基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法技术

本发明专利技术针对低品质因数、小频差的硅微机械陀螺仪最优解调相角易受外界温度影响的问题，利用驱动谐振频率与温度之间的线性关系，提出了基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，并在FPGA中实现了该补偿方法。该方法不需要增加额外的元器件，且便于参数调整。

【技术实现步骤摘要】
基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法
本专利技术涉及硅微机械陀螺仪领域，特别是涉及一种基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法。
技术介绍
硅微机械陀螺仪是基于哥氏效应来测量敏感轴的输入角速度，它是MEMS技术和惯性技术相结合的产物。相比于传统陀螺仪，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、易于集成化、可批量生产等特点，这使得它在军用和民用领域都有广阔的应用前景。美国的Drapper实验室在1988年研制出了第一个硅微机械陀螺仪，此后，随着在MEMS加工工艺以及微电子工艺上不断取得的技术突破，陀螺仪精度大大提高，使得很多研究成果转化为产品被应用到不同领域。现阶段，在陀螺测控系统中运用数字电路的灵活性，实现一些较为复杂的控制算法，在提升陀螺仪测量精度上发挥越来越大的作用。硅微陀螺的加工材料薄硅片是热敏材料，温度对其机械尺寸和材料弹性模量都有影响，当温度发生变化时，不仅结构尺寸要变性，材料的弹性模量也会发生巨大变化。这些变化体现在对陀螺谐振频率和品质因数等关键参数上，由于检测模态相位与陀螺谐振频率和品质因数有关，检测模态相位决定了最优解调相角。然而，现有技术中品质因数低、频差小的硅微陀螺仪的最优解调相角易受外界温度影响。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是针对现有技术中品质因数低、频差小的硅微陀螺仪的最优解调相角易受外界温度影响的问题，提供一种基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法。技术方案：为达到此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术所述的基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，包括以下步骤：S1：在-40～60℃的温度范围内，硅微机械陀螺仪数字测控系统工作在稳定状态，对陀螺仪驱动谐振频率f进行提取；S2：在-40～60℃的温度范围内，硅微机械陀螺仪数字测控系统工作在稳定状态，对陀螺仪检测模态相位进行提取；S3：将步骤S2得到的驱动谐振频率f和检测模态相位进行分段线性拟合，建立两者之间的关系模型；S4：将步骤S3得到的关系模型中的检测模态相位转化为延时计数值N，驱动谐振频率f转换为FPGA中的驱动谐振量化频率F，得到驱动谐振量化频率F与延时计数值N之间的F-N模型，F-N模型用于表征不同温度下通过延时补偿的解调相角；在FPGA中实现F-N模型，并将其嵌入到陀螺仪测控电路中，实现解调相角的最优补偿。进一步，所述步骤S1中，通过以下方法得到驱动谐振频率f：陀螺仪驱动模态采用锁相环保证其工作在谐振状态，硅微机械陀螺仪数字测控系统稳定时，将锁相环中压控振荡器的频率通过串口进行采集，得到驱动谐振频率f。进一步，所述步骤S2中，通过以下方法得到检测模态相位令初始解调相角为零，对检测通道进行同相和正交解调，利用解调出的哥氏信号和正交误差信号来计算检测模态相位表示为：式(1)中，Ac1为第一次测量的哥氏信号，Aq1为第一次测量的正交误差信号，Ac2为第二次测量的哥氏信号，Aq2为第二次测量的正交误差信号。进一步，所述步骤S3中，关系模型通过式(2)得到：：式(2)中，i＝1,2,3，表示线性分段数；表示驱动谐振频率f对应的检测模态相位ai和bi为步骤S3中分段线性拟合的第i段的系数，fi-1为为第i段频率区间的起始频率，fi为第i段频率区间的终止频率。进一步，所述步骤S4中，F-N模型表示为：式(3)中，j＝1,2,3，表示线性分段数；N(F)为驱动谐振量化频率F对应的延时计数值，也即F-N模型；A为角度与弧度之间转换常系数，B为FPGA系统的输入时钟频率，C是与寄存器位数有关的常数，aj和bj为通过原始数据拟合得到的第j段的系数，Fj-1为第j段频率区间的起始频率，Fj为第j段频率区间的终止频率。有益效果：本专利技术针对低品质因数、小频差的硅微机械陀螺仪最优解调相角易受外界温度影响的问题，利用驱动谐振频率与温度之间的线性关系，提出了基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，并在FPGA中实现了该补偿方法。该方法不需要增加额外的元器件，且便于参数调整。附图说明图1为本专利技术具体实施方式中方法所针对的系统的框图；图2为本专利技术具体实施方式中硅微机械陀螺仪驱动谐振频率提取电路的原理框图；图3为本专利技术具体实施方式中的硅微机械陀螺仪解调相角提取原理框图；图4为本专利技术具体实施方式中的基于驱动谐振频率的最优解调相角实现原理框图。具体实施方式下面结合具体实施方式和附图对本专利技术的技术方案作进一步的介绍。本具体实施方式公开了一种基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，包括以下步骤：S1：在-40～60℃的温度范围内，硅微机械陀螺仪数字测控系统工作在稳定状态，对陀螺仪驱动谐振频率f进行提取；S2：在-40～60℃的温度范围内，硅微机械陀螺仪数字测控系统工作在稳定状态，对陀螺仪检测模态相位进行提取；S3：将步骤S2得到的驱动谐振频率f和检测模态相位进行分段线性拟合，建立两者之间的关系模型；S4：将步骤S3得到的关系模型中的检测模态相位转化为延时计数值N，驱动谐振频率f转换为FPGA中的驱动谐振量化频率F，得到驱动谐振量化频率F与延时计数值N之间的F-N模型，F-N模型用于表征不同温度下通过延时补偿的解调相角；在FPGA中实现F-N模型，并将其嵌入到陀螺仪测控电路中，实现解调相角的最优补偿。如图4所示。如图1所示，本方法最终基于FPGA实现，嵌入到陀螺测控系统的数字电路中。陀螺测控系统包括陀螺表头、C/V转换电路、同步积分解调电路、AD/DA转换电路、FPGA数字处理平台以及相关的电源及配置电路。其中，FPGA数字平台是控制系统的核心模块，驱动控制模块、相位补偿模块、解调基准模块以及串口模块均在此实现。驱动控制模块由基于自动增益控制来保证幅度稳定，基于锁相环控制使得陀螺驱动模态稳定后工作在谐振频率上；相位补偿模块根据实验所建立的模型来实现，其输入为驱动控制模块中的陀螺驱动谐振频率，输出为延时计数值；解调基准模块根据输入的延时计数值，使得检测输出的解调基准方波产生一定延迟来调整相位，达到调整解调相角的目的；串口模块将需要采集的数据输出到上位机。步骤S1中，通过以下方法得到驱动谐振频率f：陀螺仪驱动模态采用锁相环保证其工作在谐振状态，硅微机械陀螺仪数字测控系统稳定时，将锁相环中压控振荡器的频率通过串口进行采集，得到驱动谐振频率f。如图2所示，陀螺驱动谐振频率提取是通过锁相环技术实现的，锁相环由三部分组成：鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，所述锁相环在本专利技术的测控系统中具体实现为：同步积分解调电路实现鉴相器作用，PI控制器实现环路滤波，压控振荡器由直接数字频率合成(DDS)技术实现。实现驱动频率提取的原理为：由于Vds与Vd之间存在一个的相位差，当驱动信号频率与陀螺谐振频率相同时，系统采用正弦信号作为驱动信号，Vds通过同步积分解调电路后，得到关于此相位差的值为：设置Vref＝0，所以锁相环稳定时，会得到pha＝0，此时即驱动频率与陀螺谐振频率相同。Vm为驱动检测幅度大小，DDS的基准频率为f0，控制器输出Δf，则陀螺谐振频率f可以表示为：f＝f0+Δf(A2)由于DDS是在FPGA中进行实现的，能够很容易将得到的谐振频率f通过串口传输到上位机进行采集。如图3所示，令θ＝0，可得正交通道输出为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：在‑40～60℃的温度范围内，硅微机械陀螺仪数字测控系统工作在稳定状态，对陀螺仪驱动谐振频率f进行提取；S2：在‑40～60℃的温度范围内，硅微机械陀螺仪数字测控系统工作在稳定状态，对陀螺仪检测模态相位

