[發明專利]微機械陀螺的雙閉環控制電路

有效

• 申請號: 201210096258.7
• 申請日: 2012-04-04
• 公開（公告）號: CN102620726A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 常洪龍;陳方;謝建兵;苑偉政
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01C19/56
• 分類號: G01C19/56;H03L7/099
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 呂湘連

1.微機械陀螺的雙閉環控制電路，其特征在于：由驅動模態的自激振蕩閉環控制電路和檢測模態的6階連續帶通∑ΔM閉環控制電路組成，

驅動模態的自激振蕩閉環控制電路為：將頻率為f₁的高頻載波V_carry(t)加載到微機械陀螺(1)的中心質量塊上，微機械陀螺(1)的驅動檢測電極輸出的位移信號x(t)＝a·cos(2πf₁+φ)，其中，a為驅動位移信號的幅值，φ為驅動位移信號的相移；位移信號x(t)經過前置檢測器(2)輸出兩路全差分高頻調制電壓信號u(t)和u(t)，經過高通濾波器(26)濾除低頻干擾信號；再依次經過解調二極管(27)和低通濾波器(28)組成的解調電路、儀表放大器(29)、自動增益控制器(30)、移相器I(31)后輸出電壓信號z(t)；z(t)進入加法器(32)和減法器(33)分別與直流量Vdc相加、相減形成驅動電壓u_ad2＝Vdc+z′(t)和u_ad3＝Vdc-z′(t)，u_ad2和u_ad3分別加載到陀螺(1)的驅動反饋電極上，實現閉環自激振蕩；陀螺驅動模態傳遞函數的相移前置檢測器(2)的相移高通濾波器(26)的相移低通濾波器(28)的相移移相器(31)的相移為滿足以下條件：n為整數，以保證整個環路滿足自激振蕩的相位條件；解調二極管(27)、儀表放大器(29)、自動增益控制器(30)、加法器(31)、減法器(32)不存在相移。

檢測模態的6階連續帶通∑ΔM閉環控制電路為：微機械陀螺(1)檢測模態的全差分檢測電極輸出的位移信號y(t)經過前置檢測器(2)輸出兩路全差分高頻調制電壓信號為V_i(t)和V′_i(t)，V_i(t)和V′_i(t)經過高通濾波器(11)將驅動模態耦合信號V′_d(t)濾除得到V_i2(t)和V′_i2(t)，高通濾波器(11)的截止頻率f_c1滿足：f_c1＞f_x，其中f_x為MEMS陀螺驅動模態的諧振頻率；V_i2(t)和V′_i2(t)再經過由二極管(12)和低通濾波器(13)組成的解調電路進行解調和濾波，低通濾波器(13)的截止頻率f_c3滿足：f_y＜f_c3＜f₁，其中，f_y為陀螺檢測模態的諧振頻率；解調和濾波后的信號進入增益為G₁的全差分放大電路(14)對其做進一步的全差分放大得到V_i3(t)和V′_i3(t)；相位補償電路(15)對V_i3(t)和V′_i3(t)進行一定的相位移動使得整個閉環控制回路的相移不等于2n，防止自激振蕩；移相后得到信號V_i4(t)和V′_i4(t)進入諧振電路(24)，諧振電路24)包括串聯的完全相同的諧振器a(17)和諧振器b(18)，諧振器a(17)和諧振器b(18)的諧振中心頻率f₂等于f_x，且諧振器a(17)和諧振器b(18)在f₂處的增益為10-20dB，在其他頻率范圍內的增益均小于0dB；經過諧振電路(24)之后的信號V_i5(t)和V′_i5(t)進入數字轉換電路(25)得到V_i6(t)和V′_i6(t)，數字轉換電路(25)包括比較器18)和D觸發器(19)；比較器(18)對V_i6(t)和V′_i6(t)兩路全差分信號進行比較，產生高低電平的數字比較信號b′(t)，D觸發器(19)對b′(t)進行采樣和量化，最終輸出數字脈寬密度調制信號b(t)；b(t)一路用于控制模擬開關(20)將反饋電壓V_fb加載到陀螺(1)檢測模態的反饋電極上；另一路經過帶通濾波器(21)將[f_y-BW，f_y+BW]頻率范圍外的量化噪聲去除，其中BW為陀螺的帶寬；帶通濾波之后的信號進入解調器(22)，與經過移相器II(34)的驅動信號V_d(t)進行解調，再通過低通濾波器(23)處理得到角速度信號Ω(t)，低通濾波器(23)的截止頻率f_c5的取值范圍為：(0.9×BW，1.1×BW)。