基于偶极子补偿法的微机械陀螺仪带宽拓展方法技术

本发明专利技术涉及微机械陀螺仪，具体是一种基于偶极子补偿法的微机械陀螺仪带宽拓展方法。本发明专利技术解决了微机械陀螺仪无法兼顾机械灵敏度和带宽的问题。基于偶极子补偿法的微机械陀螺仪带宽拓展方法，该方法是采用如下步骤实现的：1)以扫频的方式确定微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的谐振角频率；2)根据微机械陀螺仪驱动模态和检测模态扫频测试的结果，计算得出微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的品质因数；3)在微机械陀螺仪的检测回路中增设偶极子补偿控制器；所述偶极子补偿控制器包括零极点发生环节、比例环节。本发明专利技术适用于微机械陀螺仪。

【技术实现步骤摘要】
基于偶极子补偿法的微机械陀螺仪带宽拓展方法
本专利技术涉及微机械陀螺仪，具体是一种基于偶极子补偿法的微机械陀螺仪带宽拓展方法。
技术介绍
微机械陀螺仪是一种采用哥氏效应原理敏感载体输入角速率信息的传感器，其具有体积小、功耗低、重量轻、成本低、抗过载特性强、易于集成化和批量生产等优点，并广泛应用于诸多领域(比如惯性导航、汽车安全、工业控制、消费电子等)。如图1-图2所示，微机械陀螺仪包括陀螺结构、陀螺测控电路。所述陀螺结构包括驱动轴向结构、检测轴向结构。所述检测轴向结构包括哥氏质量、检测位移提取结构(若检测回路为闭环回路，则检测轴向结构还包括检测力反馈结构)。所述陀螺测控电路包括驱动闭环回路、检测回路。所述检测回路包括前级放大接口、次级放大器、解调器、第一低通滤波器、第二低通滤波器(若检测回路为闭环回路，则检测回路还包括调制器和直流信号叠加装置)。微机械陀螺仪的工作模态包含驱动模态和检测模态。工作时，沿微机械陀螺仪输入轴施加输入角速率信号，则微机械陀螺仪的检测回路产生输出信号。微机械陀螺仪的动力方程为：Fdx＝Fdsin(ωdt)ωd＝ωx式(A1)中：x为驱动轴向结构的位移；ωx为微机械陀螺仪驱动模态的谐振角频率；Qx为微机械陀螺仪驱动模态的品质因数；Fdx为驱动轴向结构所受的驱动力；mx为驱动轴向结构的等效质量；kx为驱动模态等效刚度；cx为驱动模态等效阻尼；Fd为驱动模态驱动力幅度；ωd为驱动模态驱动力的角频率(通常有ωd＝ωx)；y为检测轴向结构的位移；ωy为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Qy为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；Ωz为微机械陀螺仪的输入角速率；ky为检测模态等效刚度；my为检测轴向结构的等效质量；cy为检测模态等效阻尼。由于微机械陀螺仪通常采用真空封装，致使微机械陀螺仪检测模态的品质因数很大(在2000以上)，因此对式(A1)进一步求解可得：式(A3)-(A4)中：x为驱动轴向结构的位移；Fd为驱动模态驱动力幅度；mx为驱动轴向结构的等效质量；ωx为微机械陀螺仪驱动模态的谐振角频率；ωd为驱动模态驱动力的角频率；Qx为微机械陀螺仪驱动模态的品质因数；y为检测轴向结构的位移；Fc为哥氏力；ωy为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Qy为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；Ωz为微机械陀螺仪的输入角速率。根据式(A2)-(A4)，可以得到微机械陀螺仪的机械灵敏度为：式(A5)中：Smachenical为微机械陀螺仪的机械灵敏度；Fd为驱动模态驱动力幅度；Qx为微机械陀螺仪驱动模态的品质因数；mx为驱动轴向结构的等效质量；ωd为驱动模态驱动力的角频率；ωy为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Ax为驱动轴向结构的运动幅度；Δf为微机械陀螺仪的模态频差(微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的谐振角频率之差)。根据式(A5)可知，微机械陀螺仪的机械灵敏度与微机械陀螺仪的模态频差成反比。微机械陀螺仪的标度因数为：式(A6)中：VOopen为微机械陀螺仪的输出信号；Ωz为微机械陀螺仪的输入角速率；Ax为驱动轴向结构的运动幅度；ωd为驱动模态驱动力的角频率；Vdac为驱动模态激励信号的幅度；Kyc为检测位移提取结构的转换系数；Kpre为前级放大接口的增益倍数；Ksec为次级放大器的增益倍数；FLPF1为第一低通滤波器的增益；FLPF2为第二低通滤波器的增益；ωy为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Qy为微机械陀螺仪检测模态的品质因数。