一种适用于宽量程的陀螺仪控制方法和控制系统技术方案

本发明专利技术提供了一种适用于宽量程应用下的振动结构陀螺仪的控制方法和控制系统，选定能够满足要求的振动结构陀螺仪的第一模态振幅的设定值V0，作为零角速率输入时第一模态的目标振幅；选定角速率阈值Ωth；依据输入角速率的大小选择不同的工作模式。使其能够满足大量程工作时的性能需求，同时又不降低小量程应用时的精度。本发明专利技术满足了众多应用领域中对于宽量程工作的需求，提供的振动结构陀螺仪控制系统具有同样的技术效果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于MEMS(Micro-ElectroMechanicalSystem)传感器
，具体地，涉及一种用于检测物体角速率的微机械振动结构陀螺仪的控制方法和控制系统。
技术介绍
近年来，随着微机械技术的不断发展，振动结构陀螺仪得到了广泛的应用，其中以陶瓷、金属、硅材料制造的音叉式、圆柱式、半球式和环形结构的陀螺仪为主。这些陀螺仪的统一之处在于它们需外加驱动力激励振动结构振动于自身的自然谐振频率下(第一运动模态，也称载波模态)，而当在敏感轴上有角速率输入时，产生哥氏力的作用，使第一模态的运动耦合出第二运动模态(响应模态)。在这些振动结构陀螺仪中，硅微振动结构陀螺仪以其低成本、小体积、低能耗、轻质量的优点被广泛应用于车辆动态控制系统和汽车导航系统中，这些应用领域需要陀螺仪具备很宽的角速率测量范围。同时这种硅微振动陀螺仪还以其强坚固性具备很好的环境适用性，而被应用于飞机导航和军事惯导领域，这些应用领域都要求陀螺仪工作于很宽的角速率范围内。为适用宽量程的需求，可以通过扩大陀螺仪的量程范围实现，然而，一味的加大量程，会导致其在噪声和零偏等指标上的性能恶化，更会恶化其在小量程应用时的精度。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，根据众多应用领域对角速率陀螺仪宽量程工作条件的需求，提供一种适用于宽量程的陀螺仪控制方法和控制系统，使其能够满足大量程工作时的性能需求，同时又不降低小量程应用时的精度。本专利技术解决上述技术问题的技术方案包括：一种振动结构陀螺仪的控制方法，包括以下步骤：(1)选定能够满足要求的振动结构陀螺仪的第一模态振幅的设定值V0，作为零角速率输入时第一模态的目标振幅；在陀螺仪的敏感结构特性和电路检测增益已经确定的前提下，提高陀螺仪精度的唯一途径是放大第一模态的振幅值，这样相同角速率输入时，第一模态振幅越大，耦合出的第二模态振幅越大，然而这样却很容易使得第二模态的抵消力达到饱和，同时在实际应用中，任何振动结构陀螺仪都有一个最大振动位移极限，这由很多因素决定，包括电路可获得的最大驱动力，振动结构的断裂极限等。故需要在陀螺仪测量精度、振动位移极限、以及第二模态可获得的最大抵消力的折中考虑下，选定能够满足要求的第一模态运动振幅的设定值V0，作为零角速率输入时第一模态的目标振幅。(2)选定角速率阈值Ωth让第一模态在步骤(1)中给定的运动振幅设定值V0的对应目标振幅下稳幅振动，同时输入角速率，且使角速率不断增大，监测第二模态闭环控制环路中用于抵消哥氏力引起的第二模态振幅的抵消力，当该抵消力即将达到极限值附近时，选定此时的输入角速率为角速率阈值Ωth；选定的角速率阈值Ωth要使第二模态的抵消力保留一定大小的余量；(3)依据输入角速率的大小选择不同的工作模式当输入角速率低于步骤(2)选定的角速率阈值Ωth时，第一模态振幅的设定值保持V0不变，即第一模态工作于稳幅状态，此时输出的角速率正比于第二模态抵消力的大小，在第二模态工作于闭环控制系统下，输入角速率正比于第二模态运动振幅对应的实分量的大小。Ωout=FC2mv=kVSSrV0ω]]>其中，V0为第一模态振幅设定值对应的电压量，ω为振动结构陀螺仪的谐振频率，k为包括质量、模态耦合、电路放大倍数在内的常数，其值依振动结构和控制电路特性决定，VSSr为第二模态运动振幅对应的实分量；m为陀螺敏感结构质量，v为第一模态的有效振速，FC为哥氏力。