柵結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺的高精度高穩(wěn)定性研究.pdf

1、微機(jī)械陀螺是一種基于硅微機(jī)械加工技術(shù)的測(cè)試角速度或者角位移的慣性傳感器，與傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)子式陀螺、光學(xué)陀螺相比，具有體積小、功耗低、可靠性高、可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在民用與軍用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，微機(jī)械陀螺的性能指標(biāo)不斷提高，顯現(xiàn)出在高精度測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。本文以實(shí)現(xiàn)高精度高穩(wěn)定性的柵結(jié)構(gòu)微機(jī)械陀螺為根本目標(biāo)，從器件特性測(cè)量、電容檢測(cè)方法、系統(tǒng)噪聲分析和模態(tài)匹配算法等四個(gè)方面進(jìn)行了深入地研究。
　　本研究主要內(nèi)

2、容包括：⑴對(duì)微機(jī)械陀螺的器件特性測(cè)量方法進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。比較分析了測(cè)量諧振頻率與品質(zhì)因子的三種常規(guī)方法，包括模態(tài)掃頻方案、振動(dòng)衰減曲線方案和PLL-AGC控制環(huán)路方案。通過(guò)原理說(shuō)明、數(shù)值仿真等手段來(lái)探討三種方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)及其適用場(chǎng)景。進(jìn)一步地，針對(duì)高Q陀螺的測(cè)試需求，提出了一種改進(jìn)的振動(dòng)衰減曲線方案，有效解決了常規(guī)方案中陀螺起振過(guò)慢與測(cè)量電路易飽和的問(wèn)題：在陀螺起振階段，利用PLL閉環(huán)控制對(duì)諧振頻率進(jìn)行快速測(cè)量，同時(shí)利用AGC閉環(huán)控

3、制使陀螺能夠快速起振并且有效地限制了振動(dòng)位移，再利用振動(dòng)衰減曲線實(shí)現(xiàn)對(duì)品質(zhì)因子的高精度測(cè)量。對(duì)真空環(huán)境下陀螺的驅(qū)動(dòng)模態(tài)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)模態(tài)的諧振頻率為1515.9 Hz，品質(zhì)因子為9177，且測(cè)試結(jié)果有較好的重復(fù)性，測(cè)量誤差僅為0.05％。⑵提出了一種自校準(zhǔn)的變面積電容檢測(cè)方法。該方法中的檢測(cè)電容為 TEB（Triangular-electrode base）電容，由矩形電極與三角形電極交疊構(gòu)成，利用其與運(yùn)動(dòng)位移的非線性關(guān)系能

4、夠精確地并且魯棒性地測(cè)量簡(jiǎn)諧振動(dòng)的幅度和相位信息。理論分析指出，TEB方法中的電容檢測(cè)信號(hào)同時(shí)包含了一次諧波分量與二次諧波分量，通過(guò)兩個(gè)諧波分量的幅度商來(lái)表征運(yùn)動(dòng)幅度，通過(guò)兩個(gè)諧波分量的相位差來(lái)表征運(yùn)動(dòng)相位，那么，測(cè)得的運(yùn)動(dòng)幅度和運(yùn)動(dòng)相位對(duì)包括載波幅度、初始檢測(cè)電容、處理電路的增益與相位等系統(tǒng)參數(shù)的波動(dòng)具有魯棒性，即實(shí)現(xiàn)了自校準(zhǔn)功能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)方法相比，TEB方法的測(cè)量結(jié)果對(duì)系統(tǒng)參數(shù)波動(dòng)的魯棒性提高了95%，與理論相一致。該技

5、術(shù)基于一種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，能夠廣泛應(yīng)用于各類(lèi)基于電容檢測(cè)的微機(jī)械諧振式器件，如諧振式加速度計(jì)和科氏振動(dòng)陀螺。進(jìn)一步地，提出了一種基于新型的TEB電容檢測(cè)方法的微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)環(huán)路控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)模態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其幅度穩(wěn)定度與相位穩(wěn)定度分別為34 ppm與30 ppm，此外，陀螺系統(tǒng)的零偏穩(wěn)定性有了1.6倍的性能改善，大氣下的Allan方差結(jié)果為1.6°/h。⑶提出了一種基于改進(jìn)的機(jī)電幅度調(diào)制（MEAM）技術(shù)的驅(qū)動(dòng)環(huán)路

