一种微机电陀螺的全角模式电路增益误差自补偿系统技术方案

本发明专利技术公开了一种微机电陀螺的全角模式电路增益误差自补偿系统，陀螺前置放大电路、ADC模块、增益补偿模块、解调模块、参数计算模块、PI控制器模块、坐标转换模块、补偿系数计算模块、调制模块、DAC模块；前置放大电路模块与微机电多环陀螺的检测电极相连；所述ADC模块与前置放大电路相连；增益补偿模块与ADC模块相连；解调模块与增益补偿模块相连；PI控制器模块与参数计算模块相连；所述补偿系数计算模块与PI控制器模块相连；坐标转换模块与PI控制器模块相连；所述调制模块与坐标转换模块相连；DAC模块与调制模块相连；数字控制振荡器模块与PI控制器相连；本发明专利技术可以实现微机电陀螺的全角模式时的实时电路增益误差自补偿。

【技术实现步骤摘要】
一种微机电陀螺的全角模式电路增益误差自补偿系统
本专利技术属于微机电系统领域，特别是一种微机电陀螺的全角模式电路增益误差自补偿系统。
技术介绍
微机电(MEMS)陀螺作为新型陀螺的一种，采用单晶硅作为主体加工材料，因其采用成熟的MEMS技术加工，相较于传统的机械结构陀螺，具有能量耗散小，机械灵敏度高、质量集中、机械噪声小等等优点。因其具有上述优点，微机电(MEMS)陀螺在陀螺领域中占据重要地位。在实际应用中，微机电(MEMS)陀螺可以在全角模式下工作，全角测控电路系统结构虽然复杂，但是可以直接输出陀螺的旋转角度。但是在大多数应用情况下，微机电陀螺的两个模态的Q值(质量因数)不同，因此x，y轴的实际增益也不同，同时由于全角模式中两路电路存在增益误差，上述两种增益误差统合为电路增益误差。全角模式的角度解算会引入该误差，导致角度输出的残差变大，降低了角度检测精度和准确性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种微机电陀螺的全角模式电路增益误差自补偿系统，以实现对微机电陀螺的全角电路中的电路增益误差进行自动补偿。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种微机电陀螺的全角模式电路增益误差自补偿系统，包括前置放大电路模块、ADC模块、增益补偿模块、解调模块、参数计算模块、PI控制器模块、补偿系数计算模块、坐标转换模块、调制模块、DAC模块、数字控制振荡器模块；所述前置放大电路模块与微机电多环陀螺的驱动电极和检测电极相连，用于将微机电多环陀螺的差分检测电极输出的检测信号放大；所述ADC模块用于将前置放大电路输出的模拟信号转换为数字信号；所述增益补偿模块将ADC模块输出的数字信号分别乘以第一增益补偿系数和第二增益补偿系数，实现电路增益误差补偿；所述解调模块用于将数字信号中存在的相位正交和同相的信号解调出来，并输出四路信号；所述参数计算器模块用于对解调出来的信号进行经过逻辑运算，以得到微机电多环陀螺的总能量变化、正交误差能量变化、振动信号的相位误差和陀螺的旋转角度；所述PI控制器模块使所得到的变化信号保持稳定，输出稳定的能量控制信号、正交能量控制信号和相位误差控制信号；所述坐标转换模块用于将PI控制器模块输出的总能量控制信号和正交能量控制信号按照陀螺旋转角度分配到四路输出；所述调制模块用于将坐标转换模块的四路输出信号调制到数字控制振荡器模块产生的载波信号上，相加得到两路输出；所述DAC模块用于将调制模块输出的两路数字信号转换为模拟信号；模拟信号经过前置放大电路的电压缓冲电路输入到微机电多环陀螺的驱动电极上；所述补偿系数计算模块用于记录陀螺旋转0度和90度的Eout信号，计算第一增益补偿系数和第二增益补偿系数，将系数送入增益补偿模块中；所述数字控制振荡器模块受到相位误差控制信号的控制产生用于调制解调的两路相位正交的参考正弦信号，参考正弦信号的频率和相位跟踪微机电多环陀螺谐振子的振动信号的频率和相位。本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：(1)本专利技术中通过记录陀螺旋转0度和90度的Eout信号，计算出当前所需的增益误差补偿系数，实现了自动的增益补偿，提高了整个全角模式电路的角度检测精度和控制精度。(2)本专利技术可以直接输出检测角度，与其他微机电多环陀螺的速率检测电路相比，少了一级时间积分，所以对角度的检测精度比较高，响应速度较快。(3)本专利技术相较于普通的全角增益补偿电路，其增益系数是实时计算的，在温度、压力等环境因素变化的情况下，仍能很好的实现电路增益误差补偿，具有广泛的环境适应性和可靠性。附图说明图1为本专利技术的微机电陀螺的全角模式电路增益误差自补偿方法。具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步的介绍。