本發(fā)明涉及一種微機電陀螺力平衡檢測回路，尤其涉及一種基于比例積分諧振控制器的非退化狀態(tài)微機電陀螺力平衡檢測回路及其帶寬拓展方法。

背景技術：

1、陀螺根據(jù)應用領域對其動態(tài)性能和靜態(tài)性能指標的要求，被劃分為速率級、戰(zhàn)術級和慣性級三類，其中速率級要求陀螺檢測帶寬達到70hz，戰(zhàn)術級和慣性級要求陀螺檢測帶寬高于100hz。此外，微機電陀螺還需要保證較高的機械靈敏度，以滿足靜態(tài)性能指標的要求?；诟缡闲獪y量角運動量的微機電陀螺具有三種檢測模式：速率模式、速率積分模式和頻率調制模式。其中，速率模式具有最高的靜態(tài)性能以及最低的控制復雜度，是目前微機電陀螺首選的檢測模式。工作于速率模式的微機電陀螺具有驅動和檢測兩個工作模態(tài)，其中驅動模態(tài)實時跟蹤驅動模態(tài)諧振頻率并維持驅動方向上恒定的振幅，當陀螺敏感軸產生旋轉時，哥氏力將作用于檢測模態(tài)。速率模式又可劃分為開環(huán)檢測模式和力平衡檢測模式。開環(huán)檢測模式通過檢測模態(tài)的振動來表征速率，其模態(tài)頻差與檢測帶寬和機械靈敏度分別呈正相關與負相關性，無法在保證較高機械靈敏度的同時兼具較大的檢測帶寬。力平衡檢測模式是利用控制器結合特定的力平衡梳齒抑制由載體旋轉所引起的檢測模態(tài)的振動，從而通過控制器的輸出表征速率信息。力平衡檢測模式始終維持檢測質量塊處于平衡位置，具有抗干擾、大量程等優(yōu)點。但是現(xiàn)有的常規(guī)力平衡檢測模式也難以使較高機械靈敏度和較大的檢測帶寬兼得，如何在保證較高機械靈敏度的同時拓展微機電陀螺檢測帶寬，是進一步拓展微機電陀螺應用領域的關鍵技術。

技術實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：針對以上問題，本發(fā)明提出一種基于比例積分諧振控制器的非退化狀態(tài)微機電陀螺力平衡檢測回路及其帶寬拓展方法，能夠保證微機電陀螺在具有較高的機械靈敏度的同時擁有較高的檢測帶寬。

2、技術方案：本發(fā)明所采用的技術方案是一種基于比例積分諧振控制器的非退化狀態(tài)微機電陀螺力平衡檢測回路，包括：

3、輸入角速度信號ωz(t)所產生的哥氏信號與力平衡信號做差后輸入至陀螺檢測模態(tài)，陀螺檢測模態(tài)的輸出信號經過第一增益模塊得到電信號d1，電信號d1與和哥氏信號同相的正弦信號sin(ωxt)相乘后經低通濾波器濾波后輸入至比例積分諧振控制器，比例積分諧振控制器的輸出信號乘以正弦信號sin(ωxt)后，經過第二增益模塊轉換為力平衡信號反饋至陀螺檢測模態(tài)輸入端，實現(xiàn)陀螺力平衡檢測；所述正弦信號中的ωx為微機電陀螺的驅動模態(tài)諧振頻率；所述比例積分諧振控制器的諧振項諧振頻率為驅動模態(tài)諧振頻率與檢測模態(tài)諧振頻率之差。

4、比例積分諧振控制器的傳遞函數(shù)為：

5、

6、其中fpir(s)為比例積分諧振控制器的傳遞函數(shù)，kp為比例項系數(shù)，ki為積分項系數(shù)，kr為諧振項增益系數(shù)，ωc為諧振項諧振頻寬，δω為驅動模態(tài)諧振頻率與檢測模態(tài)諧振頻率之差，s為復變量。

7、比例積分諧振控制器的輸入信號為：

8、

9、式中，fi(s)為比例積分諧振控制器的輸入信號，k1、k2分別為第一增益模塊的第一增益系數(shù)和第二增益模塊的第二增益系數(shù)，gy為微機電陀螺檢測模態(tài)傳遞函數(shù)，j為虛數(shù)單位。

10、所述比例積分諧振控制器的輸出信號vclose(t)反映輸入角速度信號ωz(t)的大小。

11、本發(fā)明所述的基于比例積分諧振控制器的非退化狀態(tài)微機電陀螺力平衡檢測回路的帶寬拓展方法，包括以下步驟：

12、(1)根據(jù)非退化狀態(tài)下微機電陀螺力平衡檢測回路的等效單位負反饋回路，計算得到等效單位負反饋回路的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