由于微机械陀螺仪检测模态在真空封装状态下的品质因数很大(在2000以上)，因此根据式(A6)可知，微机械陀螺仪存在四个共轭极点：式(A7)中：p1、p2、p3、p4为微机械陀螺仪存在的四个共轭极点；ωy为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Qy为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；ωd为驱动模态驱动力的角频率。由于微机械陀螺仪检测模态在真空封装状态下的品质因数很大(在2000以上)，通过对式(A7)进行化简可以发现，微机械陀螺仪在其模态频差处和模态频和(微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的谐振角频率之和)处各存在两个共轭极点：式(A8)中：p1、p2为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点；ωy为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Qy为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；ωd为驱动模态驱动力的角频率；p3、p4为微机械陀螺仪在其模态频和处存在的两个共轭极点。如图4所示，微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点会使得微机械陀螺仪的标度因数在微机械陀螺仪的模态频差处达到峰值，并使得微机械陀螺仪的相位剧烈变化180°。微机械陀螺仪在其模态频和处存在的两个共轭极点对微机械陀螺仪带宽的影响则可以忽略。通过对式(A6)进行化简可得：式(A9)中：VOopen为微机械陀螺仪的输出信号；Ωz为微机械陀螺仪的输入角速率；Ax为驱动轴向结构的运动幅度；Vdac为驱动模态激励信号的幅度；Kyc为检测位移提取结构的转换系数；Kpre为前级放大接口的增益倍数；Ksec为次级放大器的增益倍数；FLPF1为第一低通滤波器的增益；FLPF2为第二低通滤波器的增益；Δf为微机械陀螺仪的模态频差。根据式(A9)可知，微机械陀螺仪的带宽为：fb＝0.54Δf(A11)；式(A10)-(A11)中：VOopen为微机械陀螺仪的输出信号；Ωz为微机械陀螺仪的输入角速率；fb为微机械陀螺仪的带宽；Δf为微机械陀螺仪的模态频差。根据式(A11)可知，微机械陀螺仪的带宽与微机械陀螺仪的模态频差成正比。然而在实际应用中，一方面为了提高微机械陀螺仪的机械灵敏度(以此提高微机械陀螺仪的分辨率、阈值、信噪比、零偏稳定性、噪声特性)，需要减小微机械陀螺仪的模态频差，另一方面为了增大微机械陀螺仪的带宽，需要增大微机械陀螺仪的模态频差，由此使得提高微机械陀螺仪的机械灵敏度和增大微机械陀螺仪的带宽成为一对矛盾，从而导致微机械陀螺仪无法兼顾机械灵敏度和带宽。基于此，有必要专利技术一种全新的方法，以解决微机械陀螺仪无法兼顾机械灵敏度和带宽的问题。
技术实现思路
本专利技术为了解决微机械陀螺仪无法兼顾机械灵敏度和带宽的问题，提供了一种基于偶极子补偿法的微机械陀螺仪带宽拓展方法。本专利技术是采用如下技术方案实现的：基于偶极子补偿法的微机械陀螺仪带宽拓展方法，该方法是采用如下步骤实现的：1)以扫频的方式确定微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的谐振角频率；2)根据微机械陀螺仪驱动模态和检测模态扫频测试的结果，计算得出微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的品质因数，具体计算公式如下：式(A12)中：Qx为微机械陀螺仪驱动模态的品质因数；ωx为微机械陀螺仪驱动模态的谐振角频率；ωx-3、ωx+3为比微机械陀螺仪驱动模态固有频率状态下的信号幅值小3分贝信号幅值对应的两个输入角速率信号频率点，且ωx-3＜ωx＜ωx+3；Qy为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；ωy为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；ωy-3、ωy+3为比微机械陀螺仪检测模态固有频率状态