一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置，该装置包括前端的硅微陀螺仪检测模块、中端的模拟接口模块和后端的FPGA模块，前端和后端通过中端相连，形成三个闭环控制回路。前端由检测机构、一对检测输出电极、力反馈机构、一对力反馈电极、正交校正机构、正交校正电极、频率调谐机构以及频率调谐电极组成；中端由C/V转换器、仪表放大器、模/数转换器以及四组数/模转换器组成；后端由输入子模块和两个解调子模块组成。本实用新型专利技术能够实现硅微陀螺仪实时在线模态自动匹配，同时完成闭环检测和正交误差校正；使用FPGA模块实现控制算法，能够有效抑制因温度变化、回路间相互耦合带来干扰，算法复杂度低，调谐精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置
本技术涉及微机电系统(MEMS)和微惯性导航的测量仪表
，具体涉及到一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置。
技术介绍
硅微陀螺仪作为一种能够测量角速率的微型惯性传感器，具有体积小、功耗低、集成度高等优点，因此被广泛应用于民用和军事领域，具体包括汽车侧翻监测、消费类电子产品转向检测以及姿态角控制等。尽管如此，现有的硅微陀螺仪在偏置稳定性方面仍落后于光纤陀螺仪、环形激光陀螺仪以及其他高精度陀螺仪。因此，如何进一步提高硅微陀螺仪的性能仍是一个研究热点。模态匹配技术、闭环检测以及正交误差校正技术都是提高硅微陀螺仪精度的重要手段。其中，模态匹配技术通过消除硅微陀螺仪的驱动模态和检测模态之间的谐振频率差，能有效提高其偏置稳定性和机械灵敏度，再配合闭环检测和正交误差校正技术，可进一步提高对哥氏加速度信号检测的准确度。传统模拟电路易受温度、电磁场等因素干扰，且需消耗大量器件才能实现一些简单算法，而使用FPGA系统将控制回路数字化，既可以减小外界因素干扰，又可以利用其高速并行处理数据的能力来实现大量控制算法，因此将FPGA系统运用至硅微陀螺仪的控制具有良好的运用前景。
技术实现思路
技术目的：针对现有技术不足，本技术提出了一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置。技术方案：本技术所述的一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置，包括：前端的硅微陀螺仪检测模块、中端的模拟接口模块和后端的FPGA模块，硅微陀螺仪检测模块和FPGA模块通过模拟接口模块相连，形成三个闭环控制回路；所述硅微陀螺仪检测模块包括：一对力反馈电极Ef+和Ef-，将第一数/模转换器或第二数/模转换器生成的模拟电压信号施加于力反馈机构；力反馈机构，将模拟电压信号转化为静电力，对检测机构产生激励作用；进一步地，所述力反馈机构包括一对与力反馈电极Ef+、Ef-分别相连的力反馈极板和施以载波信号的活动极板；所述力反馈电极Ef+、Ef-接入数字双边输入信号Vi或数字检测反馈信号Vf经第一数/模转换器转换并输出的模拟信号；所述第一数/模转换器输出的模拟信号经力反馈极板转换而产生静电力，推或者拉活动极板沿检测方向产生位移，作用至检测机构上；检测机构，将力反馈机构产生的激励作用转换为电容变化量；受到正交校正机构的校正力和频率调谐机构的模拟直流调谐电压的作用，