CN113607151A - 一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法，属于微机械惯性器件技术领域。包括：1)驱动模块输出时分的驱动正弦信号，在相邻时间周期内交替输出正弦驱动信号和零电平信号；2)当驱动电压信号处于无信号的周期时段，检测模块进行信号检测并生成正交电对消信号，具体为：放大检测端的微弱信号；将微弱信号经数模转换输入数字处理器进行正交解调，得到音叉检测信号的同相和正交分量；对正交分量幅度增益进行PI控制，得到正交电对消信号的幅度参数；产生正弦信号输出，输出正交电对消信号；3)将正交电对消信号及音叉检测信号连电容并接入通过检测端放大器的负极。所述方法彻底消除了由于静电耦合产生的陀螺零位漂移且电路改动小。

Description

一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法

技术领域

本发明涉及一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法，属于微机械惯性器件技术领域。

背景技术

陀螺是一种惯性敏感器件，用于测量物体相对于惯性空间的旋转角速度。微机械陀螺由于其体积小、重量轻、功耗低、成本低、易于批量生产等特点称为陀螺领域的重要发展方向并受到广泛关注。

石英音叉陀螺是微机械陀螺的一种典型代表，工作原理是石英晶体的压电/逆压电效应和柯氏效应，包括驱动和检测两对音叉。通过石英晶体的逆压电效应，驱动叉指在交变的驱动电压信号下产生参考振动；当沿垂直于参考振动的方向输入角速度时，音叉质点将受到正弦交变的哥氏惯性力的作用，从而在垂直于角速度输入方向、参考振动方向产生敏感振动，通过石英晶体的压电效应使检测电极上出现与它成比例的电荷，该电荷经过放大并解调后得到一个正比于输入角速度的直流输出。

发明专利授权公告号：US 9568315B2，发明名称：Detection device,sensor,electronic apparatus and moving object.专利权人：日本精工爱普生公司，发明人：Naoki,Suwa(JP)，Katsuhiko Maki,Chino(JP)，Takashi Kurashina,Matsumoto(JP)。在该专利中提出了一种石英音叉陀螺的信号检测系统设计方案。

该方案中石英音叉陀螺在角速度信号检测方面主要采用基于正交解调方法的驱动闭环、检测开环的技术方案。驱动端通过采集驱动反馈信号和PI校正进行驱动信号相位和幅度闭环控制，使得驱动音叉以恒定幅度工作在谐振频率处；检测端开环检测通过正交解调原理得到待测的角速度信息。该方案中石英音叉陀螺信号检测电路形式主要包括驱动电路、检测电路、数字信号处理电路三部分。

上述技术方案揭示了石英音叉陀螺的工作原理和工程实现，通过驱动闭环技术维持驱动音叉的稳定振动，有效提高了石英陀螺的性能。然而，由于该方案检测端为开环，对于石英陀螺的静电耦合误差和正交耦合误差不能做到有效抑制，从而造成陀螺零位误差，不能够充分发挥出陀螺表芯的性能。因此，现有方案虽然取得了良好的技术效果，但是，在引起石英音叉陀螺零位误差的两种重要误差源静电耦合和正交耦合的抑制方面还存在很大改进空间。本发明的目的是致力于解决上述技术的缺陷，提出一种基于时分驱动和正交电对消的石英音叉陀螺误差抑制方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有石英陀螺无法有效减小静电耦合和正交耦合从而使石英音叉陀螺产生零位误差的技术问题，提出了一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

所述石英陀螺误差抑制方法依托的石英陀螺装置，包括驱动模块、检测模块、数字信号处理模块以及电对消模块；

其中，驱动模块包括驱动软件单元、驱动DAC单元、驱动ADC单元和音叉驱动单元；

音叉驱动单元为时分驱动模式，即驱动电压加载时段不进行检测端检测，在检测端进行信号检测时段内音叉驱动单元没有驱动电压激励；

检测模块包括检测软件单元、检测ADC单元、检测DAC单元和音叉检测单元；数字信号处理模块包括数字处理器，且存储有码表；

其中，音叉驱动单元和音叉检测单元统称为石英音叉，简称音叉；且音叉驱动单元又称为驱动端，音叉检测单元又称为检测端；

电对消模块包括检测端放大器；

所述石英陀螺装置中各部件的连接关系如下：

数字信号处理模块与驱动模块以及检测模块相连，检测模块与电对消模块相连；驱动模块与检测模块相连；

驱动软件单元与驱动DAC单元相连，驱动DAC单元与音叉驱动单元相连，驱动软件单元与驱动ADC单元相连，检测端放大器与检测ADC单元相连；数字处理器与检测软件单元、音叉检测单元以及检测DAC单元相连，检测DAC单元与检测端放大器相连；

