一种基于正交解调的微机械陀螺耦合误差系数实时辨识方法技术

本发明专利技术公开了一种基于正交解调的微机械陀螺耦合误差系数实时辨识方法，包括：基于PLL、AGC与力平衡实现微机械陀螺的闭环控制；基于正交解调获取谐振式微机械陀螺振动信号的幅值、相位信息；基于转台正反转检测法获得驱动模态与检测模态的IQ分离相位；基于转台进行陀螺标定获取标度因数；根据IQ分离相位及其他选定相位下正交解调的结果联立方程得到耦合误差系数。本申请能够在陀螺工作状态下实时获取陀螺耦合误差系数的信息，对于研究陀螺实时误差补偿，零偏、标度因数的温度特性具有重要意义。要意义。要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种基于正交解调的微机械陀螺耦合误差系数实时辨识方法


[0001]本专利技术涉及微机械陀螺，尤其涉及一种基于正交解调的微机械陀螺耦合误差系数实时辨识方法。

技术介绍

[0002]微机械陀螺又称MEMS陀螺，是基于MEMS技术，用于测量惯性空间内系统旋转角速度和角度的一类传感器，以体积小、价格低、功耗小、可靠稳定、可批量生产等优点，在工业控制、航空航天、消费电子等领域获得了广泛的应用。
[0003]微机械陀螺利用科里奥利力将系统角速度转换为位移再通过电容、压电等检测手段检测出来，包括驱动模态与检测模态。由于工艺误差、残余应力、温度等非理想因素的存在，实际陀螺中两个模态的刚度、阻尼、加力是相互耦合的，具体表现为陀螺动力学方程中的刚度耦合系数、阻尼耦合系数以及力耦合系数，对陀螺零偏、标度因数等性能造成严重影响。因此，对这三类耦合误差系数进行测量对研究微机械陀螺零偏稳定性影响因素，提高陀螺性能具有重要的意义。
[0004]目前存在的耦合误差系数测量方法不具实时性，受陀螺使用过程中应力、温度的影响而漂移，因此耦合误差系数的实时辨识对陀螺输出的实时纠正，提高陀螺的稳定性具有重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服原有技术的不足，在开环检测下，利用驱动模态与检测模态的正交解调，提供一种基于正交解调的微机械陀螺耦合误差系数实时辨识方法。包括以下步骤：
[0006]1)根据微机械陀螺性能参数驱动陀螺，实现微机械陀螺的闭环控制，根据陀螺工作需要使陀螺进入检测开环工作状态或检测力平衡闭环工作状态；
[0007]2)对于陀螺驱动模态与检测模态输出的带载波的振动位移信号，使用正交解调获取幅值、相位信息；
[0008]3)将陀螺置于转台，给定正向角速度，分别记录此时驱动模态与检测模态的I路、Q路角速度响应信号；再给定同样大小的反向角速度，分别记录此时驱动模态与检测模态的I路、Q路角速度响应信号；由此计算获得驱动模态与检测模态的IQ分离相位；
[0009]4)将陀螺置于转台，在IQ分离相位下对陀螺振动信号进行正交解调，记录此时检测模态角速度响应信号；再给定任一角速度，记录此时检测模态的角速度响应信号；由此计算获得陀螺的标度因数；
[0010]5)对于检测开环工作状态下的陀螺，先后在IQ分离相位与除IQ分离相位外的任一其他解调相位α
r
下对陀螺振动信号进行正交解调，获得：驱动模态IQ分离相位下驱动模态I路幅值、驱动模态Q路幅值数字量、驱动模态振动幅值数字量与相位；驱动模态解调相位α
r
下驱动模态I路幅值、驱动模态Q路幅值数字量、驱动模态振动幅值数字量与相位；检测模态
IQ分离相位下检测模态I路幅值、检测模态Q路幅值数字量、检测模态振动幅值数字量与相位；检测模态解调相位α
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下检测模态I路幅值、检测模态Q路幅值数字量、检测模态振动幅值数字量与相位；经过数学处理后获取耦合误差系数；
[0011]对于检测力平衡闭环工作状态下的陀螺，在IQ分离相位下对陀螺振动信号进行正交解调，获得：驱动模态IQ分离相位下驱动模态I路幅值数字量、驱动模态Q路幅值数字量、驱动模态振动幅值数字量与相位；检测模态IQ分离相位下检测模态I路力平衡信号数字量、检测模态Q路力平衡数字量；经过数学处理后获取耦合误差系数。
