一种高动态输入的MEMS陀螺带宽扩展闭环控制方法技术

本发明专利技术公开了一种针对高动态输入的MEMS环形谐振陀螺带宽扩展闭环控制方法，属于微机电系统设计领域。该方法过程为：陀螺表头由位移导致的电容量变化经C/V转换后，分别进入带通滤波器2和带阻滤波器，分离出正交信号和同相信号后，正交信号依次经微分器1、高通滤波器1、带通滤波器1以及增益1得到正交反馈电信号，同相信号依次经微分器2、高通滤波器2、带通滤波器3以及增益2得到同相反馈电信号，两路反馈电信号经求和后，经V/F转换后反馈至陀螺表头的敏感模态。该方法极大抑制正交误差和同相误差，同时扩宽陀螺带宽，显著增加了陀螺角速度动态输入范围。此外，双闭环控制电路无需调制解调模块，避免了解调模块存在的相位噪声恶化角速度输出精度。下面结合图和实例对本发明专利技术进一步说明。

A bandwidth extended closed-loop control method for MEMS gyroscope with high dynamic input

【技术实现步骤摘要】
一种高动态输入的MEMS陀螺带宽扩展闭环控制方法
本专利技术涉及一种针对高动态输入的MEMS环形谐振陀螺带宽扩展闭环控制方法，属于微机电系统设计领域。
技术介绍
陀螺仪是一种用来测量物体旋转角速率的惯性器件，由于其低成本、低功耗等优点被广泛运用于汽车工业、消费电子、导航系统等领域。MEMS环形谐振陀螺由于其高测量精度、超强的稳定性、良好的温度特性以及抗冲击性，近期成为该领域研究热点。然而，该陀螺结构在高品质因数作用下固有模态频差小导致其在开环工作模式时响应带宽极窄，从而显著制约其使用范围。因此，扩宽该陀螺工作带宽、增大其测量范围是该
的重要研究内容。文献“Amode-matchedforce-rebalancecontrolforaMEMSvibratorygyroscope”描述了经典的双闭环控制方法，同时抑制了正交误差和同相误差，该方法有效地提高了陀螺的工作带宽，增大了陀螺的测量范围；然而，双闭环控制回路中存在多个调制解调模块，电路复杂度显著增加，同时，解调信号相位噪声显著影响角速度输出精度；进一步，文献“Anovelnarrow-bandforcerebalancecontrolmethodforthesensemodeofMEMSvibratorygyroscopes”提出了一种改进的单闭环力反馈控制方案，该方案利用窄带带通滤波器作为闭环控制器，正交误差和同相误差之和作为被控制信号，通过单闭环控制回路显著抑制两误差之和，从而使陀螺的信噪比升高，带宽得以扩展；然而，当高动态角速度作用时，正交误差与角速度调制的同相误差之间的频率差显著增大，当该频率差大于带通滤波器的带宽时，带通滤波器对两路误差信号幅值的抑制能力显著变化，这导致正交误差残余项很难被有效抑制，从而使陀螺的信噪比显著降低。因此，为了抑制高动态输入下的正交误差以及同相误差，扩展陀螺工作带宽，增大其测量范围，同时避免解调模块存在的相位噪声恶化角速度输出精度，本文提出一种适用于高动态输入的MEMS环形谐振陀螺带宽扩展闭环控制方法。
技术实现思路
本专利技术提出一种适用于高动态输入的MEMS环形谐振陀螺带宽扩展闭环控制方法。该方法使用带通滤波器和带阻滤波器分离正交误差与高动态角速度调制的同相误差，然后通过双闭环控制电路分别抑制两误差项。其中，正交误差为窄带信号，利用正交误差闭环控制电路实现有效抑制，而高动态角速度调制的同相误差为频差较大的双边调制信号，利用同相误差闭环控制电路实现有效抑制。正交误差闭环控制电路包括带通滤波器2、微分器1、高通滤波器1、带通滤波器1以及增益1。同相误差闭环控制回路包括带阻滤波器、微分器2、高通滤波器2、带通滤波器3以及增益2。其中，带通滤波器2和带阻滤波器的作用分别是分离正交误差与同相误差；微分器1和微分器2完成位移信号至速度信号的转换，同时增加系统阻尼从而使陀螺带宽得以扩展；高通滤波器1和高通滤波器2滤除由各自前端电路产生的低频噪声；带通滤波器1和带通滤波器3作为所在环路中的闭环控制器，使陀螺在工作频带内的响应更加平稳，增益1和增益2的作用是调节各自环路增益。此外，该双闭环控制电路中还包括C/V转换与V/F转换，其作用分别是读取电容信号和完成电信号至静电力的转换。控制回路无需调制解调模块，因此避免了解调信号的相位噪声恶化角速度输出精度。该方法有效地扩宽了陀螺的工作带宽，显著增大了陀螺的动态范围。本专利技术提出的高动态输入的MEMS环形谐振陀螺带宽扩展闭环控制方法原理是：参考图1。