[發明專利]自適應時滯反饋控制微機械陀螺儀系統

有效

• 申請號: 201510039788.1
• 申請日: 2015-01-26
• 公開（公告）號: CN104596496B
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 尚慧琳;張濤;武云鵬;衡博;李偉陽;宋書峰;文永蓬
• 申請（專利權）人: 上海應用技術學院
• 主分類號: G01C19/5776
• 分類號: G01C19/5776
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司31001
• 代理人: 吳寶根

技術領域

本發明涉及一種微機械陀螺儀，特別涉及一種自適應時滯反饋控制微機械陀螺儀系統。

背景技術

微機械陀螺儀是利用科氏效應來檢測轉動物體角速度的一種微慣性傳感器。采用微電子機械加工技術制備的微機械陀螺因其成本低、體積小、質量輕、功耗低、結構與工藝簡單以及適合量產等特點，廣泛應用于航空航天、軍事、汽車、消費電子產品等領域。諧振式微機械陀螺儀是一種具有對稱結構的典型微機械陀螺，在工程中有廣泛的應用。現階段由于微陀螺儀加工誤差和材料的固有特性以及復雜的工作環境造成微機械陀螺儀的精度和穩定性受到一定的限制。影響檢測精度和測量誤差的主要因素有以下幾個方面：剛度非線性、阻尼非線性、正交誤差、溫度場耦合、加速度對平衡點的影響、輸入角速度的復雜性等。

國內外對于微陀螺的研究絕大部分都是基于輸入角速度為定值并且無加速度的條件而開展的研究，對于線性系統，這種方法比較實用，但是在提高微陀螺精度的過程中，非線性因素將不可避免的需要研究，在非線性因素存在的條件下，這種假設條件不再適用，這種輸入角速度的變化以及加速度的存在都可能造成微系統諧振失穩，進而影響系統的檢測精度。

微機械陀螺通常的驅動方式是電磁驅動和靜電驅動兩種。電磁驅動采用洛侖茲力來實現；靜電驅動是利用兩組電極之間的靜電吸引力實現，驅動力較小，但驅動穩定，無需附加措施，較易實現。微機械陀螺通常的檢測方式是梳齒壓阻檢測、靜電梳齒電容檢測和平行板電容檢測三種。本發明案例采用平行板電容檢測，平行板電容檢測是基于諧振系統振動造成電容極板間距變化對電容大小的影響來檢測系統的振動，這種檢測方法精度較高，但是制造精度要求較高，工藝復雜，并且微結構的復雜拓撲結構造成系統的空氣阻尼變得復雜化，故此類設計需要對微結構真空封裝。由于制造誤差的存在，當系統輸入角速度為零時，系統敏感方向的振幅并不為零，此即為正交誤差，正交誤差嚴重影響系統的檢測精度，因此需要設計合理的微結構和檢測原理以及嚴格控制加工精度，間接連接結構可以有效降低單諧振質量的微陀螺系統的正交誤差。國內外學者都有提出在現有的加工精度條件下通過改進檢測原理的方法來降低系統的正交誤差。

諧振式微陀螺系統的制造誤差和微結構材料的特性造成微系統的剛度非線性，同時在復雜的溫度場工作條件下，微結構的剛度同樣受到溫度場的影響。國內外學者對單晶硅微結構的溫度場耦合有相當多的研究，并提出多種溫度補償的方法，其中包括控制溫度場的變化以及調整驅動頻率以適應系統的剛度的變化等方法。另一方面梳齒電容將造成系統阻尼的復雜化并表現為非線性，需要采取真空封裝的方法降低空氣阻尼的非線性影響。對于系統所存在的非線性因素（主要是剛度非線性和阻尼非線性）可能造成系統的穩定性降低并可能出現分岔及混沌等復雜的動力學行為，特別是在復雜的工作條件下對穩定性要求較高；在學術界和工程領域廣泛應用時滯速度反饋控制的方法和時滯位移反饋控制的方法來抑制系統復雜動力學行為并提高系統的穩定性，但是在諧振式微陀螺系統的非線性研究中，鮮有應用時滯反饋控制的方法來提高穩定性，因此本專利主要針對這一理論方法開展應用研究，將時滯反饋控制的理論方法推廣到諧振式微陀螺儀系統的控制工程應用中。

發明內容

本發明是針對諧振式微陀螺儀系統穩定性的問題，提出了一種自適應時滯反饋控制微機械陀螺儀系統，能自動適應不同工作條件并大幅度擴展檢測范圍，在不同的輸入角速度條件下，可以根據輸入角速度的大小自動調整系統驅動方向振幅以實現輸出振幅在可控的范圍，有利提高檢測精度，同時對于溫度場和輸入加速度檢測和反饋以及補償控制的作用。

本發明的技術方案為：一種自適應時滯反饋控制微機械陀螺儀系統，包括微機械陀螺儀和檢測驅動控制系統，在微機械陀螺儀中的單諧振質量塊互相垂直的驅動方向和檢測方向上，間接連接驅動電容和測試電容，驅動電容信號、測試電容信號與檢測驅動控制系統形成降低正交誤差的閉環控制。