[0012]作为本专利技术的优选方案，所述的微机械陀螺耦合误差系数具体包括刚度耦合系数、阻尼耦合系数、力耦合系数。所述步骤5)中数学处理过程为：
[0013]检测开环工作状态：根据陀螺性能参数、标度因数与检测模态Q路幅值数字量求得刚度耦合系数；根据驱动模态IQ分离相位下驱动模态I路幅值、驱动模态Q路幅值数字量、驱动模态振动幅值数字量与相位建立驱动模态IQ分离相位下驱动模态相位关系；根据检测模态IQ分离相位下检测模态I路幅值、检测模态Q路幅值数字量、检测模态振动幅值数字量与相位建立检测模态IQ分离相位下检测模态相位关系；同理建立驱动模态解调相位α
r
下驱动模态相位关系与检测模态解调相位α
r
下检测模态相位关系；四式联立求得阻尼耦合系数与力耦合系数；
[0014]检测力平衡闭环工作状态：根据陀螺性能参数、标度因数与检测模态IQ分离相位下检测模态Q路力平衡数字量求得刚度耦合系数；根据驱动模态IQ分离相位下驱动模态I路幅值数字量、驱动模态Q路幅值数字量、驱动模态振动幅值数字量与相位，同检测模态IQ分离相位下检测模态I路力平衡信号数字量、检测模态Q路力平衡数字量联立求得阻尼耦合系数与力耦合系数。
[0015]作为本专利技术的一种优选实施方案，所述步骤1)中微机械陀螺的闭环控制环路为：陀螺质量块上施加由FPGA输出并经DAC模块转换为模拟信号的高频载波信号，其中载波频率为陀螺谐振频率的15倍以上；由FPGA给定初始驱动力频率与幅值信息并生成正弦数字信号，经DAC模块转换为模拟信号，再由OPA(Operational Amplifier，运算放大器)放大形成驱动模态激励信号作为微机械陀螺的输入；陀螺驱动模态振动位移信号与检测模态振动位移信号经过CV检测模块，再通过ADC转换为数字信号进入FPGA，FPGA实现正交解调后输出：驱动模态振动幅值、驱动模态振动相位、驱动模态I路幅值、驱动模态Q路幅值、检测模态振动幅值、检测模态振动相位、检测模态I路幅值、检测模态Q路幅值；此外，驱动模态振动幅值信号通过AGC(Automatic Gain Control，自动增益控制)模块生成驱动力幅值反馈信号，与初始驱动力幅值相加，构成AGC环路；驱动模态振动相位信号通过PLL模块生成驱动力相位反馈信号，与初始驱动力相位相加，构成PLL环路(锁相环路)，保证陀螺工作在谐振状态；检测模态I路幅值与检测模态Q路幅值信号分别通过检测I路力平衡模块与检测Q路力平衡模块生成检测模态I路力平衡信号与检测模态Q路力平衡信号，两者相加后由DAC模块转换为模拟信号反馈到陀螺输入端，经OPA放大形成检测模态激励信号，构成检测模态力平衡环路。
[0016]作为本专利技术的一种优选实施方案，所述步骤1)中微机械陀螺性能参数包括谐振频率、品质因子、谐振相位，通过扫频检测法获得。
[0017]作为本专利技术的一种优选实施方案，所述步骤1)中检测开环工作状态为：PLL环路闭
环、AGC环路闭环、检测模态力平衡环路开环；所述的检测力平衡闭环工作状态为：PLL环路、AGC环路、检测模态力平衡环路均闭环。
[0018]作为本专利技术的一种优选实施方案，所述步骤2)中，所述的幅值、相位信息对于处于检测开环工作状态下的陀螺包括：驱动模态I路幅值、驱动模态Q路幅值、检测模态I路幅值、检测模态Q路幅值、驱动模态振动幅值与相位、检测模态振动幅值与相位；
