一种微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统和方法，包含位移检测模块、相位偏移模块、幅度控制模块以及驱动模块。其中，检测模块通过载波调制和解调的方式对代表微机械陀螺谐振位移信号进行降噪处理，经过带通滤波器处理得到等效振动位移的正弦电压信号；相位偏移模块将正弦电压信号转为定幅方波电压信号，同时提取谐振频率和幅度，并将方波电压信号进行相移；幅度控制模块通过自动增益控制方法将谐振幅度控制在参考幅度上，生成目标方波电压信号；驱动模块通过一个推挽电路将目标方波信号施加在陀螺的驱动电极上，实现陀螺的闭环控制。本发明专利技术原理简单，实现方便，能应用于各类非线性情况下的陀螺以及其他谐振器高精度控制。

【技术实现步骤摘要】
一种微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统和方法
本专利技术涉及微机械陀螺仪领域，尤其涉及一种微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统和方法。
技术介绍
微机械陀螺是一种用于测量角速度的传感器，由于其体积小、重量轻、低功耗、低成本、易于集成等优点，被广泛用于消费电子、工业、航空航天和军事等领域。在一定范围内，提高陀螺谐振位移幅值可以提高陀螺信号的灵敏度和信噪比，从而实现陀螺的性能提高。随着陀螺谐振位移幅值的增大，由机械和静电产生的非线性刚度越加突出。在非线性情况下，陀螺的幅频特性、相频特性存在一个非稳态区域，导致陀螺稳定工作难以实现。在非线性情况下，幅值与相位、频率与相位关系都呈现为单值函数关系，且频率-相位曲线存在两个斜率为零的点，因此陀螺具备在非线性状态下稳定工作的潜力。为实现微机械陀螺在大振幅条件下的稳定工作，需要对陀螺工作的相位和幅度进行稳定控制。陀螺的相位控制方法一般有两类：第一类为锁相环(PLL,PhaseLockedLoop)，第二类为自激驱动。锁相环的相位控制通过比较陀螺工作相位信号与参考相位得到相位误差信号，再反馈给比例、积分、微分控制器处理，实时调整驱动力信号的频率，使陀螺工作相位信号等于参考相位，从而实现频率跟踪；自激驱动基于环路内部相移之和为2π的整数倍的原理，通过增加移相环节来对陀螺工作相位进行控制。现有报道中采用的锁相环在非线性较为突出的情况下陀螺相位控制能力有限，而且与幅值增益控制(AGC,AmplitudeGainControl)配合使用时，两者解耦困难，难以满足非线性条件下微机械陀螺中的应用需求。因此本专利技术采用基于自激驱动的非线性相位控制方法。现有报道中的基于自激驱动的相位控制方法中，相位控制功能采用模拟电路方式实现，灵活度有限，难以实时提取谐振频率和幅度，集成程度较低，难以满足在各类非线性微机械陀螺或谐振器结构中的应用。因此，在实际应用中，如何更为灵活的实现非线性情况下对相位进行稳定控制，是微机械陀螺领域目前尚未解决的问题。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了面向一种微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统和方法，该方法基于FPGA数字控制电路实现在非线性情况下的幅度和相位控制，提高微机械陀螺的精度与稳定性。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术的其中一个目的在于提供一种微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统，包括：位移检测模块，其包括检测电极、电容/电压转换模块、调制模块、解调模块和带通滤波器；所述的调制模块用于对微机械陀螺中电容变化信号的频率进行载波调制；所述的检测电极用于检测由陀螺谐振位移产生的电容变化信号；所述的电容/电压转换模块用于将电容变化信号转化为电压检测信号；所述的解调模块用于对载波调制后得到的电压检测信号进行解调；所述的带通滤波器用于滤除电压检测信号中的噪声，输出包含谐振位移信息的电压信号；相位偏移模块，其包括比较器和移相器；所述的比较器用于将包含谐振位移信息的电压信号转化为定幅的方波电压信号，并提取信号的谐振频率和谐振幅度，经幅度调整后输出目标方波电压信号；所述的移相器用于根据信号的谐振频率以及预设的参考相位进行延时，将所述目标方波电压信号进行相移；幅度控制模块，其用于将所述比较器提取到的谐振幅度与预设的参考幅度进行比较，得到偏差量；再经过比例、积分和微分计算得到方波电压信号的幅度修正值，生成目标方波电压信号；驱动模块，其包括DA转换器和推挽电路；所述的DA转换器用于将移相后的目标方波信号由数字形式转换为模拟信号形式；所述的推挽电路用于根据模拟信号产生差分驱动电压信号，施加在微机械陀螺的驱动电极上，实现陀螺自激环路的闭环控制。