13、h(s)＝ge(s)fpir(s)

14、式中，ge(s)表示力平衡檢測回路的前向通路中線性化后的傳遞函數(shù)，其包含sin(ωxt)調制環(huán)節(jié)、陀螺檢測模態(tài)傳遞函數(shù)和sin(ωxt)調制調節(jié)環(huán)節(jié)，fpir(s)為比例積分諧振控制器的傳遞函數(shù)；

15、其中ge(s)的傳遞函數(shù)如下：

16、

17、式中，k1、k2分別為第一增益模塊的第一增益系數(shù)和第二增益模塊的第二增益系數(shù)，mc為參與輸入角速度信號ωz(t)所引起振動的等效質量，s為復變量，ωx為微機電陀螺的驅動模態(tài)諧振頻率，ωy為檢測模態(tài)諧振頻率，qy為檢測模態(tài)品質因數(shù)，；

18、比例積分諧振控制器的傳遞函數(shù)為：

19、

20、式中kp為比例項系數(shù)，ki為積分項系數(shù)，kr為諧振項增益系數(shù)，ωc為諧振項諧振頻寬，δω為驅動模態(tài)諧振頻率與檢測模態(tài)諧振頻率之差；

21、(2)計算等效單位負反饋回路的開環(huán)傳遞函數(shù)的幅相特征，用于反映非退化狀態(tài)微機電陀螺力平衡檢測回路的帶寬特征；

22、(3)根據(jù)等效單位負反饋回路的開環(huán)傳遞函數(shù)的幅相特征，調節(jié)特征參數(shù)諧振項增益系數(shù)kr和諧振頻寬ωc，抑制模態(tài)頻差引起速率檢測幅頻曲線的諧振峰。

23、所述步驟(3)包括以下過程：首先通過掃頻獲取微機電陀螺的驅動模態(tài)諧振頻率ωx、檢測模態(tài)諧振頻率ωy和檢測模態(tài)品質因數(shù)qy；然后將驅動模態(tài)諧振頻率ωx、檢測模態(tài)諧振頻率ωy和檢測模態(tài)品質因數(shù)qy帶入到等效單位負反饋回路的開環(huán)傳遞函數(shù)的幅相特征；最后通過調節(jié)特征參數(shù)諧振項增益系數(shù)kr和諧振頻寬ωc，使非退化狀態(tài)微機電陀螺力平衡檢測回路的開環(huán)函數(shù)的幅值裕度、相位裕度和開環(huán)截止頻率符合設計要求。

24、調整比例項系數(shù)kp，提高系統(tǒng)增益，提高系統(tǒng)響應速度。

25、調整積分項系數(shù)ki，消除穩(wěn)態(tài)誤差。

26、調整諧振項增益系數(shù)kr和諧振頻寬ωc，抑制模態(tài)頻差引起速率檢測幅頻曲線的諧振峰。

27、所述非退化狀態(tài)微機電陀螺力平衡檢測回路的開環(huán)函數(shù)的幅值裕度在5db到10db之間，相位裕度在45°到60°之間，根據(jù)上述幅值裕度和相位裕度的要求，調整比例積分諧振控制器的系數(shù)，實現(xiàn)帶寬拓展。

28、有益效果：相比于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下優(yōu)點本發(fā)明采用比例積分諧振控制器，能夠降低力平衡檢測回路的誤差，提高力平衡檢測精度，且相較于常規(guī)的比例積分控制器，本方案設計比例積分諧振控制器特有的諧振項諧振頻率為驅動模態(tài)諧振頻率與檢測模態(tài)諧振頻率之差，有效抑制由模態(tài)頻差引起速率檢測幅頻曲線的諧振峰，在拓展速率檢測帶寬的同時保持較好的帶內平坦度。本發(fā)明還推導了表征力平衡檢測回路幅頻特性的單位負反饋回路，并采用了該單位負反饋回路的開環(huán)傳遞函數(shù)的幅相特征來反映檢測回路的帶寬特征，提出了新的帶寬拓展思路，簡化了帶寬拓展的設計難度。