下的信号幅值小3分贝信号幅值对应的两个输入角速率信号频率点，且ωy-3＜ωy＜ωy+3；根据微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的品质因数，计算得出微机械陀螺仪的标度因数，具体计算公式如下：式(A13)中：VOopen为微机械陀螺仪的输出信本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于偶极子补偿法的微机械陀螺仪带宽拓展方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：1）以扫频的方式确定微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的谐振角频率；2）根据微机械陀螺仪驱动模态和检测模态扫频测试的结果，计算得出微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的品质因数，具体计算公式如下：Qx=ωxωx+3-ωx-3Qy=ωyωy+3-ωy-3---(A12);]]>式（A12）中：Qx为微机械陀螺仪驱动模态的品质因数；ωx为微机械陀螺仪驱动模态的谐振角频率；ωx‑3、ωx+3为比微机械陀螺仪驱动模态固有频率状态下的信号幅值小3分贝信号幅值对应的两个输入角速率信号频率点，且ωx‑3＜ωx＜ωx+3；Qy为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；ωy为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；ωy‑3、ωy+3为比微机械陀螺仪检测模态固有频率状态下的信号幅值小3分贝信号幅值对应的两个输入角速率信号频率点，且ωy‑3＜ωy＜ωy+3；根据微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的品质因数，计算得出微机械陀螺仪的标度因数，具体计算公式如下：|VOopen(s)Ωz(s)|=|12AxωdVdacKycKpreKsecFLPF1(s)FLPF2(s)(s2+ωyQys+ωy2-ωd2)(s-p1)(s-p2)(s-p3)(s-p4)|]]>p1,3=-ωy2Qy+(ωd±ωy24-1Qy2)j---(A13);]]>p2,4=-ωy2Qy-(ωd±ωy24-1Qy2)j]]>式（A13）中：VOopen为微机械陀螺仪的输出信号；Ωz为微机械陀螺仪的输入角速率；Ax为驱动轴向结构的运动幅度；ωd为驱动模态驱动力的角频率；Vdac为驱动模态激励信号的幅度；Kyc为检测位移提取结构的转换系数；Kpre为前级放大接口的增益倍数；Ksec为次级放大器的增益倍数；FLPF1为第一低通滤波器的增益；FLPF2为第二低通滤波器的增益；ωy为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Qy为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；p1、p2为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点；p3、p4为微机械陀螺仪在其模态频和处存在的两个共轭极点；通过对式（A13）进行化简可得：|VOopen(s)Ωz(s)|=|KconFLPF1(s)FLPF2(s)(s-z1)(s-z2)(s-p1)(s-p2)(s-p3)(s-p4)|---(A14);]]>式（A14）中：VOopen为微机械陀螺仪的输出信号；Ωz为微机械陀螺仪的输入角速率；Kcon为0.5AxωdVdacKycKpreKsec；FLPF1为第一低通滤波器的增益；FLPF2为第二低通滤波器的增益；z1、z2为的解；p1、p2为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点；p3、p4为微机械陀螺仪在其模态频和处存在的两个共轭极点；3）在微机械陀螺仪的检测回路中增设偶极子补偿控制器；所述偶极子补偿控制器包括零极点发生环节、比例环节；零极点发生环节的输入端与第一低通滤波器的输出端连接，零极点发生环节的输出端与比例环节的输入端连接，比例环节的输出端与第二低通滤波器的输入端连接；设偶极子补偿控制器的传递函数为：Fdcc=Kdcc(s-zdcc1)(s-zdcc2)(s-pdcc1)(s-pdcc2)---(A15);]]>式（A15）中：Fdcc为偶极子补偿控制器的传递函数；Kdcc为