一種硅微機械線振動式陀螺及其帶寬拓展方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及娃微機械巧螺領(lǐng)域，具體設(shè)及一種娃微機械線振動式巧螺及其帶寬拓 展方法。
【背景技術(shù)】
[000引 娃微機械巧螺是一種用MEMS (Micro-Electro-Mechanical System,微機電系統(tǒng)） 技術(shù)加工而成的慣性測量傳感器，其采用哥氏效應(yīng)原理測量載體角速率信息，具有體積小、 功耗低、重量輕、成本低、抗過載特性強、易于集成化和批量生產(chǎn)等優(yōu)點。目前在很多領(lǐng)域都 有應(yīng)用，比如：慣性導(dǎo)航、汽車安全、工業(yè)控制、消費電子等。其最初誕生在上世紀80年代 末，隨著加工工藝和測控技術(shù)的不斷發(fā)展，娃微機械巧螺的精度也逐漸提高，目前國際上娃 微機械巧螺較高精度已經(jīng)可達r /h(零偏穩(wěn)定性）W內(nèi)，已經(jīng)可滿足戰(zhàn)術(shù)級巧螺儀的精度 需求。
[0003] 娃微機械線振動式巧螺作為娃微機械巧螺的一種，近年來得到各科研機構(gòu)和公司 的推崇，相比與其他工作方式的娃微機械巧螺（角振動式，轉(zhuǎn)子式等），線振動式巧螺結(jié)構(gòu) 具有加工結(jié)構(gòu)簡單，檢測信號線性度好等優(yōu)點。目前，國際主流的精度較高的娃微機械巧螺 大部分都采用了線振動結(jié)構(gòu)。
[0004] 圖1為典型的娃微機械巧螺儀組成結(jié)構(gòu)示意圖，在理想的巧螺結(jié)構(gòu)中，存在巧螺 系統(tǒng)的動力方程為：
[0005]
【主權(quán)項】
1. 一種硅微機械線振動式陀螺，其特征在于，包括陀螺結(jié)構(gòu)（I)、陀螺測控電路（2)和 陀螺封裝（3)其中， 所述的陀螺結(jié)構(gòu)（1)包括驅(qū)動軸向結(jié)構(gòu)（11)和檢測軸向結(jié)構(gòu)（12)，所述檢測軸向結(jié)構(gòu) (11)由驅(qū)動軸向結(jié)構(gòu)的驅(qū)動信號XS驅(qū)動并輸出驅(qū)動軸向結(jié)構(gòu)（11)的檢測信號XV到陀螺 測控電路（2)，所述檢測軸向結(jié)構(gòu)（12)包括檢測力反饋結(jié)構(gòu)（121)、哥氏質(zhì)量（122)和檢測 位移提取結(jié)構(gòu)（123); 所述陀螺測控電路（2)包括驅(qū)動閉環(huán)回路（21)和檢測閉環(huán)回路（22)，其中，所述驅(qū)動 閉環(huán)回路（21)保證所述驅(qū)動軸向結(jié)構(gòu)（11)沿驅(qū)動方向恒幅度振動且振動頻率為驅(qū)動模態(tài) 固有諧振頻率；所述的檢測閉環(huán)回路（22)包括級放大接口（221)、次級放大器（222)、解調(diào) 器（223)、第一低通濾波器（224)、第二低通濾波（228)、力反饋控制器（225)、調(diào)制器（226) 和直流信號疊加裝置（227)，所述的前級放大接口（221)用于將檢測電容變化量YV轉(zhuǎn)化為 電壓信號并進行初步放大；所述次級放大器（222)將前級放大接口（221)輸出信號進一步 放大；所述解調(diào)器（223)以驅(qū)動激勵信號XS為基準解調(diào)得到哥氏信號和二倍頻信號；所述 第一濾波器（224)用于濾除解調(diào)器輸出的二倍頻信號以得到純凈的哥氏信號幅值，所述第 二低通濾波器（228)用于輸出級的低通濾波； 所述的調(diào)制器（226)將力反饋控制器（225)的輸出信號與驅(qū)動激勵信號XS相乘以得 到同哥氏信號相位相同的信號；所述的直流信號疊加裝置（227)采用一固定直流電壓，與 反饋信號疊加繼而可與檢測力反饋結(jié)構(gòu)（121)結(jié)合產(chǎn)生反饋靜電力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微機械線振動式陀螺，其特征在于，所述的檢測力反饋結(jié) 構(gòu)（121)由電容極板或梳齒構(gòu)成，用于將外加電壓信號轉(zhuǎn)換為靜電力信號；所述檢測位移 提取結(jié)構(gòu)（123)由電容極板或梳齒構(gòu)成，用于將檢測位移轉(zhuǎn)換為電容變化量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微機械線振動式陀螺，其特征在于，所述的力反饋控制器 (225)由依次相連的相位超前校正環(huán)節(jié)（225a)、比例環(huán)節(jié)（225b)和積分環(huán)節(jié)（225c)組成， 用于拓展帶寬。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅微機械線振動式陀螺，其特征在于，所述的相位超前校正 環(huán)節(jié)（225a)用于補償整個檢測系統(tǒng)開環(huán)的相位，提高整個系統(tǒng)的相位裕度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅微機械線振動式陀螺，其特征在于，所述的比例環(huán)節(jié) (225b)和積分環(huán)節(jié)（225c)用于保證整個檢測閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)具有良好的幅值裕 度。