使正交信号和检测模态频率发生变化；进一步地，所述检测机构包括一对与检测输出电极Es+，Es-相连的检测输出极板(11，12)和接收外部设备施加的高频载波信号的活动极板(10)；所述活动极板(10)根据力反馈机构的作用，产生相应的位移，使活动极板(10)与检测输出极板(11，12)间的电容量发生变化；所述检测输出电极Es+和Es-将电容变换量传输至C/V转换器；一对检测输出电极Es+，Es-，检测并输出在力反馈机构作用下检测机构的电容变化量；正交校正电极Eq，将第三数/模转换器输出的模拟正交校正电压施加于正交校正机构；正交校正机构，将数字正交校正信号Vq转换为硅微陀螺仪检测方向的校正力，作用在检测机构上，用于消除硅微陀螺仪的正交误差；频率调谐电极Et，将第四数/模转换器输出的模拟直流调谐电压施加于频率调谐机构；频率调谐机构，受频率调谐电极Et产生的模拟直流调谐电压的作用，根据静电负刚度效应，硅微陀螺仪检测方向结构刚度发生变化，改变检测模态谐振频率，完成硅微陀螺仪的模态匹配；进一步地，所述频率调谐机构包括连接至频率调谐电极Et的调谐极板、施以载波信号的公共极板，所述频率调谐电极Et接入数字直流调谐信号Vt经第四数/模转换器转换并输出的模拟信号；所述调谐极板和公共极板之间的静电力在硅微陀螺仪驱动和检测方向上都保持平衡，用于根据直流调谐信号Vt的变化改变硅微陀螺仪检测方向上的刚度，使检测模态谐振频率匹配至驱动模态谐振频率。所述模拟接口模块包括：C/V转换器，将一对检测输出电极Es+，Es-输出的电容变化量转换成电压信号；仪表放大器，对C/V转换器转换的电压信号幅度进行差分放大得到模拟响应信号Vo，所述模拟响应信号Vo在模态匹配之前包含双边输入信号Vi响应幅度信息，在模态匹配之后，包含哥氏加速度信号和正交误差信号；模/数转换器，将仪表放大器差分放大后的模拟响应信号Vo转换为数字量，并输出至FPGA模块；第一数/模转换器，将输入子模块生成的数字双边输入信号Vi转换为模拟电压信号后输出至力反馈电极Ef+和Ef-；第二数/模转换器，将第一解调子模块解调出的数字检测反馈信号Vf转换为模拟电压信号后输出至力反馈电极Ef+和Ef-；第三数/模转换器，将第一解调子模块解调出的数字正交校正信号Vq转换为模拟信号后输出至正交校正电极Eq；第四数/模转换器，将第二解调子模块解调出的数字直流调谐信号Vt转换为模拟直流调谐电压后输出至频率调谐电极Et；所述FPGA模块包括：输入子模块，采用复数相乘算法生成并输出数字双边输入信号Vi和一对解调基准sinw1t、sinw2t；第一解调子模块，采用平方解调算法提取模拟响应信号Vo的幅度差，并对幅度差作PI(比例-积分)控制得到数字直流调谐信号Vt；第二解调子模块，在模态匹配完成之后，采用相乘解调算法对模拟响应信号Vo进行解调，生成数字检测反馈信号Vf和数字正交校正信号Vq。进一步地，所述输入子模块包括：复数相乘子模块，采用复数相乘算法生成连续的等量增大角度的正弦值和余弦值，并输出至数字振荡器；数字振荡器，通过对其设置相应的频率控制字和相位控制字，可控制复数相乘算法的初始角度和角度增量，进而控制数字振荡器输出信号的频率和初始相位，实现两路输入子信号cosw1t、cosw2t和两路解调子基准sinw1t、sinw2t的直接合成，其中频率w1和w2与驱动模态谐振频率wd之间差值相等，且该差值需大于检测模态与驱动模态之间谐振频率差，以避免直流调谐信号的饱和；第一加法器，用于将输入子信号cosw1t、cosw2t相加，生成双边输入信号Vi。