所述石英陀螺装置中各部件的信号流程如下：

驱动模块产生驱动石英音叉的正弦激励信号，检测模块解调角速度信号，数字信号处理模块进行正交解调、PI控制以及数字滤波的实现，电对消模块对检测端正交耦合误差进行对消补偿；

所述石英陀螺误差抑制方法，包括如下步骤：

步骤1：驱动模块输出时分的驱动正弦信号，在相邻时间周期内交替输出正弦驱动信号和零电平信号，具体包括如下子步骤：

步骤1.1驱动软件单元根据石英音叉的谐振频率通过码表查询方式产生与谐振频率相同的正弦波并通过驱动DAC单元转换为模拟的驱动电压信号，该驱动电压信号加载到音叉驱动单元上驱动电极，使石英音叉起振并工作在谐振频率点处；

步骤1.2驱动软件单元包括对驱动电压信号的PI控制，通过驱动ADC单元采集音叉驱动单元的反馈信号，构建闭环控制模型，计算相位和幅度补偿增益系数，利用计算得到的相位和幅度补偿增益系数对驱动电压信号进行实时调节；

步骤2：当驱动电压信号处于无信号的周期时段，检测模块开始进行信号检测，并生成正交电对消信号，具体包括如下子步骤：

步骤2.1通过检测端放大器放大检测端的微弱信号；

步骤2.2检测ADC单元将检测到的微弱信号经过数模转换并输入数字处理器中；

步骤2.3检测软件单元在数字处理器内进行正交解调，得到音叉检测信号的同相分量和正交分量；

步骤2.4数字处理器根据音叉检测单元的传递函数模型，构建闭环控制系统，并对正交分量的幅度增益进行PI控制，得到正交电对消信号的幅度参数；

步骤2.5通过数字处理器中存储的码表产生正弦信号输出到检测DAC单元；

步骤2.6检测DAC单元将数字信号转换为模拟信号，输出正交电对消信号；

步骤3：将音叉检测信号和正交电对消信号之间通过一个电容进行连接；

步骤4：再将检测DAC单元输出的正交电对消信号以及音叉检测信号接入通过检测端放大器的负极进入检测端放大器；

至此，经过步骤1到步骤4，完成了一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法。

有益效果

本发明所述的一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法，与现有的石英音叉陀螺误差抑制方法相比，具有以下有益效果：

1.所述方法中由音叉驱动单元生成的电压信号通过静电耦合到检测端产生的误差被完全消除，在时间上对静电耦合进行了分离，从理论上彻底消除了由于静电耦合产生的陀螺零位漂移；

2.所述方法将检测端正交信号在放大器输入端进行对消，正交分量不会通过检测放大器和检测ADC单元，因此在后端正交解调时也不会泄露到检测同相分量导致陀螺零位，有效改善了陀螺的零位漂移；

3.所述方法对导致石英音叉陀螺零位误差的两大关键性因素静电耦合和机械耦合分别进行了抑制，且在电路实现方面只需增加一个检测DAC单元输出到放大器负极，电路原理简单；

4.所述方法对电对消信号的PI控制在数字处理器中实现，对原有陀螺的电路改动较小，结构无改动，实现简单可便于产品升级。

附图说明

图1是本发明一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法依托的石英陀螺的系统原理框图；

图2是本发明一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法的信号时序图；

图3是本发明一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法的驱动时分控制功能图；

图4是本发明一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法的检测时分检测功能图；

图5是本发明一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法的正交电对消PI闭环控制仿真图；

图6是本发明一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法依托系统中检测模块的正交电对消信号生成电路图；

图7是本发明一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法依托系统中检测模块正交电对消电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法做进一步说明和详细描述。

实施例1

在实施例适当的地方，结合有益效果及发明内容中的装置组成及步骤，展示出，有益效果是怎么实施实现的。

1.所述方法中由音叉驱动单元生成的电压信号通过静电耦合到检测端产生的误差被完全消除，在时间上对静电耦合进行了分离，从理论上彻底消除了由于静电耦合产生的陀螺零位漂移；

2.所述方法将检测端正交信号在放大器输入端进行对消，正交分量不会通过检测放大器和检测ADC单元，因此在后端正交解调时也不会泄露到检测同相分量导致陀螺零位，有效改善了陀螺的零位漂移；