技術特征：

1.一種基于比例積分諧振控制器的非退化狀態(tài)微機電陀螺力平衡檢測回路，其特征在于：輸入角速度信號ωz(t)所產生的哥氏信號與力平衡信號做差后輸入至陀螺檢測模態(tài)，陀螺檢測模態(tài)的輸出信號經過第一增益模塊得到電信號d1，電信號d1與和哥氏信號同相的正弦信號sin(ωxt)相乘后經低通濾波器濾波后輸入至比例積分諧振控制器，比例積分諧振控制器的輸出信號乘以正弦信號sin(ωxt)后，經過第二增益模塊轉換為力平衡信號反饋至陀螺檢測模態(tài)輸入端，實現(xiàn)陀螺力平衡檢測；所述正弦信號中的ωx為微機電陀螺的驅動模態(tài)諧振頻率；所述比例積分諧振控制器的諧振項諧振頻率為驅動模態(tài)諧振頻率與檢測模態(tài)諧振頻率之差。

2.根據(jù)權利要求1所述的基于比例積分諧振控制器的非退化狀態(tài)微機電陀螺力平衡檢測回路，其特征在于：比例積分諧振控制器的傳遞函數(shù)為：

3.根據(jù)權利要求1所述的基于比例積分諧振控制器的非退化狀態(tài)微機電陀螺力平衡檢測回路，其特征在于：比例積分諧振控制器的輸入信號為：

4.根據(jù)權利要求1所述的基于比例積分諧振控制器的非退化狀態(tài)微機電陀螺力平衡檢測回路，其特征在于：所述比例積分諧振控制器的輸出信號vclose(t)反映輸入角速度信號ωz(t)的大小。

5.一種應用于權利要求1所述的基于比例積分諧振控制器的非退化狀態(tài)微機電陀螺力平衡檢測回路的帶寬拓展方法，其特征在于，包括以下步驟：

6.根據(jù)權利要求5所述的帶寬拓展方法，其特征在于：所述步驟(3)包括以下過程：首先通過掃頻獲取微機電陀螺的驅動模態(tài)諧振頻率ωx、檢測模態(tài)諧振頻率ωy和檢測模態(tài)品質因數(shù)qy；然后將驅動模態(tài)諧振頻率ωx、檢測模態(tài)諧振頻率ωy和檢測模態(tài)品質因數(shù)qy帶入到等效單位負反饋回路的開環(huán)傳遞函數(shù)的幅相特征；最后通過調節(jié)特征參數(shù)諧振項增益系數(shù)kr和諧振頻寬ωc，使非退化狀態(tài)微機電陀螺力平衡檢測回路的開環(huán)函數(shù)的幅值裕度、相位裕度和開環(huán)截止頻率符合設計要求。

7.根據(jù)權利要求5所述的帶寬拓展方法，其特征在于：調整比例項系數(shù)kp，提高系統(tǒng)增益，提高系統(tǒng)響應速度。

8.根據(jù)權利要求5所述的帶寬拓展方法，其特征在于：調整積分項系數(shù)ki，消除穩(wěn)態(tài)誤差。

9.根據(jù)權利要求5所述的帶寬拓展方法，其特征在于：調整諧振項增益系數(shù)kr和諧振頻寬ωc，抑制模態(tài)頻差引起速率檢測幅頻曲線的諧振峰。

10.根據(jù)權利要求5所述的帶寬拓展方法，其特征在于：所述非退化狀態(tài)微機電陀螺力平衡檢測回路的開環(huán)函數(shù)的幅值裕度在5db到10db之間，相位裕度在45°到60°之間，根據(jù)上述幅值裕度和相位裕度的要求，調整比例積分諧振控制器的系數(shù)，實現(xiàn)帶寬拓展。

技術總結
本發(fā)明公開了一種基于比例積分諧振控制器的非退化狀態(tài)微機電陀螺力平衡檢測回路及其帶寬拓展方法。輸入角速度所產生的哥氏信號輸入至陀螺檢測模態(tài)，使得檢測模態(tài)產生振動并通過增益K<subgt;1</subgt;轉換為電信號D<subgt;1</subgt;，電信號D<subgt;1</subgt;經過調制后依次輸入至低通濾波器，低通濾波器的輸出信號輸入至比例積分諧振控制器以產生表征輸入角速度的信號，該信號依次經過調制和增益K<subgt;2</subgt;轉換為力平衡信號作用于陀螺檢測模態(tài)反饋端，用于抵消哥氏信號所產生的振動，實現(xiàn)陀螺力平衡檢測。其中，比例積分諧振控制器根據(jù)陀螺驅動模態(tài)和檢測模態(tài)的諧振頻率及其頻差、檢測模態(tài)品質因數(shù)設計得出，具備帶寬拓展效力。本發(fā)明在保障微機電陀螺機械靈敏度的前提下拓展了檢測帶寬。

技術研發(fā)人員：賈佳,宋子琦,萬振剛,陳慶芳,黃巧亮,袁文華
受保護的技術使用者：江蘇科技大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/6