进一步地，所述第一解调子模块包括数字解调器和数字PI控制子模块；所述数字解调器包括：第一乘法器，用于对模/数转换器输出的数字量与输入子信号cosw1t做乘积运算，生成第一路乘积信号；第二乘法器，用于对模/数转换器输出的数字量与解调子基准sinw1t做乘积运算，生成第二路乘积信号；第三乘法器，用于对模/数转换器输出的数字量与输入子信号cosw2t做乘积运算，生成第三路乘积信号；第四乘法器，用于对模/数转换器输出的数字量与解调子基准sinw2t做乘积运算，生成第四路乘积信号；所述所述第一、二、三、四路乘积信号均为一路包含类直流分量和交流分量的信号；第一IIR滤波器，用于对第一、二、三、四路乘积信号作低通滤波，分别得到第一、二、三、四类直本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置，其特征在于，该装置包括：前端的硅微陀螺仪检测模块、中端的模拟接口模块和后端的FPGA模块，所述硅微陀螺仪检测模块和FPGA模块通过模拟接口模块相连，形成三个闭环控制回路；/n所述硅微陀螺仪检测模块包括：/n一对力反馈电极Ef+和Ef-，将第一数/模转换器或第二数/模转换器生成的模拟电压信号Vo施加于力反馈机构；/n力反馈机构，将模拟电压信号Vo转化为静电力，对检测机构产生激励作用；/n检测机构，将力反馈机构产生的激励作用转换为电容变化量；受到正交校正机构的校正力和频率调谐机构的模拟直流调谐电压的作用，使正交信号和检测模态频率发生变化；/n一对检测输出电极Es+，Es-，检测并输出在力反馈机构作用下检测机构的电容变化量；/n正交校正电极Eq，将第三数/模转换器输出的模拟正交校正电压施加于正交校正机构；/n正交校正机构，将数字正交校正信号Vq转换为硅微陀螺仪检测方向的校正力，作用在检测机构上，用于消除硅微陀螺仪的正交误差；/n频率调谐电极Et，将第四数/模转换器输出的模拟直流调谐电压施加于频率调谐机构；/n频率调谐机构，受频率调谐电极Et产生的模拟直流调谐电压的作用，根据静电负刚度效应，硅微陀螺仪检测方向结构刚度发生变化，改变检测模态谐振频率，完成硅微陀螺仪的模态匹配；/n所述模拟接口模块包括：/nC/V转换器，将一对检测输出电极Es+，Es-输出的电容变化量转换成电压信号；/n仪表放大器，对C/V转换器转换的电压信号幅度进行差分放大得到模拟响应信号Vo，所述模拟响应信号Vo在模态匹配之前包含双边输入信号Vi响应幅度信息，在模态匹配之后，包含哥氏加速度信号和正交误差信号；/n模/数转换器，将仪表放大器差分放大后的模拟响应信号Vo转换为数字量，并输出至FPGA模块；/n第一数/模转换器，将输入子模块生成的数字双边输入信号Vi转换为模拟电压信号后输出至力反馈电极Ef+和Ef-；/n第二数/模转换器，将第一解调子模块解调出的数字检测反馈信号Vf转换为模拟电压信号后输出至力反馈电极Ef+和Ef-；/n第三数/模转换器，将第一解调子模块解调出的数字正交校正信号Vq转换为模拟信号后输出至正交校正电极Eq；/n第四数/模转换器，将第二解调子模块解调出的数字直流调谐信号Vt转换为模拟直流调谐电压后输出至频率调谐电极Et；/n所述FPGA模块包括：/n输入子模块，采用复数相乘算法生成并输出数字双边输入信号Vi和一对解调基准sinw...