本专利技术提出的高动态输入的MEMS环形谐振陀螺带宽扩展闭环控制方法实现过程为：陀螺表头的敏感模态同时受到科氏力和正交力的作用，由位移导致的电容量变化经C/V转换后，分别进入带通滤波器2和带阻滤波器，所述带阻滤波器的阻带为所述带通滤波器2的通带，敏感模态的固有频率位于所述带通滤波器2的通频段内；带通滤波器2和带阻滤波器分离出正交信号和同相信号后，正交信号依次经微分器1、高通滤波器1、带通滤波器1以及增益1得到正交反馈电信号，同相信号依次经微分器2、高通滤波器2、带通滤波器3以及增益2得到同相反馈电信号，两路反馈电信号经求和后，经V/F转换后反馈至陀螺表头的敏感模态。工作原理分析：环形谐振陀螺在闭环驱动电路的控制下稳幅振动。由于科氏效应，陀螺敏感模态将受到科氏力的作用，此外，由于陀螺的加工工艺存在不可避免的加工误差，导致环形陀螺质量和刚度分布不完全对称，因此，除了科氏力的作用，陀螺的敏感模态还受到由驱动位移直接耦合的力，该力与科氏力成90°相位关系，被称为正交力。在科氏力和正交力的共同作用下，陀螺敏感模态将会同时产生由科氏力引起的同相响应和由正交力引起的正交响应。当陀螺有高动态角速度作用时，同相信号与正交信号之间的频率差显著增大，由于正交信号为窄带信号而同相信号为频差较大的双边调制信号，因此，通过带通滤波器2和带阻滤波器可以有效地分离正交信号和同相信号；微分器1和微分器2分别使分离得到的两项位移信号转换为相应的速度信号，同时增加了闭环系统的阻尼；速度信号再经过高通滤波器滤除由前级速度检测环节产生的低频噪声，滤波后的信号经过带通滤波器1和带通滤波器3后，得到反馈信号，其中，带通滤波器1和带通滤波器3作为各自环路的闭环控制器，通过调节其通频带范围使陀螺响应更加平稳；随后，双路反馈信号经过不同的增益放大后转换为敏感模态反馈力，作用于陀螺敏感模态从而抑制陀螺敏感模态位移。同时，同相反馈信号经过解调后，得到了包含角速度信息的电压信号，再通过低通滤波器得到输入角速度信号。本专利技术的有益效果是：通过带通滤波器和带阻滤波器分离正交信号与高频角速度调制的同相信号，然后通过双闭环控制电路，极大抑制正交误差和同相误差，同时扩宽陀螺带宽，显著增加了陀螺角速度动态输入范围。此外，双闭环控制电路无需调制解调模块，避免了解调模块存在的相位噪声恶化角速度输出精度。下面结合图和实例对本专利技术进一步说明。附图说明图1是实施例中高动态输入的MEMS环形谐振陀螺敏感模态带宽扩展闭环控制方法的原理图。图2是实施例中系统频率响应图具体实施方式本实施例中给出了一种高动态输入的MEMS环形谐振陀螺带宽扩展闭环控制方法，该实施例中的原理为：首先，陀螺在驱动闭环电路的控制下稳幅振荡，当有高动态角速度作用时，科氏效应产生的科氏力大小为2Ωcos(ωΩt)mωdXcos(ωdt)，其中X为驱动模态振幅，ωd为驱动模态谐振频率，Ω为输入角速度大小，ωΩ为角速度的频率，同时，由于刚度交叉耦合导致的正交力大小为2ΩqmωdXsin(ωdt)，Ωq为正交等效角速度大小。假设驱动模态振幅为0.5μm，驱动模态谐振频率ωd为3534·2πrad/s，敏感模态谐振频率ωs为3550·2πrad/s，输入角速度大小Ω为2rad/s，角速度频率ωΩ为300·2πrad/s，等效正交角速度大小Ωq为1rad/s。陀螺敏感模态传递函数可以写成其中ms为敏感模态的等效质量；Qs为敏感模态的品质因数。当陀螺稳幅振荡时，正交力作用于陀螺敏感模态，相应的位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高动态输入的MEMS陀螺带宽扩展闭环控制方法，其特征在于过程如下：陀螺表头的敏感模态同时受到科氏力和正交力的作用，由位移导致的电容量变化经C/V转换后，分别进入带通滤波器2和带阻滤波器，所述带阻滤波器的阻带为所述带通滤波器2的通带，敏感模态的固有频率位于所述带通滤波器2的通频段内；带通滤波器2和带阻滤波器分离出正交信号和同相信号后，正交信号依次经微分器1、高通滤波器1、带通滤波器1以及增益1得到正交反馈电信号，同相信号依次经微分器2、高通滤波器2、带通滤波器3以及增益2得到同相反馈电信号，两路反馈电信号经求和后，经V/F转换后反馈至陀螺表头的敏感模态。/n

【技术特征摘要】
1.一种高动态输入的MEMS陀螺带宽扩展闭环控制方法，其特征在于过程如下：陀螺表头的敏感模态同时受到科氏力和正交力的作用，由位移导致的电容量变化经C/V转换后，分别进入带通滤波器2和带阻滤波器，所述带阻滤波器的阻带为所述带通滤波器2的通带，敏感模态的固有频率位于所述带通滤波器2的通...

【专利技术属性】
技术研发人员：申强，王修谱，武亦轩，谢建兵，
申请(专利权)人：西北工业大学，西北工业大学太仓长三角研究院，
类型：发明
国别省市：陕西;61