6. -種硅微機械線振動式陀螺的帶寬拓展方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 實時獲取檢測通道中哥氏信號幅值； (2) 將所述哥氏信號幅值作為控制量，依次通過帶有相位超前校正環(huán)節(jié)（225a)、比例 環(huán)節(jié)（225b)和積分環(huán)節(jié)（225c)的力反饋控制器（225)后，一部分輸出作為陀螺輸出信號， 另一部分輸入經(jīng)過調(diào)制后作為力反饋信號（YS)施加至檢測力反饋機構(gòu)（121)，當輸入角速 率幅值和頻率發(fā)生變化時，力反饋控制器可根據(jù)此變化實時調(diào)整控制信號，該信號可平衡 檢測框架所受的哥氏力； (3) 通過所述力反饋控制器中的相位超前校正環(huán)節(jié)（225a)提高系統(tǒng)開環(huán)的相位裕度， 使相位和幅值變化劇烈的△ f點滿足閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定需求，同時，調(diào)節(jié)所述力反饋控制器 中的比例環(huán)節(jié)（225b)和積分環(huán)節(jié)（225c)以得到必要的系統(tǒng)開環(huán)幅值裕度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的拓展方法，其特征在于，步驟（1)通過如下步驟實現(xiàn)：實時獲 取驅(qū)動激勵信號XS和檢測輸出信號YV ;以驅(qū)動激勵信號XS為基準解調(diào)檢測輸出信號YV ; 輸出信號YV經(jīng)第一低通濾波器224濾除解調(diào)后的高頻信號，得到哥氏信號幅值。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的拓展方法，其特征在于，步驟（2)通過如下步驟實現(xiàn)： 將所述步驟（1)得到的哥氏信號幅值送入力反饋控制器（225)，力反饋控制器（225)的 輸出信號一部分送入第二低通濾波器（228)處理后作為陀螺輸出信號，另一部分通過調(diào)制 器（226)經(jīng)驅(qū)動激勵信號XS調(diào)制后在直流信號疊加裝置（227)中與直流信號疊加，作為反 饋力信號YS施加至檢測力反饋機構(gòu)（121); 將調(diào)制器（226)的輸入端連接驅(qū)動激勵信號（XS)和力反饋控制器輸出信號； 直流信號疊加裝置（227)的輸入端分別為直流恒定電壓和調(diào)制器（226)的輸出信號， 該輸出信號為帶有直流偏置的交流信號，直流偏置量與直流恒定電壓相關(guān)； 通過調(diào)節(jié)上述直流偏置量對檢測閉環(huán)的反饋系數(shù)進行調(diào)整； 若輸入角速率增大或減小，則檢測輸出信號YV中哥氏信號幅度會增大或減小，則會導(dǎo) 致輸出信號增大或減小，同時，反饋力也會相應(yīng)的增大或減小，平衡檢測框架的哥氏力。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的拓展方法，其特征在于，步驟（3)通過如下步驟實現(xiàn)： 在所述力反饋控制器中的相位超前校正環(huán)節(jié)（225a)中，可調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)使該環(huán)節(jié)的 相位超前量達到預(yù)期目的； 將所述力反饋控制器中的相位超前校正環(huán)節(jié)（225a)串聯(lián)在檢測系統(tǒng)中，使整個系統(tǒng) 的開環(huán)相位被整體超前，致使Δ?·點的相位保持足夠的相位裕度； 將所述力反饋控制器中的比例環(huán)節(jié)（225b)和積分環(huán)節(jié)（225c)串聯(lián)在檢測系統(tǒng)中，并 調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)使系統(tǒng)達到一定的幅值裕度。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種硅微機械線振動式陀螺及其帶寬拓展方法，該陀螺儀包括陀螺結(jié)構(gòu)、陀螺測控電路和陀螺封裝，陀螺結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動軸向結(jié)構(gòu)和檢測軸向結(jié)構(gòu)，陀螺測控電路包括驅(qū)動閉環(huán)回路和檢測閉環(huán)回路。該方法首先在檢測通道內(nèi)提取信號后通過以哥氏同相信號為參考解調(diào)得到哥氏信號，其與輸入角速率成比例關(guān)系，該信號經(jīng)反饋控制器作用后成為陀螺儀輸出信號和反饋控制信號，后以哥氏同相信號調(diào)制反饋控制信號經(jīng)直流電壓疊加后施加至檢測反饋梳齒上形成靜電平衡檢測框架的哥氏力，以達到拓展陀螺帶寬目的。本發(fā)明在不降低陀螺機械靈敏度的情況下可獲得更大的陀螺帶寬，使陀螺帶寬不再受機械頻差制約。
【IPC分類】G01C19-5726, G01C19-5733
【公開號】CN104567849
【申請?zhí)枴緾N201410829073
【發(fā)明人】李宏生, 曹慧亮, 倪云舫, 徐露, 王瑞, 黃麗斌
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月26日