所述系统适用的微机电陀螺拥有两个电极轴，即x轴和y轴，x轴包含1个驱动电极DB，2个差分检测电极(SB-、SB+)；y轴包含1个驱动电极DA，2个差分检测电极(SA-、SA+)。由于微机电多环陀螺存在因加工工艺误差造成的结构不对称性以及阻尼以及刚度的不对称性，因而微机电多环陀螺的旋转角度θ，是由实际旋转角度和时间延迟造成的衰减时间常数不匹配的误差和两个电极轴频差Δω，以及实际环路中存在的相位失配误差等因素综合作用的结果。本专利技术的一种微机电多环陀螺的全角测控电路方法，包括前置放大电路模块1、ADC模块2、增益补偿模块3、解调模块4、参数计算模块5、PI控制器模块6、补偿系数计算模块7、坐标转换模块8、数字控制振荡器模块9、调制模块10、DAC模块11；所述前置放大电路模块1与微机电陀螺的驱动电极和检测电极相连，用于将微机电多环陀螺的差分检测电极(SA-、SA+)和(SB-、SB+)输出的检测信号放大；前置放大电路1为电荷检测电路，可以检测出微机电多环陀螺内因内部谐振子的振动而引起的电极电荷变化。所述ADC模块2与前置放大电路1相连，所述ADC模块2用于将前置放大电路输出的模拟信号转换为数字信号。ADC模块2采用AD公司的商用ADC芯片AD7903。所述ADC模块2转换后的数字信号包含微机电多环陀螺内部谐振子的振动信号的幅度与相位信号。当微机电陀螺工作时，运动方程如下所示：x为微机电多环陀螺0°电极轴的振动位移，θ为陀螺旋转角度，ω1为0°电极轴的谐振频率，y为45°电极轴的振动位移，ω2为45°电极轴的谐振频率。a为微机电多环陀螺的谐振子驻波波腹点振幅，q为波节点振幅。在模态匹配情况下，ω1＝ω2＝ω，即两个电极轴频差Δω＝0，ω为模态匹配后电极轴的谐振频率。t为陀螺旋转时间，为振动信号的相位。实际电路中，由于微机电陀螺x，y轴Q值的不同和放大电路中的增益误差造成电路增益误差。实际ADC模块输出的信号为：x'＝x*gainxy′＝y*gainygainx为x轴的电路增益，gainy为y轴的电路增益。x′为考虑实际增益后的微机电多环陀螺x轴的振动位移，y′为考虑实际增益后的微机电多环陀螺y轴的振动位移。所述增益补偿模块3与ADC模块2相连，所述增益补偿模块用于补偿电路增益误差。增益补偿模块3将ADC模块2中的第一路信号乘以增益补偿系数k1，ADC模块2中的第二路信号乘以增益补偿系数k2，通过改变系数来补偿电路增益误差。电路增益误差补偿后的信号如下。x″＝x′*k1y″＝y′*k2x″为增益补偿后的微机电多环陀螺x轴的振动位移，y″为增益补偿后的微机电多环陀螺y轴的振动位移。所述解调模块4与增益补偿模块3相连，所述解调模块4用于将数字信号中存在的相位正交和同相的信号解调出来。解调模块4输出四路信号cx、sx、cy、sy。信号cx、sx分别代表谐振子x轴振动信号的同相和正交部分；信号cy、sy分别代表谐振子y轴振动信号的同相和正交部分。cx＝LPF(x″*cos(ωt+φ))sx＝LPF(x″*sin(ωt+φ))c本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微机电陀螺的全角模式电路增益误差自补偿系统，其特征在于，包括前置放大电路模块、ADC模块、增益补偿模块、解调模块、参数计算模块、PI控制器模块、补偿系数计算模块、坐标转换模块、调制模块、DAC模块、数字控制振荡器模块；/n所述前置放大电路模块与微机电多环陀螺的驱动电极和检测电极相连，用于将微机电多环陀螺的差分检测电极输出的检测信号放大；/n所述ADC模块用于将前置放大电路输出的模拟信号转换为数字信号；/n所述增益补偿模块将ADC模块输出的数字信号分别乘以第一增益补偿系数和第二增益补偿系数，实现电路增益误差补偿；/n所述解调模块用于将数字信号中存在的相位正交和同相的信号解调出来，并输出四路信号；/n所述参数计算器模块用于对解调出来的信号进行经过逻辑运算，以得到微机电多环陀螺的总能量变化、正交误差能量变化、振动信号的相位误差和陀螺的旋转角度；/n所述PI控制器模块使所得到的变化信号保持稳定，输出稳定的能量控制信号、正交能量控制信号和相位误差控制信号；/n所述坐标转换模块用于将PI控制器模块输出的总能量控制信号和正交能量控制信号按照陀螺旋转角度分配到四路输出；/n所述调制模块用于将坐标转换模块的四路输出信号调制到数字控制振荡器模块产生的载波信号上，相加得到两路输出；/n所述DAC模块用于将调制模块输出的两路数字信号转换为模拟信号；模拟信号经过前置放大电路的电压缓冲电路输入到微机电多环陀螺的驱动电极上；/n所述补偿系数计算模块用于记录陀螺旋转0度和90度的Eout信号，计算第一增益补偿系数和第二增益补偿系数，将系数送入增益补偿模块中；/n所述数字控制振荡器模块受到相位误差控制信号的控制产生用于调制解调的两路相位正交的参考正弦信号，参考正弦信号的频率和相位跟踪微机电多环陀螺谐振子的振动信号的频率和相位。/n...

