本發(fā)明涉及一種mems陀螺儀閉環(huán)驅(qū)動(dòng)用自動(dòng)增益控制電路。

背景技術(shù)：

隨著微機(jī)械加工工藝的發(fā)展，mems硅微機(jī)械陀螺儀在工業(yè)自動(dòng)化、慣性導(dǎo)航和汽車電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。mems陀螺儀是基于科氏力原理工作的，根據(jù)科氏力公式可知驅(qū)動(dòng)振蕩速率直接影響陀螺的刻度因子和穩(wěn)定性。因此保持陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的穩(wěn)定是提高陀螺精度的關(guān)鍵所在。mems陀螺驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同可以分為：開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)和閉環(huán)驅(qū)動(dòng)。開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)容易受外界環(huán)境的影響，因此只能應(yīng)用在低精度領(lǐng)域。閉環(huán)驅(qū)動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性，能夠抑制外界干擾對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響，維持驅(qū)動(dòng)幅值的恒定。

圖1是基于現(xiàn)有自動(dòng)增益控制電路的mems陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)原理圖。該閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括：mems陀螺器件、前端檢測(cè)電路、adc、幅度檢測(cè)器、低通濾波器、自動(dòng)增益控制、數(shù)字鎖相環(huán)、乘法器以及dac。自動(dòng)增益控制是基于pid控制器原理設(shè)計(jì)的，主要包括一個(gè)比例增益放大器、一個(gè)積分器以及兩個(gè)加法器。

該系統(tǒng)在當(dāng)由dac輸入到adc輸出之間的增益較大時(shí)或者環(huán)路帶寬設(shè)置較小時(shí)，自動(dòng)增益控制器的增益很小，這時(shí)在陀螺起振時(shí)自動(dòng)增益控制器的輸出信號(hào)小于滿擺幅信號(hào)，導(dǎo)致陀螺起振時(shí)間很長(zhǎng)。

另外，由于積分器的延時(shí)特性以及系統(tǒng)限幅影響，該閉環(huán)系統(tǒng)有較大的超調(diào)量，延長(zhǎng)了陀螺驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種mems陀螺儀閉環(huán)驅(qū)動(dòng)用自動(dòng)增益控制電路，對(duì)自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行了改進(jìn)，旨在縮短mems陀螺在很小的環(huán)路帶寬下的起振時(shí)間，同時(shí)減小閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的超調(diào)量，減小系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種mems陀螺儀閉環(huán)驅(qū)動(dòng)用自動(dòng)增益控制電路，其特征是，包括幅值比較器、殘差選擇器和環(huán)路濾波器；

幅值比較器根據(jù)幅度檢測(cè)器輸出信號(hào)amp的大小自動(dòng)判斷陀螺是處于起振階段還是穩(wěn)定階段，并根據(jù)判斷結(jié)果輸出對(duì)環(huán)路濾波器的工作模式和殘差選擇器進(jìn)行控制的控制信號(hào)ctr；

殘差選擇器根據(jù)幅值比較器輸出的控制信號(hào)ctr、預(yù)先設(shè)置數(shù)字基準(zhǔn)值nref，輸出環(huán)路濾波器所需的輸入信號(hào)e；

環(huán)路濾波器根據(jù)輸入信號(hào)e和幅值比較器輸出的控制信號(hào)ctr，生成驅(qū)動(dòng)幅值信號(hào)。

所述幅值比較器將幅值檢測(cè)器的輸出信號(hào)amp與一參考數(shù)值nr進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果生成控制信號(hào)ctr。

所述幅值比較器包括第一加法器、第二加法器、過(guò)零比較器、一增益為n的增益級(jí)；

第一加法器的輸入為一預(yù)先設(shè)置的參考數(shù)值nr和將過(guò)零比較器的輸出增益n級(jí)后的輸出；第一加法器的輸出作為第二加法器的輸入；第二加法器的另一輸入為幅值檢測(cè)器的輸出信號(hào)amp；第二加法器的輸出經(jīng)過(guò)零比較器后生成控制信號(hào)ctr。

