硅微陀螺仪驱动模态离散控制分析

针对硅微陀螺仪数字控制系统,为了有效控制陀螺仪的驱动模态,采用离散域(Z域)分析方法,全面分析、研究并实现了基于数字锁相环(DPLL)和数字自动增益控制的(DAGC)驱动模态控制。分别建立了基于离散域分析的相位控制模型和幅度控制模型,给出了相应稳定控制的参数条件,并且进行了仿真验证。最后设计了一种基于FPGA的数字化双闭环驱动控制电路。试验结果表明,室温条件下,驱动检测幅度相对变化量小于2′10~(-5),在温度变化-40℃~60℃条件下,驱动频率与自然频率的最大相对误差为8′10-6数量级,频率跟踪特性和幅度控制稳定性均达到了良好的效果。试验验证了硅微陀螺仪驱动模态全数字化分析的可行性。该数字控制系统方案实现了陀螺驱动模态的高精度控制。     

具有硬弹簧非线性的MEMS振动式陀螺仪驱动模态控制方法

当振动式M EM S陀螺仪的驱动模态的振幅较大时,驱动模态中的硬弹簧非线性将变得显著。在驱动模态具有此非线性的情况下,比较了MEMS陀螺仪中常用的两种控制方法,即锁相环驱动和自激驱动。由于非线性模态在频域内的相位响应有迟滞效应,锁相环驱动方式不能稳定地锁定非线性模态的谐振频率。然而得益于自激驱动方式的工作原理,自激方式可以将非线性模态驱动在谐振点上。提出了一种改进的数字锁相环驱动方式。该改进的驱动方式以较大的驱动力为代价,提高了控制回路的稳定性。实验结果与仿真结果相一致,并且验证了所提出的驱动方式的可行性。     

具有硬弹簧非线性的MEMS振动式陀螺仪驱动模态控制方法（英文）

当振动式MEMS陀螺仪的驱动模态的振幅较大时,驱动模态中的硬弹簧非线性将变得显著。在驱动模态具有此非线性的情况下,比较了MEMS陀螺仪中常用的两种控制方法,即锁相环驱动和自激驱动。由于非线性模态在频域內的相位响应有迟滞效应,锁相环驱动方式不能稳定地锁定非线性模态的谐振频率。然而得益于自激驱动方式的工作原理,自激方式可以将非线性模态驱动在谐振点上。提出了一种改进的数字锁相环驱动方式。该改进的驱动方式以较大的驱动力为代价,提高了控制回路的稳定性。实验结果与仿真结果相一致,并且验证了所提出的驱动方式的可行性。     

一种MEMS多环谐振陀螺的品质因数在线测试方法

针对MEMS多环谐振陀螺品质因数的快捷有效测定问题,提出了一种应用于MEMS多环谐振陀螺的品质因数在线测试方法。基于对MEMS多环谐振陀螺的动力学模型分析,得到陀螺驱动模态振动位移稳态解的幅值与陀螺的品质因数相关性。为了把陀螺的品质因数从振动位移稳态解的幅值中提取出来,采用锁相环(PLL)实现对陀螺驱动模态谐振频率的实时跟踪,采用自动增益控制(AGC)实现对MEMS多环谐振陀螺振动位移的闭环稳幅驱动。通过提取锁相环输出的谐振频率和振动位移稳态解的幅值解算出陀螺的品质因数。该方法与传统的品质因数测试方法不同之处在于不需要通过数据采集、离线处理等步骤就可以在线自动获取陀螺的品质因数,大大提高了品质因数测试的工作效率。实验结果表明,在陀螺上电后0.6 s左右即可获得相对准确的品质因数结果。     

振动轮式硅微陀螺仪检测轴的闭环特性

研究了振动轮式硅微陀螺仪敏感结构的谐振特性,重点进行了检测轴的闭环控制系统分析和测试。通过对不同气压条件下检测轴谐振特性的研究及驱动轴和检测轴谐振频率匹配的试验,分析了静电力反馈控制系统中的变刚度问题,进行了硅微陀螺仪检测轴的闭环控制系统设计,给出了检测轴闭环控制系统的原理框图和传递函数,同时分析了闭环条件下驱动轴回路和检测轴回路各部分的相位关系以及正交分量的消除方法。试验结果表明闲环控制提高了硅微陀螺仪的精度指标。     

