号；

驱动模态将幅值解调后输出的幅值分量信号进行滤波后与驱动模态振幅给定值进行比较得到幅值误差信号，该幅值误差信号经过PI控制器得到幅值反馈力；将相位解调后输出的相位分量信号进行滤波后经过PI控制器得到相位反馈力；利用幅值反馈力和相位反馈力转换成模拟电压施加给敏感结构，使得驱动模态稳幅振荡；

检测模态将正交解调输出的正交分量信号进行滤波后经过PI控制器得到正交反馈力；将同向解调输出的同向分量信号进行滤波后经过PI控制器得到同向反馈力；利用 正交反馈力和同向反馈力转换成模拟电压施加给敏感结构，使得检测模态处于闭环工作状态；利用同向反馈力获得最终的角速率测量值。

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