增益級(jí)的增益n<<nr。

殘差選擇器包括加法器和二選一開(kāi)關(guān)；幅值比較器輸出的控制信號(hào)ctr作為二選一開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，預(yù)先設(shè)置的基準(zhǔn)數(shù)值nref和幅值檢測(cè)器的輸出信號(hào)amp作為加法器的輸入，加法器的輸出、預(yù)先設(shè)置基準(zhǔn)數(shù)值nref分別作為二選一開(kāi)關(guān)的兩個(gè)選通輸入量，二選一開(kāi)關(guān)的輸出為環(huán)路濾波器所需的輸入信號(hào)e。

當(dāng)ctr＝0時(shí)，殘差選擇器輸出e＝nref，為基準(zhǔn)數(shù)值信號(hào)；當(dāng)ctr＝1時(shí)，殘差選擇器輸出e＝nref-amp，為幅值殘差信號(hào)。

環(huán)路濾波器包括二選一開(kāi)關(guān)、積分器、低通濾波器和加法器；幅值比較器輸出的控制信號(hào)ctr作為二選一開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，殘差選擇器的輸出和零信號(hào)分別作為二選一開(kāi)關(guān)的兩個(gè)選通輸入量，二選一開(kāi)關(guān)的輸出作為積分器的輸入，積分器的輸出、低通濾波器的輸出分別為加法器的輸入，加法器的輸出為環(huán)路濾波器生成的驅(qū)動(dòng)幅值信號(hào)。

二選一開(kāi)關(guān)控制積分器的輸入信號(hào)，當(dāng)ctr＝0時(shí)，積分器輸入等于0，積分器不工作，環(huán)路濾波器等價(jià)于低通濾波器；當(dāng)ctr＝1時(shí)，積分器輸入等于殘差選擇器的輸出信號(hào)e，積分器與低通濾波器并聯(lián)工作。

一種基于權(quán)利要求1所述的自動(dòng)增益控制電路的mems陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其特征是，前端檢測(cè)電路檢測(cè)放大mems陀螺器件的振動(dòng)信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)adc后變成數(shù)字信號(hào)；adc輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)兩條支路進(jìn)行處理，其中一路進(jìn)入數(shù)字鎖相環(huán)被鎖頻、鎖相，并生成兩路相互正交的信號(hào)，另一路和數(shù)字鎖相環(huán)的一路輸出共同進(jìn)入幅度檢測(cè)器，幅度檢測(cè)器利用數(shù)字鎖相環(huán)的輸出檢測(cè)adc輸出信號(hào)的幅值；幅度檢測(cè)器輸出的幅值信號(hào)經(jīng)過(guò)自動(dòng)增益控制裝置放大后生成驅(qū)動(dòng)幅值信號(hào)；該驅(qū)動(dòng)幅值信號(hào)與數(shù)字鎖相環(huán)的一路輸出相乘后經(jīng)過(guò)dac轉(zhuǎn)化成mems陀螺器件的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，提供mems陀螺振蕩所需要的能量。

本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：

本發(fā)明在自動(dòng)增益控制電路中設(shè)計(jì)了一個(gè)幅值比較器實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的自我檢測(cè)，自適應(yīng)地調(diào)整自動(dòng)增益控制器的工作模式。與采用傳統(tǒng)自動(dòng)增益控制電路的陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，采用本發(fā)明自動(dòng)增益控制電路的陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在很小的環(huán)路帶寬下起振時(shí)間更小，穩(wěn)定時(shí)間更短，同時(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)更少，系統(tǒng)更簡(jiǎn)潔。

附圖說(shuō)明

圖1為基于現(xiàn)有自動(dòng)增益控制電路的mems陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)原理圖；

圖2為本發(fā)明所述基于本發(fā)明自動(dòng)增益控制電路的mems陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)原理圖；