偶极子补偿控制器的增益；偶极子补偿控制器的增益由比例环节产生；zdcc1、zdcc2为偶极子补偿控制器的两个共轭零点；pdcc1、pdcc2为偶极子补偿控制器的两个极点；偶极子补偿控制器的两个共轭零点和极点由零极点发生环节产生；增设偶极子补偿控制器后，微机械陀螺仪的标度因数变为式（A14）和式（A15）的乘积：|VOopen(s)Ωz(s)|=|KconFLPF1(s)FLPF2(s)(s-z1)(s-z2)(s-p1)(s-p2)(s-p3)(s-p4)Kdcc(s-zdcc1)(s-zdcc2)(s-pdcc1)(s-pdcc2)|---(A16);]]>式（A16）中：VOopen为微机械陀螺仪的输出信号；Ωz为微机械陀螺仪的输入角速率；Kcon为0.5AxωdVdacKycKpreKsec；FLPF1为第一低通滤波器的增益；FLPF2为第二低通滤波器的增益；z1、z2为的解；Kdcc为偶极子补偿控制器的增益；zdcc1、zdcc2为偶极子补偿控制器的两个共轭零点；p1、p2为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭...

【技术特征摘要】
1.一种基于偶极子补偿法的微机械陀螺仪带宽拓展方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：1）以扫频的方式确定微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的谐振角频率；2）根据微机械陀螺仪驱动模态和检测模态扫频测试的结果，计算得出微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的品质因数，具体计算公式如下：式（A12）中：Qx为微机械陀螺仪驱动模态的品质因数；ωx为微机械陀螺仪驱动模态的谐振角频率；ωx-3、ωx+3为比微机械陀螺仪驱动模态固有频率状态下的信号幅值小3分贝信号幅值对应的两个输入角速率信号频率点，且ωx-3＜ωx＜ωx+3；Qy为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；ωy为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；ωy-3、ωy+3为比微机械陀螺仪检测模态固有频率状态下的信号幅值小3分贝信号幅值对应的两个输入角速率信号频率点，且ωy-3＜ωy＜ωy+3；根据微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的品质因数，计算得出微机械陀螺仪的标度因数，具体计算公式如下：式（A13）中：VOopen为微机械陀螺仪的输出信号；Ωz为微机械陀螺仪的输入角速率；Ax为驱动轴向结构的运动幅度；ωd为驱动模态驱动力的角频率；Vdac为驱动模态激励信号的幅度；Kyc为检测位移提取结构的转换系数；Kpre为前级放大接口的增益倍数；Ksec为次级放大器的增益倍数；FLPF1为第一低通滤波器的增益；FLPF2为第二低通滤波器的增益；ωy为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Qy为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；p1、p2为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点；p3、p4为微机械陀螺仪在其模态频和处存在的两个共轭极点；通过对式（A13）进行化简可得：式（A14）中：VOopen为微机械陀螺仪的输出信号；Ωz为微机械陀螺仪的输入角速率；Kcon为0.5AxωdVdacKycKpreKsec；FLPF1为第一低通滤波器的增益；FLPF2为第二低通滤波器的增益；z1、z2为的解；p1、p2为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点；p3、p4为微机械陀螺仪在其模态频和处存在的两个共轭极点；3）在微机械陀螺仪的检测回路中增设偶极子补偿控制器；所述偶极子补偿控制器包括零极点发生环节、比例环节；零极点发生环节的输入端与第一低通滤波器的输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹慧亮，刘俊，石云波，申冲，秦丽，唐军，李杰，张晓明，马宗敏，鲍爱达，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14