当角速率高于该阈值Ωth时，维持第二模态抵消力在小于其极限值附近保持不变，此时监测到的VSSr基本维持不变，同时按比例的实时调整降低第一模态的振幅，即第一模态工作于变振幅状态，此时输出的角速率与第一模态的振幅成反比关系，输入角速率越大，第一模态振幅越小；此大角速率模式下的角速率输出由下式得出：Ωout=kVSSrVAGCω]]>其中，VAGC为第一模态检测的振幅值，ω为振动结构陀螺仪的谐振频率，k为包括质量、模态耦合、电路放大倍数在内的常数，VSSr为第二模态运动检测的实分量，VSSr基本维持在一定值附近，变化的是依据输入角速率调整的第一模态检测的振幅值VAGC。在输入角速率大于角速率阈值Ωth和小于角速率阈值Ωth的两种工作模态下，输出的角速率刻度因子会发生改变，需要在角速率输出环节对刻度因子进行标定，以使系统达到一致的角速率刻度因子。一种振动结构陀螺仪的控制系统，包括：第一模态控制环路、第二模态控制环路和振幅调整环路；在第一模态控制环路中，由锁相环路和自动增益控制环路组成；第一模态运动检测端输出的位移信号经过鉴相器和鉴幅器解调；鉴相器得到位移信号与驱动信号的相位差经过滤波器滤波后输出到数控振荡器或压控振荡器，调整数控振荡器或压控振荡器的频率，使得施加的驱动信号和谐振运动位移信号的相位差保持90度的相位差，这种90度相位差可使振动环在谐振频率上最大幅值运动；自动增益控制环路中，由鉴幅器得到振幅信号VAGC，与第一模态振幅的给定值V0通过比较器进行比较，然后输入到滤波器进行滤波处理后得到施加给第一模态的驱动力，该驱动力经调制器调制到锁相环环路中的数控振荡器或压控振荡器提供的频率上，然后施加到第一模态驱动端上，自动增益控制环路通过实时调整驱动力的值使得振动环的振动幅度保持在给定振幅上，也就是使第一模态检测端的输出幅值信号始终跟踪给定振幅。根据上述
技术实现思路
，当转速低于角速率阈值Ωth时，第一模态维持稳幅振动；当转速大于角速率阈值Ωth时，第一模态的振幅随角速率的增大而减小；第二模态由抵消环路和去耦合环路组成。第二模态运动检测端输出的第二模态振动位移信号经过解调器分解成角速率引起的运动的cosωt分量和sinωt分量，cosωt分量信号经过实环路滤波器滤波，sinωt分量信号经正交环路滤波器滤波，滤波后所得到的实分量VSSr和正交分量VSSq分别经过再调制器调制，再调制器将滤波后的实分量VSSr与sinωt相乘，调制到sinωt相位上，将滤波后正交分量VSSq与cosωt相乘，调制到cosωt相位上，再调制后的两路信号输入给电压加法器相加，得到的驱动力VSSr*sin(ωt(+VSSq*cos(ωt)施加给第二模态驱动端，以保持第二模态检测端的检测信号为零，其中抵消环路用抵消力VSSr*sin(ωt)抵消哥氏力引起的位移，而耦合环路用平衡力VSSq*cos(ωt)平衡掉由于耦合误差角引起的位移。振幅调整环路连接于第二模态闭环环路和第一模态闭环控制环路之间，振幅调整环路包括角速率计算模块，将第二模态闭环控制环路中的cosωt分量环路滤波器输出的实分量信号VSSr与第一模态闭环控制环路的鉴幅器输出的振幅信号VAGC相除，得到的输出信号Ωapp正比于角速率，信号Ωapp输入给振幅调整模块，该振幅调整模块以调整系数β乘以陀螺仪零角速率输入时的第一模态振幅的设定值V0，然后经滤波器滤波后作为第一模态动态响应振幅提供给第一模态自动增益控制环路，其中调整系数β由下式得到：β=1ΩTH|Ωapp|≥10ΩTH|Ωapp|<1]]>当外加角速率小于等于角速率阈值Ωth时，调整系数β等本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种振动结构陀螺仪的控制方法，其特征在于包括以下步骤：(1)选定能够满足要求的振动结构陀螺仪的第一模态振幅的设定值V0，作为零角速率输入时第一模态的目标振幅；(2)选定角速率阈值Ωth让第一模态在步骤(1)中给定的运动振幅设定值V0的对应目标振幅下稳幅振动，同时输入角速率，且使角速率不断增大，监测第二模态闭环控制环路中用于抵消哥氏力引起的第二模态振幅的抵消力，当该抵消力即将达到极限值附近时，选定此时的输入角速率为角速率阈值Ωth；(3)依据输入角速率的大小选择不同的工作模式当输入角速率低于步骤(2)选定的角速率阈值Ωth时，第一模态振幅的设定值保持V0不变，即第一模态工作于稳幅状态，此时输出的角速率正比于第二模态抵消力的大小，即在第二模态工作于闭环控制系统下，输入角速率就正比于第二模态运动振幅对应的实分量的大小，Ωout=FC2mv=kVSSrV0ω]]>其中，V0为第一模态振幅设定值对应的电压量，ω为振动结构陀螺