圖3為本發(fā)明所述幅值比較器原理圖；

圖4為本發(fā)明所述幅值比較器輸入輸出關(guān)系；

圖5為本發(fā)明所述殘差選擇器原理圖；

圖6為本發(fā)明所述環(huán)路濾波器原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

圖2所示是基于本發(fā)明自動(dòng)增益控制電路的mems陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)原理圖。本發(fā)明自動(dòng)增益控制電路與mems陀螺器件、前端檢測(cè)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(adc)、幅度檢測(cè)器、數(shù)字鎖相環(huán)、乘法器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器(dac)共同構(gòu)成mems陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。自動(dòng)增益控制電路由環(huán)路濾波器、殘差選擇器和幅值比較器三個(gè)部分組成。其中nref為預(yù)先設(shè)置數(shù)字基準(zhǔn)值，為常數(shù)。本發(fā)明自動(dòng)增益控制電路中幅值比較器能夠根據(jù)幅度檢測(cè)器輸出信號(hào)的大小自動(dòng)判斷陀螺是處于起振階段還是穩(wěn)定階段，從而改變環(huán)路濾波器的工作模式；殘差選擇器控制環(huán)路濾波器的輸入信號(hào)是小信號(hào)還是大信號(hào)；環(huán)路濾波器將傳統(tǒng)pi控制器與低通濾波器結(jié)合，提高噪聲抑制能力。通過(guò)本發(fā)明自動(dòng)增益控制電路達(dá)到縮短mems陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)起振時(shí)間和減小系統(tǒng)穩(wěn)定過(guò)程中超調(diào)量的目的。

圖2所述基于本發(fā)明自動(dòng)增益控制電路的mems陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作原理為：前端檢測(cè)電路檢測(cè)放大mems陀螺器件的振動(dòng)信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)；該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)adc后變成數(shù)字信號(hào)；adc輸出數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)兩條支路進(jìn)行處理，其中一路進(jìn)入數(shù)字鎖相環(huán)被鎖頻、鎖相，并生成兩路相互正交的信號(hào)，另一路和數(shù)字鎖相環(huán)的一路輸出共同進(jìn)入幅度檢測(cè)器，幅度檢測(cè)器利用數(shù)字鎖相環(huán)的輸出檢測(cè)adc輸出信號(hào)的幅值；幅度檢測(cè)器輸出的幅值信號(hào)經(jīng)過(guò)自動(dòng)增益控制裝置放大后生成驅(qū)動(dòng)幅值信號(hào)；該驅(qū)動(dòng)幅值信號(hào)與數(shù)字鎖相環(huán)的一路輸出相乘后經(jīng)過(guò)dac轉(zhuǎn)化成mems陀螺器件的驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，提供mems陀螺振蕩所需要的能量。通過(guò)這種閉環(huán)控制，mems陀螺儀驅(qū)動(dòng)振蕩幅值被維持在一個(gè)恒定值。

假設(shè)圖2中從dac輸入到adc輸出之間的傳遞函數(shù)為m(s)，自動(dòng)增益控制電路的傳遞函數(shù)為hpi(s)(從數(shù)字基準(zhǔn)值nref到自動(dòng)增益控制輸出)，那么陀螺驅(qū)動(dòng)幅度控制系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為(從數(shù)字基準(zhǔn)值nref到幅度檢測(cè)器輸出)：

mems陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)用的自動(dòng)增益控制電路是基于pi控制器設(shè)計(jì)的，傳統(tǒng)的pi控制器中包含一個(gè)比例放大器和一個(gè)積分器，由于積分器的相位延遲特性，pi控制器的輸出通常都會(huì)有一定的超調(diào)量。超調(diào)量的穩(wěn)定時(shí)間與閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)環(huán)路帶寬有關(guān)，帶寬越小，穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)。而在mems陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，考慮到閉環(huán)環(huán)路噪聲的抑制要求，環(huán)路帶寬通常都會(huì)設(shè)置的較低，導(dǎo)致pi控制器的超調(diào)穩(wěn)定過(guò)程很慢。因此要想縮短mems陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定時(shí)間，只有通過(guò)減小pi控制器的超調(diào)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明對(duì)傳統(tǒng)自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)增加兩個(gè)控制模塊，它們能夠自動(dòng)判斷陀螺工作狀態(tài)，從而改變pi控制器的工作模式，減小系統(tǒng)超調(diào)量。另外與傳統(tǒng)自動(dòng)增益控制電路中的pi控制器不同的是，本發(fā)明自動(dòng)增益控制電路將pi控制器與低通濾波器合并，減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)量，將其合稱為環(huán)路濾波器。