本专利技术的另一个目的在于提供一种采用上述系统的自激驱动的非线性控制方法，包括如下步骤：1)微机械陀螺初始化；2)开始闭环检测，设定参考相位和参考幅度；3)在FPGA中产生一个载波信号并通过DA转换器和放大电路施加在微机械陀螺的质量块上，对微机械陀螺振动位移产生的电容变化信号进行载波调制，经过电容/电压转换模块得到数字电压信号；在FPGA中对数字电压信号进行解调和带通滤波处理，滤除电压信号中的噪声，得到包含谐振位移信息的数字电压信号；4)采用比较器，将包含谐振位移信息的数字电压信号转化为定幅的方波电压信号，并实时提取信号的谐振频率和谐振幅度，所述的谐振频率以正/负半周期计数、升/降半周期计数两种方式实时提取和校正；5)将所述比较器提取到的谐振幅度与预设的参考幅度进行比较，得到偏差量；再经过比例、积分和微分计算得到方波电压信号的幅度修正值，生成目标方波电压信号；6)通过移相器根据信号的谐振频率以及预设的参考相位进行延时，将所述目标方波电压信号进行相移；7)将移相后的目标方波信号由数字形式转换为模拟信号形式，通过推挽电路产生差分驱动电压信号，施加在微机械陀螺的驱动电极上，实现陀螺自激环路的闭环控制；8)闭环稳定工作，目标方波信号的相位和幅值趋于稳定，并能够在外界环境扰动下维持恒定相位、恒定幅值的自激谐振状态。本专利技术与现有技术相比具有的有益效果是：1)本专利技术的相位偏移模块和幅度控制模块均基于FPGA的数字方式实现，相较现有报道中的模拟实现方式集成程度更高，使用范围更广泛；实现方式简单，灵活程度高，修改成本低；控制精度高，温度特性更好，抗噪能力强。2)本专利技术的相位偏移模块中的比较器可以两种方式(正/负半周期计数、升/降半周期计数)完成信号频率的实时提取并相互纠错，且可以同时完成信号幅值的提取，并确保频率提取结果的准确性。3)本专利技术的工作相位控制方法为非线性影响下实时、可控的，可使微机械陀螺工作在相位可调模式；在非线性影响下的相位控制过程中，预设的参考相位通过移相器延迟时间的方式完成目标信号的相移操作，以此等效改变陀螺工作相位，整个调节过程方便可控。4)本专利技术基于自激驱动原理，相比锁相环在非线性影响的情况下拥有更好的相位控制能力。本专利技术采用方波驱动，可将包含谐振位移信息的电压信号转为实时输入幅值的方波电压信号，稳定性高，抗噪能力好。同时该幅值可以通过AGC环路进行控制，而且幅度和相位控制环路两者互相解耦，提高了相位和幅度的控制精度。附图说明图1是本专利技术中微机械陀螺的闭环控制框图；图2是本专利技术中微机械陀螺自激驱动非线性控制方法的仿真结果图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的描述。如图1所示，以微机械环式陀螺为例，本专利技术的微机械环式陀螺包含：(1)位移检测模块，包括检测电极、电容/电压转换模块、调制模块、解调模块、带通滤波器；其中，检测电极用于检测由陀螺谐振位移产生的电容变化信号；电容/电压转换模块用于将电容变化信号转化为电压检测信号；调制模块用于对信号进行调制，将电容变化信号调制一个较高的频率上；解调模块是对载波调制信号进行还原；带通滤波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统，其特征在于，包括：/n位移检测模块，其包括检测电极、电容/电压转换模块、调制模块、解调模块和带通滤波器；/n所述的调制模块用于对微机械陀螺中电容变化信号的频率进行载波调制；所述的检测电极用于检测由陀螺谐振位移产生的电容变化信号；所述的电容/电压转换模块用于将电容变化信号转化为电压检测信号；所述的解调模块用于对载波调制后得到的电压检测信号进行解调；所述的带通滤波器用于滤除电压检测信号中的噪声，输出包含谐振位移信息的电压信号；/n相位偏移模块，其包括比较器和移相器；/n所述的比较器用于将包含谐振位移信息的电压信号转化为定幅的方波电压信号，并提取信号的谐振频率和谐振幅度，经幅度调整后输出目标方波电压信号；所述的移相器用于根据信号的谐振频率以及预设的参考相位进行延时，将所述目标方波电压信号进行相移；/n幅度控制模块，其用于将所述比较器提取到的谐振幅度与预设的参考幅度进行比较，得到偏差量；再经过比例、积分和微分计算得到方波电压信号的幅度修正值，生成目标方波电压信号；/n驱动模块，其包括DA转换器和推挽电路；/n所述的DA转换器用于将移相后的目标方波信号由数字形式转换为模拟信号形式；所述的推挽电路用于根据模拟信号产生差分驱动电压信号，施加在微机械陀螺的驱动电极上，实现陀螺自激环路的闭环控制。/n...