基于低频调制激励的硅微陀螺仪自动模态匹配技术

根据二阶质量-弹簧-阻尼系统的幅频特性和相频特性关于谐振频率对称的特点,提出了一种低频振荡激励的实时模态匹配技术,根据检测模态的输出响应来判别驱动模态和检测模态的匹配程度。首先简要介绍了带频率调谐功能的双质量线振动硅微陀螺仪,该陀螺利用负刚度效应来调节检测模态的谐振频率;然后通过理论推导以及系统仿真验证了基于低频调制激励的自动模态匹配技术的可行性和有效性;最后设计了一种基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)的数字控制电路,并且对同一测试陀螺进行了模态匹配和模态不匹配下的性能对比。试验结果表明,相比模态不匹配条件下,陀螺零偏稳定性从5.89(°)/h提高到1.26(°)/h,角度随机游走从0.36(°)/√h提高到0.079(°)/√h,性能分别提高了4.7倍和4.6倍。     

MEMS陀螺仪结构模型及系统仿真

为了减小MEMS陀螺仪的正交误差,进一步提高陀螺精度,在Simulink环境中对陀螺结构和测控系统进行了建模和仿真。首先在理想状态的陀螺结构模型基础上建立了包含机械热噪声、模态间耦合等非理想因素的结构模型,并给出了陀螺结构的相关设计参数。其次在陀螺结构模型上以自激振荡和AGC控制技术为基础设计了驱动回路,该回路可在短时间内将驱动幅度稳定在10μm,且驱动频率为4048 Hz（驱动模态的谐振频率）。然后分析了模态间耦合信号的作用方式并建立了正交校正和检测闭环力反馈回路,仿真结果显示,在全闭环状态下检测模态所受耦合力的幅度比未校正状态下降了5个数量级,等效输入角速度也从205(°)/s下降到了6.58(°)/h。最后对陀螺模型进行了整体测试,得到其标度因数和阈值分别为21.76 mV/(°)/s和0.002(°)/s。     

提高石英音叉陀螺驱动信号稳定性的数字电路设计

石英音叉陀螺通常采用模拟解调电路,现有模拟电路驱动电路幅度稳定性不高,限制了石英音叉陀螺整机性能,可以采用数字电路提高驱动幅度稳定性。文中先讨论了驱动信号幅度影响石英音叉陀螺性能的原因;然后设计了数字电路,采用数字信号处理算法实现了数字电路闭环驱动,并对数字电路闭环驱动的自动增益控制误差进行了分析;最后,对模拟电路和数字电路的驱动幅度稳定性进行了对比测试,定温情况下,模拟电路驱动幅度稳定性的均方差为4.77×10-4V,数字电路的幅度稳定性的均方差达到8.26×10-5V,模拟电路幅度稳定性在全温范围的均方差为0.0680 V,数字电路的均方差仅为0.0006V。实验表明,数字电路的驱动信号幅度稳定性显著提高。     

基于参数激励的MEMS陀螺电馈通抑制方法

由于硅微陀螺仪材料和加工工艺以及电路上的非理想因素,驱动信号会对敏感检测端产生串扰。为抑制此种串扰,降低驱动激励幅度,采用了基于参数激励法的陀螺驱动模态激励系统。在锁相环控制中新增一个压控振荡器模块,用于输出稳幅的二倍谐振频率激励信号,即参数激励信号。将此信号与驱动激励信号一同对驱动激励电极进行激励,达到了降低刚度系数来减小驱动对敏感电馈通干扰的目的。实验结果表明,参数激励法对陀螺仪进行激励,将陀螺仪敏感输出信号幅度从141.25 m V降至38.75 m V,Allan方差零偏不稳定性从6.864 (°)/h降至4.316 (°)/h。表明了参数激励法对陀螺仪性能具有一定的提升作用。     