【技术特征摘要】
1.一种微机电陀螺的全角模式电路增益误差自补偿系统，其特征在于，包括前置放大电路模块、ADC模块、增益补偿模块、解调模块、参数计算模块、PI控制器模块、补偿系数计算模块、坐标转换模块、调制模块、DAC模块、数字控制振荡器模块；
所述前置放大电路模块与微机电多环陀螺的驱动电极和检测电极相连，用于将微机电多环陀螺的差分检测电极输出的检测信号放大；
所述ADC模块用于将前置放大电路输出的模拟信号转换为数字信号；
所述增益补偿模块将ADC模块输出的数字信号分别乘以第一增益补偿系数和第二增益补偿系数，实现电路增益误差补偿；
所述解调模块用于将数字信号中存在的相位正交和同相的信号解调出来，并输出四路信号；
所述参数计算器模块用于对解调出来的信号进行经过逻辑运算，以得到微机电多环陀螺的总能量变化、正交误差能量变化、振动信号的相位误差和陀螺的旋转角度；
所述PI控制器模块使所得到的变化信号保持稳定，输出稳定的能量控制信号、正交能量控制信号和相位误差控制信号；
所述坐标转换模块用于将PI控制器模块输出的总能量控制信号和正交能量控制信号按照陀螺旋转角度分配到四路输出；
所述调制模块用于将坐标转换模块的四路输出信号调制到数字控制振荡器模块产生的载波信号上，相加得到两路输出；
所述DAC模块用于将调制模块输出的两路数字信号转换为模拟信号；模拟信号经过前置放大电路的电压缓冲电路输入到微机电多环陀螺的驱动电极上；
所述补偿系数计算模块用于记录陀螺旋转0度和90度的Eout信号，计算第一增益补偿系数和第二增益补偿系数，将系数送入增益补偿模块中；
所述数字控制振荡器模块受到相位误差控制信号的控制产生用于调制解调的两路相位正交的参考正弦信号，参考正弦信号的频率和相位跟踪微机电多环陀螺谐振子的振动信号的频率和相位。


2.根据权利要求1所述的微机电陀螺的全角模式电路增益误差自补偿系统，其特征在于，所述增益补偿模块补偿后的信号如下：
x"＝x'*k1
y"＝y'*k2
其中x"为增益补偿后的微机电多环陀螺x轴的振动位移，y"为增益补偿后的微机电多环陀螺y轴的振动位移，x'为考虑实际增益后的微机电多环陀螺x轴的振动位移，y'为考虑实际增益后的微机电多环陀螺y轴的振动位移，k1为ADC模块中的第一路信号乘以的第一增益补偿系数，k2为ADC模块中的第二路信号乘以的第一增益补偿系数。


3.根据权利要求1所述的微机电陀螺的全角模式电路增益误差自补偿系统，其特征在于，解调模块输出信号cx、sx、cy、sy为：
cx＝LPF(x"*cos(ωt+φ))
sx＝LPF(x"*sin(ωt+φ))
cy＝LPF(y"*cos(ωt+φ))
sy＝LPF(y"*sin(ωt+φ))
信号cx、sx分别代表谐振子0°电极轴振动信号的同相和正交部分；信号cy、sy分别代表谐振子45°电极轴振动信号的同相和正交部分；cos(ωt+φ)为用于解调的同相参考信号，sin(ωt+φ)为正交...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊琦，周怡，苏岩，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32