[0019]所述的幅值、相位信息对于处于检测力平衡闭环工作状态下的陀螺，包括：驱动模态I路幅值、驱动模态Q路幅值、驱动模态振动幅值与相位、检测模态I路力平衡信号、检测模态Q路力平衡信号。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于正交解调的微机械陀螺耦合误差系数实时辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：1)根据微机械陀螺性能参数驱动陀螺，实现微机械陀螺的闭环控制，根据陀螺工作需要使陀螺进入检测开环工作状态或检测力平衡闭环工作状态；2)对于陀螺驱动模态与检测模态输出的带载波的振动位移信号，使用正交解调获取幅值、相位信息；3)将陀螺置于转台，给定正向角速度，分别记录此时驱动模态与检测模态的I路、Q路角速度响应信号；再给定同样大小的反向角速度，分别记录此时驱动模态与检测模态的I路、Q路角速度响应信号；由此计算获得驱动模态与检测模态的IQ分离相位；4)将陀螺置于转台，在IQ分离相位下对陀螺振动信号进行正交解调，记录此时检测模态角速度响应信号；再给定任一角速度，记录此时检测模态的角速度响应信号；由此计算获得陀螺的标度因数；5)对于检测开环工作状态下的陀螺，先后在IQ分离相位与除IQ分离相位外的任一其他解调相位α
r
下对陀螺振动信号进行正交解调，获得：驱动模态IQ分离相位下驱动模态I路幅值、驱动模态Q路幅值数字量、驱动模态振动幅值数字量与相位；驱动模态解调相位α
r
下驱动模态I路幅值、驱动模态Q路幅值数字量、驱动模态振动幅值数字量与相位；检测模态IQ分离相位下检测模态I路幅值、检测模态Q路幅值数字量、检测模态振动幅值数字量与相位；检测模态解调相位α
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下检测模态I路幅值、检测模态Q路幅值数字量、检测模态振动幅值数字量与相位；经过数学处理后获取耦合误差系数；对于检测力平衡闭环工作状态下的陀螺，在IQ分离相位下对陀螺振动信号进行正交解调，获得：驱动模态IQ分离相位下驱动模态I路幅值数字量、驱动模态Q路幅值数字量、驱动模态振动幅值数字量与相位；检测模态IQ分离相位下检测模态I路力平衡信号数字量、检测模态Q路力平衡数字量；经过数学处理后获取耦合误差系数。2.根据权利要求1所述的基于正交解调的微机械陀螺耦合误差系数实时辨识方法，其特征在于，所述的微机械陀螺耦合误差系数具体包括刚度耦合系数、阻尼耦合系数、力耦合系数。3.根据权利要求1所述的基于正交解调的微机械陀螺耦合误差系数实时辨识方法，其特征在于，所述步骤1)中微机械陀螺的闭环控制环路为：陀螺质量块上施加由FPGA输出并经DAC模块转换为模拟信号的高频载波信号，其中载波频率为陀螺谐振频率的15倍以上；由FPGA给定初始驱动力频率与幅值信息并生成正弦数字信号，经DAC模块转换为模拟信号，再由OPA放大形成驱动模态激励信号作为微机械陀螺的输入；陀螺驱动模态振动位移信号与检测模态振动位移信号经过CV检测模块，再通过ADC转换为数字信号进入FPGA，FPGA实现正交解调后输出：驱动模态振动幅值、驱动模态振动相位、驱动模态I路幅值、驱动模态Q路幅值、检测模态振动幅值、检测模态振动相位、检测模态I路幅值、检测模态Q路幅值；此外，驱动模态振动幅值信号通过AGC模块生成驱动力幅值反馈信号，与初始驱动力幅值相加，构成AGC环路；驱动模态振动相位信号通过PLL模块生成驱动力相位反馈信号，与初始驱动力相位相加，构成PLL环路，保证陀螺工作在谐振状态；检测模态I路幅值与检测模态Q路幅值信号分别通过检测I路力平衡模块与检测Q路力平衡模块生成检测模态I路力平衡信号与检测模态Q路力平衡信号，两者相加后由DAC模块转换为模拟信号反馈到陀螺输入端，经OPA放大
形成检测模态激励信号，构成检测模态力平衡环路。4.根据权利要求1所述的基于正交解调的微机械陀螺耦合误差系数实时辨识方法，其特征在于，所述步骤1)中微机械陀螺性能参数包括谐振频率、品质因子、谐振相位，通过扫频检测法获得。5.根据权利要求1所述的基于正交解调的微机械陀螺耦合误差系数实时辨识方法，其特征在于，所述步骤1)中检测开环工作状态为：PLL环路闭环、AGC环路...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑旭东，夏陈浩，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：