基于FPGA的硅微机械陀螺特性曲线可重构测试

设计了一套基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的硅微机械陀螺特性曲线可重构测试系统,能够同时测试出硅微机械陀螺的驱动频率特性以及驱动模态到敏感模态的正交耦合特性。基于SOPC(System On a Programmable Chip)嵌入式软件编写程序,采用扫频方法从驱动激励端输入一系列由低频到高频的正弦激励信号,在驱动检测端输出,可以扫描出驱动模态的频率特性曲线,同时在敏感检测端输出,可以扫描出驱动模态到敏感模态的正交耦合特性曲线。根据驱动模态的频率特性曲线,能够测量出驱动模态在谐振频率点的相位特性(代表了整个环路的真实相移),据此能够使闭环控制回路精确工作在谐振频率点。此外,改变SOPC嵌入式软件程序,也可以直接实现闭环驱动控制与敏感解调输出,而不需要额外的硬件开销。     

硅微阵列陀螺仪的模态分析与实验

考虑四质量硅微阵列陀螺仪的模态定阶,采用模态分析法和能量法建立模态分析模型,研究了驱动和检测模态的固有频率和振型。首先,利用集总参数模型和拉格朗日方程建立系统运动方程,分析了无阻尼振动的谐振频率和模态;其次,基于能量法推导了驱动梁和检测梁的等效刚度,得到模态分析的理论模型公式,并利用有限元仿真对理论模型进行了验证;最后,对实验样机进行了模态测试。实验结果表明:驱动模态理论分析结果与仿真结果的最大误差为2.4%,检测模态的最大误差为3.9%;样机测试实验中各模态振型与理论分析结果基本一致。与传统的依赖于经验和繁琐仿真迭代的陀螺仪结构设计不同,模态分析理论模型可减少迭代次数,加快设计进程,为陀螺仪的设计优化提供理论指导。     

一种双质量硅微陀螺仪

双质量块结构形式的硅微陀螺仪能够有效消除轴向加速度等共模干扰的影响。利用结构解耦方法设计了一种新型的双质量双线振动式硅微机械陀螺仪。依据双质量硅微陀螺的结构和工作原理,通过简化的动力学方程,对该陀螺的驱动和检测模态进行了理论分析,并利用Ansys有限元软件对陀螺的驱动和检测模态进行了数值仿真。仿真结果表明,该陀螺结构设计能够实现驱动和检测模态的完全解耦,从而验证了设计思想的正确性。通过仿真,得到了驱动和检测模态的仿真频率值。在对微陀螺加工所采用的加工工艺进行简单介绍后,对加工出的硅微机械陀螺仪样品的模态频率值进行了电路测试。由于加工误差的存在,实验得到的驱动和检测频率值与仿真设计值存在1.6%的误差。最后在转台上对样品的标度因数进行了测定,得到了该双质量硅微陀螺仪的标度因数为2.518mV/((°)?s-1)。     

硅微机械谐振陀螺仪的非线性分析

给出了硅微机械谐振陀螺仪的结构,介绍了硅微机械谐振陀螺仪的工作原理,详细推导并给出了陀螺仪的输出频率和标度因数非线性的计算公式;基于影响谐振陀螺仪标度因数的参数,分析了由谐振器的振幅和梳齿静电驱动力引起的硅微机械谐振陀螺仪的非线性特性,给出了振动幅度与谐振频率关系的表达式.实验结果表明,陀螺仪的整体性能主要取决于谐振器振动幅度的稳定性.     