3.所述方法对导致石英音叉陀螺零位误差的两大关键性因素静电耦合和机械耦合分别进行了抑制，且在电路实现方面只需增加一个检测DAC单元输出到放大器负极，电路原理简单；

4.所述方法对电对消信号的PI控制在数字处理器中实现，对原有陀螺的电路改动较小，结构无改动，实现简单可便于产品升级。

本实施例详细阐述了本发明一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法在具体产品实施时的详细方法。

本发明所述一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法，具体实施时，所述系统原理框图如图1，从图中可以看出：系统分为驱动模块和检测模块两大部分；在驱动模块部分，数字信号处理器输出与驱动端音叉谐振频率相同的正弦驱动信号，该信号通过驱动DAC转换成模拟信号加载到驱动端音叉上，使驱动端音叉工作在谐振频率处；驱动端ADC采集驱动音叉的振动信号，转换成数字信后进入处理器，在处理器内部对驱动端信号的相位和幅度进行闭环控制，使得驱动音叉恒频恒幅振动在谐振频率处；驱动闭环生成的驱动信号，经过驱动时分功能单元，生成时分的驱动信号，再次通过驱动DAC转换成模拟信号加载到驱动音叉。

驱动模块包括驱动软件单元、驱动DAC单元、驱动ADC单元和音叉驱动单元；驱动软件单元在数字处理器STM32F405中实现，包括驱动闭环和驱动分时两个软件模块；驱动DAC单元采用了DAC80501芯片，其中，DAC的位数为16位。驱动ADC单元采用的是ADS8885芯片，位数18位，采样率400ksps。音叉驱动单元为MEMS石英音叉，驱动音叉的谐振频率为9kHz。

驱动软件单元根据石英音叉的谐振频率通过码表查询方式产生与谐振频率相同的正弦波并通过驱动DAC单元转换为模拟的驱动电压信号，石英音叉的驱动端谐振频率为9kHz，码表采用3600点的正弦码表，在STM32处理器内部每4us进行一次转换，STM32通过DMA方式完成DAC转换，生成与石英音叉驱动端谐振频率相同的9kHz的驱动电压信号，电压信号幅值为5V。该驱动电压信号加载到音叉驱动单元上驱动电极，使石英音叉起振并工作在谐振频率点处。

驱动软件单元包括对驱动电压信号的PI控制，通过驱动ADC单元采集音叉驱动单元的反馈信号，构建闭环控制模型，计算相位和幅度补偿增益系数，利用计算得到的相位和幅度补偿增益系数对驱动电压信号进行实时调节；驱动ADC芯片ADS8885采集音叉驱动单元的反馈信号，ADC转换时间为4us，ADC的采集时间需要与驱动DAC单元严格同步，AD转换后的信号可以写成：

Vqjin＝Ain*sin(Wd*t+p1)

其中Vqjin为ADC采样信号，Ain为驱动幅值，Wd为驱动谐振频率，P1是包括电路及音叉在内的总的相移或延时。在STM32内部，将输出的数字驱动信号，进行一定的相位补偿，产生同相和正交两路解调参考信号，分别为sin(Wd*t+P1')和cos(Wd*t+P1')，用两路参考信号分别跟Vqjin相乘，并进行低通滤波，根据同相和正交两路解调参考信号，在谐振点附近，同相分量远大于正交分量，则同相分量反映了驱动参考振动的幅值信息，正交分量/同相分量约为0，其比值等于相角对应的弧度值；用正交分量/同相分量比值，作为频率调整的输入参数，通过PI算法，产生频率调节量，动态调整驱动频率，使其始终在谐振频率点振动。

当驱动电压信号处于无信号的周期时段，检测模块开始进行信号检测，通过检测端放大器OPA2320AIDRG放大检测端的微弱信号，该信号主要包括角速度信号以及机械耦合等误差信号，该信号经过放大器放大后可以进入检测ADC单元；检测ADC单元ADS8885芯片将检测到的微弱信号经过数模转换并输入数字处理器STM32F405中；检测软件单元在数字处理器内进行正交解调，得到音叉检测信号的同相分量和正交分量；跟驱动端类似，检测端ADC输入信号相对于驱动端的输出正弦信号也有相移P2，设表达式为:

Vjcin＝Bin*sin(Wd*t+P2)

