本發(fā)明涉及mems陀螺儀，特別是涉及一種模態(tài)匹配mems陀螺溫度自補償控制系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

1、隨著微機電系統(tǒng)(mems)技術(shù)的進步，如今的mems陀螺儀由于具有體積小、能耗低、易集成和可靠性高等優(yōu)點，而廣泛應(yīng)用于消費電子、生物醫(yī)療、無人駕駛中。mems陀螺可以實時測量角速度，為目標平臺的追蹤和定位提供原數(shù)據(jù)。在高精度陀螺中，閉環(huán)力反饋控制由于帶寬大、魯棒性強等優(yōu)點而備受研究者關(guān)注。然而，mems陀螺的諧振頻率和品質(zhì)因子會隨環(huán)境溫度而變化，控制系統(tǒng)中缺乏實時補償可能會導(dǎo)致零偏和標度因子的顯著漂移，尤其是對于模態(tài)匹配的陀螺而言。

2、雖然線性校準和多項式擬合有利于抑制標度因子和零偏的溫度漂移，但這些后校準法無法從根本上解決問題。相位補償法，如模態(tài)偏移和相位補償鎖相環(huán)，可有效抑制溫漂，但無法提高閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為抑制溫度漂移并增強系統(tǒng)魯棒性，可采用基于焦耳效應(yīng)的原位動態(tài)調(diào)節(jié)來增強品質(zhì)因數(shù)的熱穩(wěn)定性，但這種操作會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和噪聲。此外，以往的力再平衡控制系統(tǒng)主要基于雙回路，即正交和同相控制回路，這些系統(tǒng)實現(xiàn)起來比較復(fù)雜。因此，設(shè)計一種簡單、易實現(xiàn)的單環(huán)路溫度自補償控制系統(tǒng)是提高mems陀螺熱穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

3、現(xiàn)有技術(shù)一，米蘭理工大學(xué)提出一種基于nems傳感的小型化陀螺儀。在輸入?yún)⒖妓俾史矫?，該方法減少了由速率轉(zhuǎn)換為電信號后產(chǎn)生的噪聲和溫漂影響。除了在噪聲(0.005°/hr)和零偏不穩(wěn)定性(0.015°/hr)方面達到導(dǎo)航級性能外，該陀螺儀僅有275μdps/k的本征漂移。經(jīng)過線性校準后，零偏保持在±5mdps(5℃～85℃)以內(nèi)，標度因子溫漂被限制在±1500ppm以內(nèi)。高精度陀螺往往采用模態(tài)匹配技術(shù)，實驗證明模態(tài)匹配電壓隨著溫度變化而非線性變化。所以線性校準可能導(dǎo)致在非線性區(qū)域產(chǎn)生誤差，影響精度。線性校準法通?；谝唤M預(yù)先測量的數(shù)據(jù)進行校準，若溫度波動超出校準范圍，則校準結(jié)果的準確性可能大幅降低。此外，線性校準一般是在特定的溫度點上進行靜態(tài)校準，缺乏對快速溫度變化的動態(tài)響應(yīng)能力。

4、現(xiàn)有技術(shù)二，為了抑制溫度漂移并增強系統(tǒng)的魯棒性，北京大學(xué)首次采用基于焦耳效應(yīng)的原位動態(tài)調(diào)諧來增強mems陀螺品質(zhì)因子的熱穩(wěn)定性。通過結(jié)合一個主動控制回路，監(jiān)測驅(qū)動電壓來調(diào)節(jié)與機械結(jié)構(gòu)相連的電阻元件的耗散能量，實時有效地調(diào)節(jié)器件阻尼，從而穩(wěn)定品質(zhì)因數(shù)。結(jié)果表明，在-40℃到+60℃的溫度范圍內(nèi)，品質(zhì)因子的相對變化量顯著降低了3000倍以上，達到了-150ppm，零偏溫漂改善了3倍以上。該技術(shù)需要引入額外的電阻元件和主動控制回路，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性?；诮苟?yīng)的調(diào)諧方法依賴于耗散電阻元件的能量，這將導(dǎo)致系統(tǒng)整體能耗增加，尤其是在長時間操作或大溫度變化范圍內(nèi)。隨著時間的推移，電阻元件可能因長期使用而出現(xiàn)老化現(xiàn)象，導(dǎo)致調(diào)諧效果減弱，系統(tǒng)長期穩(wěn)定性和可靠性將會受到影響。

5、因此，為解決上述技術(shù)缺點，本發(fā)明提出一種模態(tài)匹配mems陀螺溫度自補償控制系統(tǒng)與方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對上述技術(shù)缺點，提供一種模態(tài)匹配mems陀螺溫度自補償控制系統(tǒng)與方法，解決標度因子和零偏的溫度漂移問題，簡化溫度補償方案和控制環(huán)路，降低物理實現(xiàn)難度。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、一種模態(tài)匹配mems陀螺溫度自補償控制系統(tǒng)，包括：驅(qū)動模態(tài)控制子系統(tǒng)和檢測模態(tài)控制子系統(tǒng)，其中，所述驅(qū)動模態(tài)控制子系統(tǒng)用于對mems陀螺驅(qū)動模態(tài)的相位和幅度進行閉環(huán)控制，所述檢測模態(tài)控制子系統(tǒng)用于對mems陀螺檢測模態(tài)的帶通濾波器增益進行閉環(huán)控制，并使帶通濾波器的中心頻率與檢測模態(tài)的諧振頻率相匹配，實現(xiàn)溫度自補償；其中，所述驅(qū)動模態(tài)控制子系統(tǒng)和檢測模態(tài)控制子系統(tǒng)之間通過科氏效應(yīng)進行力耦合。

