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。     

基于DDS-PLL技术的MEMS陀螺仪闭环驱动系统设计

为了提高科氏振动陀螺仪驱动模态的控制精度与稳定性,设计了基于DDS-PLL技术的MEMS陀螺仪闭环驱动系统。利用基于直接数字频率合成器（DDS）算法的数字锁相环实现对陀螺谐振频率和相位的跟踪,采用数字自动增益模块（AGC）实现驱动幅值的稳定控制。实验结果表明,通过DDS算法实现的闭环驱动系统具有更高的控制精度,驱动幅值变化的均方差缩小到0.0011 mV,幅度稳定性为183 ppm,谐振频率变化的均方差缩减至0.07 Hz,频率稳定性为3.48 ppm,陀螺仪驱动模态的幅值和频率控制精度得到了提高。     

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。     

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。     

硅微陀螺正交误差直流校正设计与分析

为硅微陀螺设计了一种正交误差直流校正方法,通过设计校正结构和加载直流电压实现正交校正。建立了存在正交误差时敏感质量的运动微分方程,分析明确了正交响应的成因和对驱动运动轨迹的影响。为硅微陀螺设计了正交校正结构,实现构建静电耦合弹性系数并利用驱动运动产生校正静电力。校正力的频率和相位无需电路控制,使该方法相较于传统校正方法具备特殊优势。设计并分析了校正电压的两种加载方式,通过实验测试验证了正交响应幅值随校正电压的变化规律。实测校正电压接近理论值,证明了校正结构设计的正确性。该方法在双线振动式硅微陀螺中具有重要应用价值。     

基于SOPC的单轴陀螺驱动环路设计

传统的微机械陀螺驱动环路采用模拟电路来实现,为了进一步改善陀螺的性能,设计出了基于SOPC(可编程片上系统)的数字驱动环路.采用FPGA为硬件基础,架构可编程片上系统,扩展ADC、DAC、RS422及EEPROM等相关外设接口,并嵌入软核CPU来处理相关算法.软件算法包括多路信号解调、数字滤波器及多个闭环控制.详细讨论了驱动轴频率控制环路和幅度控制环路的作用及其对微机械陀螺性能的影响.针对软核CPU的性能,对整个算法进行了优化,最终在软件计算时间和资源使用上都留有一定裕度,有利于后续加入更多功能.最终的实验表明,所设计的数字系统在-40℃到+85℃范围内正常工作,满足工业级的使用要求,实际使用过程比模拟的驱动环路更加方便,实现了微机械陀螺驱动环路的数字化.     

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。     

基于激光陀螺的稳定平台控制

针对舰载双轴稳定平台的控制技术研究,选用四频激光陀螺作为惯性角传感器,通过扫频辨识出控制对象的传递函数,再利用滞后型频率特性补偿器进行频率校正,设计出了速度与位置双闭环的伺服稳定控制系统。对设计的双轴激光陀螺稳定平台系统进行了仿真计算和实验测量,仿真与实验结果比较一致,主要参数为:设计的稳定平台控制系统静态力矩刚度达到了7.852×107 N.m/rad,阶跃响应的上升时间为30 ms,调整时间为150 ms,超调量为12%;当载体基座以幅值为17.661°、频率为0.437 Hz的正弦角速度扰动时,速度环稳定误差优于±0.05(°)/s,位置环稳定误差优于±3″。     

基于电压约束的微机械谐振器幅-频耦合抑制方法

针对微机械谐振器中存在的幅度-频率耦合带来振动稳定性变差的问题，提出了一种闭环自激控制的直流参考电压约束方法来抑制谐振器振幅。首先，从理论上分析了决定谐振器临界振幅的因素，利用计算机视觉辅助测量方法和高频方波调制方法获得相关尺寸参数及品质因数计算得到微机械谐振器的临界振幅。然后，提出频谱边带比的振动幅度测试方法实现封装后的振动幅度测试。最后，构建了自激振荡闭环测控电路分析模型，根据临界振幅计算得相应的临界直流参考电压为0.866V。恒温实验测试表明：直流参考电压为0.4 V（小于临界参考电压）时，谐振器能够稳定地保持恒定幅度振动；直流参考电压为1.0 V（大于临界参考电压）时，谐振器振动幅度不恒定，谐振器稳定性变差，所提方法通过确定临界参考电压值，并将直流参考电压约束在临界参考电压以内能有效抑制幅度-频率的耦合。