Bin为角速度交流幅值。将输出的数字驱动信号，进行一定的相位补偿，产生同相和正交两路解调参考信号，分别为sin(Wd*t+P2')和cos(Wd*t+P2')，用两路参考信号分别跟Vjcin相乘，并进行低通滤波，当P2'＝P2时，则同相解调得到的同相分量幅值为Bin/2*cos(P2-P2')，正交解调得到正交分量幅值为Bin/2*sin(P2-P2')。当P2＝P2'时，同相分量达到最大值Bin/2，而正交分量达到最小。信号时序图如图2所示，图2是本发明的信号时序图，表示了上述步骤生成的信号时序，从图2可以看出，驱动信号为经过时分的正弦信号，驱动信号在相邻两周期内交替输出为正弦信号和零电平信号，由于石英音叉的驱动振动存在惯性作用，当驱动电压信号消失后，音叉仍然会保持振动，只是振动幅度有所下降。检测位移信号是被角速度调制的正弦信号，虽然驱动电压信号随时间周期交替存在，但是驱动振动的位移信号由于惯性的作用在整周期都存在，因此根据石英陀螺哥式效应工作原理，检测位移信号在整个周期内都存在，但是在检测周期内振幅相比驱动周期内小。本地解调信号是用于正交解调的信号，该信号也经过时分控制，经过时分的本地解调信号与驱动信号在时间上完全错开，即驱动信号加载时不进行检测端解调，在驱动信号为零的周期内进行检测端解调，驱动信号为零的周期内，驱动端音叉在惯性作用下，依然维持谐振，由于驱动电压信号消失，静电耦合也随之消失，因此，在驱动时分、检测时分的条件下，陀螺的静电耦合误差被完全消除，由于静电耦合是陀螺产生零位误差的两大原因之一，因此，静电耦合的消除可以改善陀螺零位。完成驱动和检测分时的结构如图3和图4所示。图3是本发明的驱动时分控制模块，驱动原始输出信号为连续的正弦信号，在时分控制信号的控制下，驱动时分输出信号交替连接驱动原始输出信号和地，完成对驱动信号的时分控制功能。图4是本发明的检测时分控制模块，原理和驱动时分控制模块相同，区别是输入为检测原始输出信号，输出为检测时分输出信号，并且检测时分控制信号与驱动时分控制信号相位相反。

数字处理器STM32根据音叉检测单元的传递函数模型，构建闭环控制系统，并对正交分量的幅度增益进行PI控制，得到正交电对消信号的幅度参数；

检测DAC单元DAC80501将数字信号转换为模拟信号完成正交电对消信号的输出；通过检测端的DAC，输出跟驱动信号完全正交的对消信号，并同时在用上一步所确定的解调正交相位进行解调，得到正交通道的幅值。正交对消激励信号的幅值分别设置为AE1、AE2，所对应的正交通道解调得到的幅值为AR1和AR2，则正交通道归一化系数为：k＝(AR2-AR1)/(AE2-AE1)，将正交通道的解调幅值，经过PI运算以后，再乘以开环增益系数k，其结果作为正交对消信号的幅值，注意系数k应为负值，以保证是负反馈。如图5所示，图5是本发明的正交电对消PI闭环控制仿真图，其中音叉正交信号表示陀螺由音叉所产生的正交信号，低通滤波表示解调后的二阶低通滤波。低通滤波参数、PI参数、开环增益，共同决定了系统的闭环响应带宽。经过正交电对消PI闭环控制后的对消信号，可在石英音叉陀螺随外部环境变化而产生变的时候，满足正交电对消所需的条件。

将检测DAC单元DAC80501输出的正交电对消信号接入检测端放大器OPA2320AIDRG的输入负极，也将音叉检测信号通过放大器负极进入检测端放大器；在音叉检测信号和正交电对消信号之间通过一个电容进行连接，电容可选择容值为1pf。如图6所示，图6是本发明的检测模块正交电对消信号生成电路图，电路主要组成部分为检测端DAC芯片DAC80501，DAC芯片DAC80501的数字输入端为与处理器相连接的SPI接口，正交电对消信号经过处理器计算完毕后，通过SPI接口传输到检测DAC芯片DAC80501，检测DAC芯片DAC80501的输出即为最终需要得到的正交电对消信号。如图7所示，图7是本发明的检测模块正交电对消电路图，图中OPA2320AIDRG为检测端电荷放大器，检测信号通过放大器2号管脚INA-输入放大器，经过放大后的检测信号被检测ADC采集转换成数字信号进行后端的信号处理。在正交电对消方案中，生成的正交电对消信号通过一个耦合电容与检测信号相连接，以此对消检测信号中由机械耦合产生的正交分量，从而抑制正交机械耦合误差，正交机械耦合误差是陀螺零位误差产生的另一个重要因素，因此，通过对正交机械耦合误差的抑制可以提高陀螺的零位精度。