4、可選地，所述驅(qū)動模態(tài)控制子系統(tǒng)包括形成回路連接的第一dac、第一電壓/力轉(zhuǎn)換模塊、第一電容/電壓轉(zhuǎn)換模塊、第一adc、最小均方解調(diào)模塊、可擴展模糊控制器、第一cordic調(diào)制正弦信號發(fā)生器。

5、可選地，所述檢測模態(tài)控制子系統(tǒng)包括形成回路連接的第二dac、第二電壓/力轉(zhuǎn)換模塊、第二電容/電壓轉(zhuǎn)換模塊、高通濾波器、第二adc、帶通濾波器，以及第二cordic調(diào)制正弦信號發(fā)生器、多頭最小均方解調(diào)模塊、低通濾波器，所述帶通濾波器分別連接第二adc和多頭最小均方解調(diào)模塊，所述多頭最小均方解調(diào)模塊分別連接第二cordic調(diào)制正弦信號發(fā)生器和低通濾波器。

6、為進一步實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種模態(tài)匹配mems陀螺溫度自補償控制方法，包括：

7、通過驅(qū)動閉環(huán)獲得mems陀螺的實時驅(qū)動模態(tài)諧振頻率；

8、將所述實時驅(qū)動模態(tài)諧振頻率輸入預(yù)設(shè)的檢測模態(tài)品質(zhì)因子與驅(qū)動模態(tài)諧振頻率的非線性關(guān)系模型中，獲取實時檢測模態(tài)品質(zhì)因子；

9、基于所述實時檢測模態(tài)品質(zhì)因子對檢測模態(tài)控制子系統(tǒng)中的帶通濾波器增益進行補償，并使檢測模態(tài)諧振頻率與帶通濾波器中心頻率相匹配，完成所述mems陀螺的溫度自補償控制。

10、可選地，所述檢測模態(tài)品質(zhì)因子與驅(qū)動模態(tài)諧振頻率的非線性關(guān)系模型通過采用溫控轉(zhuǎn)臺分別測出雙模態(tài)的諧振頻率和品質(zhì)因子隨溫度變化曲線，再通過線性擬合以及最小二乘法多項式擬合構(gòu)建，其中，所述檢測模態(tài)品質(zhì)因子與驅(qū)動模態(tài)諧振頻率的非線性關(guān)系模型為：

11、

12、式中，qs為實時的檢測模態(tài)品質(zhì)因子，fd為驅(qū)動模態(tài)諧振頻率，ai為第i個多項式系數(shù)，fdi為驅(qū)動模態(tài)諧振頻率的i次方，i＝1,2,…,n。

13、可選地，基于所述實時檢測模態(tài)品質(zhì)因子對檢測模態(tài)控制子系統(tǒng)中的帶通濾波器增益進行補償過程中結(jié)合檢測模態(tài)控制子系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和靈敏度函數(shù)。

14、可選地，所述帶通濾波器的增益為：

15、kb＝qs0/qs

16、式中，kb為帶通濾波器的增益，qs0為室溫20℃的檢測模態(tài)品質(zhì)因子，qs為實時的檢測模態(tài)品質(zhì)因子；

17、所述檢測模態(tài)控制子系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)和靈敏度函數(shù)為：

18、

19、式中，t(s)為閉環(huán)傳遞函數(shù)，d(s)為開環(huán)傳遞函數(shù)，s(s)為靈敏度函數(shù)。

20、可選地，所述檢測模態(tài)控制子系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

21、

22、式中，d(s)為開環(huán)傳遞函數(shù)，f(s)和fb(s)分別為輸入力和反饋力，kcv為電容/電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)，kvf為電壓/力轉(zhuǎn)換系數(shù)，gs(s)為檢測模態(tài)傳遞函數(shù)，h(s)為高通濾波器傳遞函數(shù)，b(s)為帶通濾波器傳遞函數(shù)，s為復(fù)頻域變量。

23、可選地，所述檢測模態(tài)控制子系統(tǒng)中檢測模態(tài)傳遞函數(shù)為：

24、

25、所述檢測模態(tài)控制子系統(tǒng)中高通濾波器傳遞函數(shù)為：

26、

27、所述檢測模態(tài)控制子系統(tǒng)中帶通濾波器傳遞函數(shù)為：

28、

29、所述檢測模態(tài)控制子系統(tǒng)中低通濾波器傳遞函數(shù)為：

30、

31、式中，s為復(fù)頻域變量，ms、cs和ks分別為檢測模態(tài)的質(zhì)量、阻尼力系數(shù)和彈性系數(shù)，gs(s)為檢測模態(tài)傳遞函數(shù)，h(s)為高通濾波器傳遞函數(shù)，b(s)為帶通濾波器傳遞函數(shù)，l(s)為低通濾波器傳遞函數(shù)，ωs是檢測模態(tài)固有角頻率，qs是實時的檢測模態(tài)品質(zhì)因子，ωh為高通濾波器截止頻率，ξl和ωl為低通濾波器的阻尼比和截止頻率，kb、ωb和qb分別為帶通濾波器的增益、中心頻率和品質(zhì)因子。

32、本發(fā)明的有益效果為：

33、本發(fā)明通過閉環(huán)控制驅(qū)動模態(tài)諧振頻率對檢測模態(tài)控制子系統(tǒng)中的帶通濾波器增益進行實時補償，并使檢測模態(tài)諧振頻率與帶通濾波器中心頻率相匹配，實現(xiàn)溫度漂移的抑制和自補償，解決了標度因子和零偏的溫度漂移問題，簡化了溫度補償方案和控制環(huán)路，降低了物理實現(xiàn)難度。