【技术特征摘要】
1.一种微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统，其特征在于，包括：
位移检测模块，其包括检测电极、电容/电压转换模块、调制模块、解调模块和带通滤波器；
所述的调制模块用于对微机械陀螺中电容变化信号的频率进行载波调制；所述的检测电极用于检测由陀螺谐振位移产生的电容变化信号；所述的电容/电压转换模块用于将电容变化信号转化为电压检测信号；所述的解调模块用于对载波调制后得到的电压检测信号进行解调；所述的带通滤波器用于滤除电压检测信号中的噪声，输出包含谐振位移信息的电压信号；
相位偏移模块，其包括比较器和移相器；
所述的比较器用于将包含谐振位移信息的电压信号转化为定幅的方波电压信号，并提取信号的谐振频率和谐振幅度，经幅度调整后输出目标方波电压信号；所述的移相器用于根据信号的谐振频率以及预设的参考相位进行延时，将所述目标方波电压信号进行相移；
幅度控制模块，其用于将所述比较器提取到的谐振幅度与预设的参考幅度进行比较，得到偏差量；再经过比例、积分和微分计算得到方波电压信号的幅度修正值，生成目标方波电压信号；
驱动模块，其包括DA转换器和推挽电路；
所述的DA转换器用于将移相后的目标方波信号由数字形式转换为模拟信号形式；所述的推挽电路用于根据模拟信号产生差分驱动电压信号，施加在微机械陀螺的驱动电极上，实现陀螺自激环路的闭环控制。


2.如权利要求1所述的微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统，其特征在于，所述的位移检测模块中的带通滤波器采用IIR低通滤波器与IIR高通滤波器级联的结构。


3.如权利要求1所述的微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统，其特征在于，所述的相位偏移模块中包含两个比较器：
比较器一：在位移等效电压输入为正值时，其输出为预设的正幅值，在位移等效电压输入为负值时，其输出为预设的负幅值，将包含谐振位移信息的电压信号转为定幅的方波电压信号，该方法为正/负半周期计数方式；
比较器二：在速度等效电压输入为正值时，其输出为预设的正幅值，在速度等效电压为负值时，其输出为预设的负幅值，将包含谐振位移信息的电压信号转为定幅的方波电压信号，该方法为升/降半周期计数方式。


4.如权利要求3所述的微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统，其特征在于，所述的相位偏移模块中...

【专利技术属性】
技术研发人员：张琰珺，马志鹏，金仲和，郑旭东，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33