【技术特征摘要】
1.一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置，其特征在于，该装置包括：前端的硅微陀螺仪检测模块、中端的模拟接口模块和后端的FPGA模块，所述硅微陀螺仪检测模块和FPGA模块通过模拟接口模块相连，形成三个闭环控制回路；
所述硅微陀螺仪检测模块包括：
一对力反馈电极Ef+和Ef-，将第一数/模转换器或第二数/模转换器生成的模拟电压信号Vo施加于力反馈机构；
力反馈机构，将模拟电压信号Vo转化为静电力，对检测机构产生激励作用；
检测机构，将力反馈机构产生的激励作用转换为电容变化量；受到正交校正机构的校正力和频率调谐机构的模拟直流调谐电压的作用，使正交信号和检测模态频率发生变化；
一对检测输出电极Es+，Es-，检测并输出在力反馈机构作用下检测机构的电容变化量；
正交校正电极Eq，将第三数/模转换器输出的模拟正交校正电压施加于正交校正机构；
正交校正机构，将数字正交校正信号Vq转换为硅微陀螺仪检测方向的校正力，作用在检测机构上，用于消除硅微陀螺仪的正交误差；
频率调谐电极Et，将第四数/模转换器输出的模拟直流调谐电压施加于频率调谐机构；
频率调谐机构，受频率调谐电极Et产生的模拟直流调谐电压的作用，根据静电负刚度效应，硅微陀螺仪检测方向结构刚度发生变化，改变检测模态谐振频率，完成硅微陀螺仪的模态匹配；
所述模拟接口模块包括：
C/V转换器，将一对检测输出电极Es+，Es-输出的电容变化量转换成电压信号；
仪表放大器，对C/V转换器转换的电压信号幅度进行差分放大得到模拟响应信号Vo，所述模拟响应信号Vo在模态匹配之前包含双边输入信号Vi响应幅度信息，在模态匹配之后，包含哥氏加速度信号和正交误差信号；
模/数转换器，将仪表放大器差分放大后的模拟响应信号Vo转换为数字量，并输出至FPGA模块；
第一数/模转换器，将输入子模块生成的数字双边输入信号Vi转换为模拟电压信号后输出至力反馈电极Ef+和Ef-；
第二数/模转换器，将第一解调子模块解调出的数字检测反馈信号Vf转换为模拟电压信号后输出至力反馈电极Ef+和Ef-；
第三数/模转换器，将第一解调子模块解调出的数字正交校正信号Vq转换为模拟信号后输出至正交校正电极Eq；
第四数/模转换器，将第二解调子模块解调出的数字直流调谐信号Vt转换为模拟直流调谐电压后输出至频率调谐电极Et；
所述FPGA模块包括：
输入子模块，采用复数相乘算法生成并输出数字双边输入信号Vi和一对解调基准sinw1t、sinw2t；
第一解调子模块，采用平方解调算法提取模拟响应信号Vo的幅度差，并对幅度差作PI控制得到数字直流调谐信号Vt；
第二解调子模块，在模态匹配完成之后，采用相乘解调算法对模拟响应信号Vo进行解调，生成数字检测反馈信号Vf和数字正交校正信号Vq。


2.根据权利要求1所述的硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置，其特征在于：所述频率调谐机构包括连接至频率调谐电极Et的调谐极板(1)、施以载波信号的公共极板(2)，所述频率调谐电极Et接入数字直流调谐信号Vt经第四数/模转换器转换并输出的模拟信号；所述调谐极板(1)和公共极板(2)之间的静电力在硅微陀螺仪驱动和检测方向上都保持平衡，用于根据直流调谐信号Vt的变化改变硅微陀螺仪检测方向上的刚度(3)，使检测模态谐振频率匹配至驱动模态谐振频率。


3.根据权利要求1所述的硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置，其特征在于：所述正交校正机构包括连接至正交校正电极Eq的校正极板(4)和施以载波信号的公共极板(5)；所述正交校正电极Eq接入数字正交校正信号Vq经第三数/模转换器转换并输出的模拟信号，所述公共极板(5)的梳齿与校正极板(4)的上下间距不等，用于根据直流正交校正信号Vq在检测方向所产生的静电力的不平衡性，生成检测方向的正交校正力(6)，校正检测模态的正交误差。


4.根据权利要求1所述的硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置，其特征在于：所述力反馈机构包括一对与力反馈电极Ef+、Ef-分别相连的力反馈极板(7，8)和施以载波信号的活动极板(9)；所述力反馈电极Ef+、Ef-接入数字双边输入信号Vi或数字检测反馈信号Vf经第一数/模转换器转换并输出的模拟信号；所述第一数/模转换器输出的模拟信号经力反馈极板(7，8)转换而产生静电力，推或者拉活动极板(9)沿检测方向产生位移，作用至检测机构上。


5.根据权利要求1所述的硅MEMS陀...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨波，李成，郭鑫，梁卓玥，张婷，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32