[發明專利]用于模態匹配狀態硅微機械陀螺儀帶寬拓展數字校正方法

在審

• 申請號: 201710366532.0
• 申請日: 2017-05-23
• 公開（公告）號: CN107238381A
• 公開（公告）日: 2017-10-10
• 發明（設計）人: 李宏生;楊成;朱昆朋
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01C19/5726
• 分類號: G01C19/5726
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 曾教偉

技術領域

本發明涉及硅微機械陀螺儀，具體是一種用于模態匹配狀態硅微機械陀螺儀帶寬拓展數字校正方法。

背景技術

硅微機械陀螺儀是指利用微機電系統(MEMS)技術，并根據哥氏效應原理工作的一類用于測量角速度的慣性傳感器。其具有體積小、重量輕、低功耗、低成本、易于批量化生產、集成度高、易于數字化等特點，已經在民用領域(如手機、平板電腦、數碼相機等消費類電子)和軍用領域(如制導彈藥、戰場機器人、軍用無人機等)有著廣泛的應用。如圖1和如圖2所示，硅微機械陀螺儀包括陀螺微結構和陀螺測控電路。所述陀螺結構由驅動框架、檢測框架、哥氏框架、驅動梳齒、驅動檢測梳齒、檢測梳齒、檢測反饋梳齒、U型支撐梁及基座等組成。在U型梁的作用下，驅動框架只能沿x軸方向運動，檢測框架只能沿y軸方向運動，哥氏框架可以同時沿x軸方向和y軸方向運動。陀螺正常工作時，在靜電驅動力作用下，驅動框架和哥氏框架一起沿x軸方向作等幅反向運動；當陀螺有繞z軸的角速度輸入時，檢測框架和哥氏框架在哥氏力的作用下，沿y軸作等幅反向運動。所述陀螺測控電路包括高性能C/V接口電路，AD/DA轉換模塊以及FPGA處理模塊。其中，FPGA數字平臺是該控制系統的核心模塊，驅動模態和檢測模態的控制及有效輸出均由此控制。閉環驅動回路為陀螺檢測回路提供穩定的振動位移，當有z軸方向角速度輸入時，根據哥氏效應，將在檢測方向產生振動，通過檢測陀螺檢測模態產生的振動位移就可以得到輸入角速度的大小。陀螺檢測模態的工作方式可以分為開環檢測和閉環檢測。開環檢測工作方式下，陀螺輸出的檢測位移幅度與輸入角速度成比例關系，經過解調輸出的電壓直接反映角速度信息。閉環檢測工作方式需在陀螺檢測模態添加力反饋檢測電極，通過檢測力反饋閉環控制回路，使檢測反饋力與哥氏力抵消，保證陀螺檢測梳齒始終保持在平衡位置，通過反饋力的大小來得到角速度信息。

如圖3所示，硅微機械陀螺儀開環檢測的工作原理，采用常用的乘法相敏解調提取哥氏信號。圖中，Ω_z(t)表示輸入角速度，m_y為陀螺檢測模態檢測質量，A_x為驅動梳齒振動位移，ω_d為驅動角頻率，F_c為哥氏力，G_y(s)為陀螺檢測模態傳遞函數，y(t)為陀螺檢測模態輸出位移，K_yc為檢測模態梳齒電容轉換增益，K_cv為電容電壓轉換增益，K_amp為檢測回路前置放大器增益，V_ref為解調基準電壓，為解調相角，F_lpf(s)為相敏解調環節中的低通濾波器傳遞函數，V_open(t)為硅微機械陀螺儀開環檢測輸出電壓。

陀螺檢測模態傳遞函數的表達式為：

式(A1)中：G_y(s)為陀螺檢測模態傳遞函數，m_y為陀螺檢測模態檢測質量，ω_y為檢測模態諧振頻率，Q_y為檢測模態品質因數。

根據開環檢測工作原理，可以得到角速度檢測開環傳遞函數為：

式(A2)中：H_open(s)為陀螺檢測開環傳遞函數，V_open為硅微機械陀螺儀開環檢測輸出電壓，Ω_z表示輸入角速度，K_yc為檢測模態梳齒電容轉換增益，K_cv為電容電壓轉換增益，K_amp為檢測回路前置放大器增益，V_ref為解調基準電壓，A_x為驅動梳齒振動位移，ω_d為驅動角頻率，F_lpf(s)為相敏解調環節中的低通濾波器傳遞函數，為解調相角，ω_y為硅微機械陀螺儀檢測模態的諧振角頻率，Q_y為檢測模態品質因數。

對于模態匹配工作方式的硅微機械陀螺儀，即ω_y＝ω_x＝ω_d，此時理想解調相位可以計算出模態匹配狀態下陀螺開環檢測傳遞函數：