硅微机械陀螺谐振频率在线快速测定方法

传统测定硅微机械陀螺谐振频率的扫频法需要记录所有频率输入与幅值响应的值,效率低且实现较为复杂。提出一种在线快速测定方法,根据硅微机械陀螺模态特性,将谐振频率的确定视为寻找幅频函数在定区间上的极大点问题,然后利用黄金分割搜索法求解该极大值点。仿真显示,在信噪比为50 dB的噪声水平下,仅需少量的样本点即可收敛到真值附近,测量相对误差在10-6量级上。基于FPGA实现了嵌入式测试系统,分别采用传统扫频法和本文方法进行测量,二者得到的结果相近(相对误差在10-6量级上),从而验证了方法的有效性。     

振动轮式微机械陀螺仪模态控制方法研究

振动轮式微机械陀螺仪存在两个主要的工作模态 :驱动模态和敏感模态。本文研究了敏感模态反馈控制环节对系统工作性能的影响。提出刚度、阻尼组合反馈的模态控制思想 ,探讨了利用刚度反馈控制敏感模态的固有谐振频率 ,利用阻尼反馈控制系统检测范围的多参量控制方法 ;并对敏感模态中刚度反馈校正环节和阻尼反馈的校正环节进行了详细的分析 ,建立了系统对两个校正环节在增益和相位上的要求。     

石英音叉陀螺多频率激励自启动算法

针对不同微石英音叉陀螺适配性差、频率定位精度与稳定性低的问题,提出了多频率激励自启动算法。通过分析驱动信号频率精度对陀螺工作性能的影响,引入频率跟踪算法,提出一种基于跳频法预处理的粒子群多频率激励算法,实现精确定位陀螺谐振频率。实验验证了跳频法和跳频与粒子群结合两种方法均可实现自启动。实验结果进一步表明:跳频与粒子群结合算法较跳频法频率稳定性提高了一倍,频率定位精度更高,可达0.5 Hz以内。     

基于等效输入的光纤陀螺带宽自主测试方法

针对光纤陀螺频带测试角震动台输入频率低的问题,通过在光纤陀螺反馈阶梯波上叠加正弦信号用于等效外部输入角速度,对陀螺解调输出信号按照幅值进行判断得到陀螺带宽。分析了输入等效正弦波幅值满足条件;针对正弦信号在相位调制器上调制产生的相位差随频率变化的缺点对相位差幅值进行补偿;提出了利用直接数字合成技术生成正弦波信号和极值搜索算法检测信号幅值的带宽检测方案,利用陀螺自身硬件基础实现自主检测。通过建立数字闭环光纤陀螺模型,利用Simulink进行了仿真分析。结果表明该检测算法能实现陀螺频带宽度的全频率范围测量,不受外部输入信号测试频率限制,能够用于光纤陀螺带宽测试。     

硅微陀螺数字化双闭环驱动控制方法

为了提高硅微机械陀螺的性能,基于FPGA设计并实现了一种数字化双闭环驱动控制电路.介绍了通过相位控制实现频率跟踪和直流控制实现幅值稳定的驱动控制原理,采用FPGA扩展ADC、DAC的方法设计出相应控制回路.分别采用扫频和直流扫描测试的方法确定回路中相位偏差到频率调整量与幅度偏差到电平调整量的转换系数.利用Xilinx ISE软件设计了硬件接口、参数解算、滤波处理、信号生成等逻辑;利用EDK软件设计了数据存取、控制算法、扫频测试、串口通讯等程序.试验结果表明,系统稳定工作后,频率跟踪误差与幅度控制相对稳定性分别在10-6和10-4量级上.     

电容式MEMS环形振动陀螺结构设计及加工

微机械环形振动陀螺仪采用四波腹工作原理,具有精度高、抗冲击性能好等优点。通常情况下为了提高电容值和信噪比,环形结构会采用高深宽比方案,因此带来的footing效应直接影响了结构加工的成品率。本文在设计环形结构的基础上提出了一种在硅下表面溅射一层Al金属层的方法,能够避免footing效应的发生。实验结果表明,该方法有效提高了结构加工精度。同时,为了验证所设计结构的正确性,对加工出的结构进行了扫频测试,结构驱动模态谐振频率与设计值相差仅0.13%,并在此基础上搭建了测控系统,进一步进行了静态实验,结果表明其零偏稳定性指标为101(°)/h证明了设计和加工的可行性。     

等效刚度法在音叉式陀螺仪谐振频率计算中的应用

运用刚度等效理论,推导出了音叉式陀螺仪敏感模态谐振频率的计算公式,并借助有限元分析软件验证该公式的正确性,最后分析了几何参数对谐振频率的影响。