圖2中自動(dòng)增益控制電路中的幅值比較器是一個(gè)遲滯比較器，功能是將幅值檢測(cè)器的輸出與一參考數(shù)值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果生成控制信號(hào)，其原理圖如圖3所示。該模塊由兩個(gè)加法器、一個(gè)過(guò)零比較器、一個(gè)增益級(jí)以及一個(gè)預(yù)先設(shè)置參考數(shù)值nr組成。第一加法器的輸入為一預(yù)先設(shè)置的參考數(shù)值nr和將過(guò)零比較器的輸出增益n級(jí)后的輸出；第一加法器的輸出作為第二加法器的輸入；第二加法器的另一輸入為幅值檢測(cè)器的輸出信號(hào)amp；第二加法器的輸出經(jīng)過(guò)零比較器后生成控制信號(hào)ctr。

過(guò)零比較器的功能是當(dāng)其輸入e2大于等于零時(shí)，輸出正1；當(dāng)其輸入e2小于零時(shí)，輸出0。

增益級(jí)增益n滿足條件，n<<nr。因此幅值比較器的工作過(guò)程可分為兩種情況：

當(dāng)陀螺在驅(qū)動(dòng)力作用下由靜止開(kāi)始工作時(shí)，初始條件輸入信號(hào)amp由小變大，并且amp<nr-n時(shí)，陀螺處于起振階段，第二個(gè)加法器輸出e2<0，過(guò)零比較器輸出ctr＝0，第一個(gè)加法器輸出e1＝nr；隨著amp的增大，當(dāng)amp≥nr時(shí)，陀螺進(jìn)入穩(wěn)定階段，第二個(gè)加法器輸出e2＝amp-e1≥0，過(guò)零比較器輸出ctr＝1，第一個(gè)加法器輸出e1＝nr-n。

當(dāng)陀螺失去驅(qū)動(dòng)力由正常振動(dòng)開(kāi)始衰減時(shí)，初始條件輸入信號(hào)amp由大變小，并且amp>nr時(shí)，第二個(gè)加法器輸出e2>0，過(guò)零比較器輸出ctr＝1，第一個(gè)加法器輸出e1＝nr-n；隨著amp的減小，當(dāng)amp<nr-n時(shí)，第二個(gè)加法器輸出e2＝amp-e1<0，過(guò)零比較器輸出ctr＝0，第一個(gè)加法器輸出e1＝nr。

幅值比較器的輸入和輸出之間的關(guān)系可以用圖4表示，該比較器有兩個(gè)閾值nr和nr-n。當(dāng)輸入由小增大時(shí)，只有當(dāng)輸入增大到大于等于nr，輸出才翻轉(zhuǎn)；當(dāng)輸入由大減小時(shí)，只有當(dāng)輸入減小到小于nr-n，輸出才翻轉(zhuǎn)。設(shè)置兩個(gè)閾值可以防止輸入在經(jīng)過(guò)閾值時(shí)因?yàn)樵肼暥秳?dòng)而引起的輸出跳變。

殘差選擇器的原理圖如圖5所示，它由一個(gè)加法器和一個(gè)二選一開(kāi)關(guān)組成，幅值比較器輸出的控制信號(hào)ctr作為二選一開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，預(yù)先設(shè)置的基準(zhǔn)數(shù)值nref和幅值檢測(cè)器的輸出信號(hào)amp作為加法器的輸入，加法器的輸出、預(yù)先設(shè)置基準(zhǔn)數(shù)值nref分別作為二選一開(kāi)關(guān)的兩個(gè)選通輸入量，二選一開(kāi)關(guān)的輸出為環(huán)路濾波器所需的輸入信號(hào)e。nref為預(yù)先設(shè)置基準(zhǔn)數(shù)值，而且滿足nref>nr。開(kāi)關(guān)控制信號(hào)為幅值比較器的輸出ctr，當(dāng)ctr＝0時(shí)，殘差選擇器輸出e＝nref，為基準(zhǔn)數(shù)值信號(hào)；當(dāng)ctr＝1時(shí)，殘差選擇器輸出e＝nref-amp，為幅值殘差信號(hào)。