仪的谐振频率；k为包括质量、模态耦合、电路放大倍数在内的常数，其值依振动结构和控制电路特性决定；VSSr为第二模态运动振幅对应的实分量；m为陀螺敏感结构质量，v为第一模态的有效振速，FC为哥氏力；当角速率高于步骤(2)选定的角速率阈值Ωth时，维持第二模态抵消力在小于其极限值附近保持不变，此时监测到的VSSr基本维持不变，同时按比例的实时调整降低第一模态的振幅，即第一模态工作于变振幅状态，此时输出的角速率与第一模态的振幅成反比关系，输入角速率越大，第一模态振幅越小；此时角速率输出由下式得出：Ωout=kVSSrVAGCω]]>其中，VAGC为第一模态检测的振幅值，ω为振动结构陀螺仪的谐振频率，k为包括质量、模态耦合、电路放大倍数在内的常数，VSSr为第二模态运动检测的实分量，VSSr基本维持在一定值附近，变化的是依据输入角速率调整的第一模态检测的振幅值VAGC。在输入角速率大于角速率阈值Ωth和小于角速率阈值Ωth的两种工作模态下，输出的角速率刻度因子会发生改变，需要在角速率输出环节对刻度因子进行标定，以使系统达到一致的角速率刻度因子。...

【技术特征摘要】
1.一种振动结构陀螺仪的控制方法，其特征在于包括以下步骤：(1)选定能够满足要求的振动结构陀螺仪的第一模态振幅的设定值V0，作为零角速率输入时第一模态的目标振幅；(2)选定角速率阈值Ωth让第一模态在步骤(1)中给定的运动振幅设定值V0的对应目标振幅下稳幅振动，同时输入角速率，且使角速率不断增大，监测第二模态闭环控制环路中用于抵消哥氏力引起的第二模态振幅的抵消力，当该抵消力即将达到极限值附近时，选定此时的输入角速率为角速率阈值Ωth；(3)依据输入角速率的大小选择不同的工作模式当输入角速率低于步骤(2)选定的角速率阈值Ωth时，第一模态振幅的设定值保持V0不变，即第一模态工作于稳幅状态，此时输出的角速率正比于第二模态抵消力的大小，即在第二模态工作于闭环控制系统下，输入角速率就正比于第二模态运动振幅对应的实分量的大小，Ωout=FC2mv=kVSSrV0ω]]>其中，V0为第一模态振幅设定值对应的电压量，ω为振动结构陀螺仪的谐振频率；k为包括质量、模态耦合、电路放大倍数在内的常数，其值依振动结构和控制电路特性决定；VSSr为第二模态运动振幅对应的实分量；m为陀螺敏感结构质量，v为第一模态的有效振速，FC为哥氏力；当角速率高于步骤(2)选定的角速率阈值Ωth时，维持第二模态抵消力在小于其极限值附近保持不变，此时监测到的VSSr基本维持不变，同时按比例的实时调整降低第一模态的振幅，即第一模态工作于变振幅状态，此时输出的角速率与第一模态的振幅成反比关系，输入角速率越大，第一模态振幅越小；此时角速率输出由下式得出：Ωout=kVSSrVAGCω]]>其中，VAGC为第一模态检测的振幅值，ω为振动结构陀螺仪的谐振频率，k为包括质量、模态耦合、电路放大倍数在内的常数，VSSr为第二模态运动检测的实分量，VSSr基本维持在一定值附近，变化的是依据输入角速率调整的第一模态检测的振幅值VAGC。在输入角速率大于角速率阈值Ωth和小于角速率阈值Ωth的两种工作模态下，输出的角速率刻度因子会发生改变，需要在角速率输出环节对刻度因子进行标定，以使系统达到一致的角速率刻度因子。2.根据权利要求1所述的振动结构陀螺仪的控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中选定的角速率阈值Ωth要使第二模态的抵消力保留一定大小的余量。3.一种振动结构陀螺仪的控制系统，其特征在于包括：第一模态控制环路、第二模态控制环路和振幅调整环路；在第一模态控制环路中，由锁相环路和自动增益控制环路组成；第一模态运动检测端输出的位移信号经过鉴相器和鉴幅器解调；鉴相器得到位移信号与驱动信号的相位差经过滤波器滤波后输出到数控振荡器或压控振荡器，调整数控振荡器或压控振荡器的频率，使得施加的驱动信号和谐振运动位移信号的相位差保持90度的相位差，这种90度相位差可使振动环在谐振...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱红，张奇荣，权海洋，叶泽刚，王浩，
申请(专利权)人：北京时代民芯科技有限公司，北京微电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11