在现有技术方案中，石英陀螺组成电路包括驱动放大器、驱动端ADC、检测端放大器、检测端ADC，因此，本专利提出的方法相比现有技术方案，增加了一个检测DAC芯片并且将DAC输出通过电容接入检测端放大器，因此，电路改动简单。数字PI控制算法属于软件范围，PI算法通过软件编程实现，不需要增加新的硬件电路，因此，对原有陀螺的电路改动较小，结构无改动，实现简单可便于产品升级。

至此完成了一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法，其特征在于：依托的石英陀螺装置，包括驱动模块、检测模块、数字信号处理模块以及电对消模块；

其中，驱动模块包括驱动软件单元、驱动DAC单元、驱动ADC单元和音叉驱动单元；

检测模块包括检测软件单元、检测ADC单元、检测DAC单元和音叉检测单元；

其中，音叉驱动单元和音叉检测单元统称为石英音叉，简称音叉；且音叉驱动单元又称为驱动端，音叉检测单元又称为检测端；

电对消模块包括检测端放大器；

数字信号处理模块包括数字处理器；

数字信号处理模块与驱动模块以及检测模块相连，检测模块与电对消模块相连；驱动模块与检测模块相连；

驱动软件单元与驱动DAC单元相连，驱动DAC单元与音叉驱动单元相连，驱动软件单元与驱动ADC单元相连，检测端放大器与检测ADC单元相连；数字处理器与检测软件单元、音叉检测单元以及检测DAC单元相连，检测DAC单元与检测端放大器相连；

所述石英陀螺误差抑制方法，包括如下步骤：

步骤1：驱动模块输出时分的驱动正弦信号，在相邻时间周期内交替输出正弦驱动信号和零电平信号，具体包括如下子步骤：

步骤1.1驱动软件单元根据石英音叉的谐振频率通过码表查询方式产生与谐振频率相同的正弦波并通过驱动DAC单元转换为模拟的驱动电压信号，该驱动电压信号加载到音叉驱动单元上驱动电极，使石英音叉起振并工作在谐振频率点处；

步骤1.2驱动软件单元包括对驱动电压信号的PI控制，通过驱动ADC单元采集音叉驱动单元的反馈信号，构建闭环控制模型，计算相位和幅度补偿增益系数，利用计算得到的相位和幅度补偿增益系数对驱动电压信号进行实时调节；

步骤2：当驱动电压信号处于无信号的周期时段，检测模块开始进行信号检测，并生成正交电对消信号，具体包括如下子步骤：

步骤2.1通过检测端放大器放大检测端的微弱信号；

步骤2.2检测ADC单元将检测到的微弱信号经过数模转换并输入数字处理器中；

步骤2.3检测软件单元在数字处理器内进行正交解调，得到音叉检测信号的同相分量和正交分量；

步骤2.4数字处理器根据音叉检测单元的传递函数模型，构建闭环控制系统，并对正交分量的幅度增益进行PI控制，得到正交电对消信号的幅度参数；

步骤2.5通过数字处理器中存储的码表产生正弦信号输出到检测DAC单元；

步骤2.6检测DAC单元将数字信号转换为模拟信号，输出正交电对消信号；

步骤3：将音叉检测信号和正交电对消信号之间通过一个电容进行连接；

步骤4：再将检测DAC单元输出的正交电对消信号以及音叉检测信号接入通过检测端放大器的负极进入检测端放大器。

2.根据权利要求1所述的一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法，其特征在于：依托系统中音叉驱动单元为时分驱动模式，即驱动电压加载时段不进行检测端检测，在检测端进行信号检测时段内音叉驱动单元没有驱动电压激励。

3.根据权利要求2所述的一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法，其特征在于：依托系统中数字信号处理模块存储有码表。

4.根据权利要求3所述的一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法，其特征在于：依托系统中的驱动模块产生驱动石英音叉的正弦激励信号。

5.根据权利要求4所述的一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法，其特征在于：依托系统中的检测模块解调角速度信号。

6.根据权利要求5所述的一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法，其特征在于：依托系统中的数字信号处理模块进行正交解调、PI控制以及数字滤波的实现。

7.根据权利要求6所述的一种基于时分驱动和正交电对消的石英陀螺误差抑制方法，其特征在于：电对消模块对检测端正交耦合误差进行对消补偿。

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