環(huán)路濾波器的原理圖如下圖6所示。它包括一個(gè)二選一開(kāi)關(guān)、一個(gè)積分器、一個(gè)低通濾波器、一個(gè)加法器以及一個(gè)限幅器。幅值比較器輸出的控制信號(hào)ctr作為二選一開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，殘差選擇器的輸出和零信號(hào)分別作為二選一開(kāi)關(guān)的兩個(gè)選通輸入量，二選一開(kāi)關(guān)的輸出作為積分器的輸入，積分器的輸出、低通濾波器的輸出分別為加法器的輸入，加法器的輸出為環(huán)路濾波器生成驅(qū)動(dòng)幅值信號(hào)。二選一開(kāi)關(guān)控制積分器的輸入信號(hào)，當(dāng)ctr＝0時(shí)，積分器輸入等于0，相當(dāng)于積分器不工作，環(huán)路濾波器等價(jià)于低通濾波器；當(dāng)ctr＝1時(shí)，積分器輸入等于殘差信號(hào)e，積分器與低通濾波器并聯(lián)工作。

積分器的傳遞函數(shù)可以表示為：

低通濾波器的傳遞函數(shù)可以表示為：

這樣整個(gè)環(huán)路濾波器的傳遞函數(shù)可以表示為：

其中t1、t2、t3稱為時(shí)間常數(shù)，s表示復(fù)平面。與傳統(tǒng)的pi控制器相比，該環(huán)路傳遞函數(shù)多了一個(gè)極點(diǎn)，相當(dāng)于增加了一個(gè)一階低通濾波器，提高了抑制噪聲的能力，因此本環(huán)路濾波器可以看成傳統(tǒng)pi控制器的變種。通過(guò)調(diào)整環(huán)路濾波器的時(shí)間常數(shù)t1、t2、t3可以使mems陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)工作在最優(yōu)狀態(tài)。

整個(gè)自動(dòng)增益控制電路的工作過(guò)程為：當(dāng)mems陀螺驅(qū)動(dòng)起振時(shí)，由于幅度檢測(cè)器的輸出很小，自動(dòng)增益控制電路中的幅值比較器判斷陀螺處于起振階段并輸出控制信號(hào)ctr＝0。環(huán)路濾波器中積分器不起作用，環(huán)路濾波器的輸入信號(hào)e＝nref，即環(huán)路濾波器的輸入保持為最大值。這樣可以保證陀螺起振過(guò)程中環(huán)路濾波器的輸出始終為滿擺幅信號(hào)，即以最大的驅(qū)動(dòng)電壓?jiǎn)?dòng)陀螺，加快陀螺起振速度。當(dāng)mems陀螺振動(dòng)幅值增大到nr時(shí)，自動(dòng)增益控制電路中的幅值比較器判斷陀螺開(kāi)始進(jìn)入振動(dòng)穩(wěn)定階段并輸出控制信號(hào)ctr＝1。此時(shí)環(huán)路濾波器的輸入信號(hào)為幅值殘差值e＝nref-amp，環(huán)路濾波器中的積分器開(kāi)始工作，積分器與低通濾波器共同構(gòu)成pi控制器并跟蹤殘差信號(hào)e，其輸出隨殘差信號(hào)e變化而變化，當(dāng)e小于0時(shí)，環(huán)路濾波器輸出減小，當(dāng)e大于0時(shí)，環(huán)路濾波器輸出增大，當(dāng)e等于0時(shí)，環(huán)路濾波器輸出保持不變。最終在自動(dòng)增益控制電路的閉環(huán)控制下幅值殘差信號(hào)被穩(wěn)定在0附近，即mems陀螺振動(dòng)幅值維持在nref附近。相比于采用傳統(tǒng)的自動(dòng)增益控制電路，采用本發(fā)明自動(dòng)增益控制電路的陀螺閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)起振速度更快，而且由于積分器在陀螺振動(dòng)幅值趨近于目標(biāo)幅值時(shí)才開(kāi)始工作，因此系統(tǒng)超調(diào)量更小，穩(wěn)定時(shí)間更短。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。