【技术特征摘要】
1.基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：在-40～60℃的温度范围内，硅微机械陀螺仪数字测控系统工作在稳定状态，对陀螺仪驱动谐振频率f进行提取；S2：在-40～60℃的温度范围内，硅微机械陀螺仪数字测控系统工作在稳定状态，对陀螺仪检测模态相位进行提取；S3：将步骤S2得到的驱动谐振频率f和检测模态相位进行分段线性拟合，建立两者之间的关系模型；S4：将步骤S3得到的关系模型中的检测模态相位转化为延时计数值N，驱动谐振频率f转换为FPGA中的驱动谐振量化频率F，得到驱动谐振量化频率F与延时计数值N之间的F-N模型，F-N模型用于表征不同温度下通过延时补偿的解调相角；在FPGA中实现F-N模型，并将其嵌入到陀螺仪测控电路中，实现解调相角的最优补偿。2.根据权利要求1所述的基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，其特征在于：所述步骤S1中，通过以下方法得到驱动谐振频率f：陀螺仪驱动模态采用锁相环保证其工作在谐振状态，硅微机械陀螺仪数字测控系统稳定时，将锁相环中压控振荡器的频率通过串口进行采集，得到驱动谐振频率f。3.根据权利要求1所述的基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，其特征在于：所述步骤S2中...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宏生，詹超，贾佳，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32