6、控制方案。理論分析指出，驅(qū)動(dòng)環(huán)路中處理電路的相位延遲會(huì)導(dǎo)致陀螺輸出端的正交誤差信號(hào)泄露到角速度檢測(cè)信號(hào)，即IQ耦合問(wèn)題。在新型的MEAM方法中，通過(guò)將驅(qū)動(dòng)模態(tài)的諧振頻率調(diào)制到載波信號(hào)頻率上，使得電容檢測(cè)電路輸出的檢測(cè)電壓信號(hào)包含了一個(gè)恒定頻率的有用分量。此時(shí)，即便驅(qū)動(dòng)諧振頻率發(fā)生改變，由信號(hào)處理電路引入的相位延遲也是一個(gè)恒定量，改善了陀螺系統(tǒng)對(duì)器件結(jié)構(gòu)參數(shù)波動(dòng)或者環(huán)境溫度波動(dòng)的魯棒性。進(jìn)一步地，通過(guò)搭建Simulink仿真模型證明了ME

7、AM方法的正確性與有效性。最后，對(duì)工作在大氣環(huán)境下的模態(tài)分離28 Hz的微機(jī)械陀螺進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，與常規(guī)方案比較，在新型的MEAM方案控制下陀螺系統(tǒng)的零偏穩(wěn)定性與噪聲性能分別改善了2.4倍與1.4倍，大氣下Allan方差分析的零偏穩(wěn)定性為0.9°/h，角度隨機(jī)游走為0.068°/√h。⑷在力平衡檢測(cè)環(huán)路上，通過(guò)解析推導(dǎo)得到了陀螺輸入到輸出的傳遞函數(shù)，并將其分解為兩個(gè)單位負(fù)反饋系統(tǒng)，有效地降低了環(huán)路分析與設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。進(jìn)一步

8、地，結(jié)合理論分析與數(shù)值仿真工具，分別對(duì)模態(tài)匹配陀螺、近似模態(tài)匹配陀螺與模態(tài)分離陀螺三種情況進(jìn)行了研究，能夠有效地指導(dǎo)環(huán)路參數(shù)的優(yōu)化過(guò)程，使系統(tǒng)滿(mǎn)足穩(wěn)定性、暫態(tài)響應(yīng)特性和帶寬的要求。⑸在力平衡檢測(cè)環(huán)路上，對(duì)限制微機(jī)械陀螺系統(tǒng)檢測(cè)精度的主要噪聲源進(jìn)行了深入的研究。在模態(tài)分離/模態(tài)匹配、高 Q/低 Q等不同情況下，比較分析了機(jī)械熱噪聲、后端電路噪聲與前端電路噪聲等三類(lèi)噪聲源對(duì)陀螺系統(tǒng)輸出總噪聲的影響。此外，通過(guò)對(duì)照實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性，

9、指出：降低模態(tài)頻率差與增大驅(qū)動(dòng)模態(tài)振動(dòng)位移是改善陀螺系統(tǒng)檢測(cè)精度的最直接有效的方法。測(cè)試結(jié)果表明，模態(tài)頻率最接近（Δf=10 Hz）的陀螺＃3性能最佳：驅(qū)動(dòng)位移信號(hào)的幅度穩(wěn)定度為18 ppm，相位穩(wěn)定度為0.00017°（1σ）；在±500°/s范圍內(nèi)陀螺系統(tǒng)的非線性度為0.04%；真空環(huán)境下1小時(shí)零偏數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為5.5°/h，Allan方差分析得到的零偏穩(wěn)定性和角度隨機(jī)游走分別為0.3°/h和0.025°/√h。⑹提出了一種新型的微

10、機(jī)械陀螺模態(tài)匹配算法。與文獻(xiàn)中報(bào)道的模態(tài)匹配技術(shù)相比，該算法具有調(diào)諧速率快（<1 s）、調(diào)諧精度高（＜0.01 Hz）、對(duì)環(huán)境角速度輸入不敏感的突出優(yōu)勢(shì)，并且與常規(guī)的力平衡檢測(cè)環(huán)路相兼容，幾乎不增加陀螺系統(tǒng)的復(fù)雜性?；趯?duì)模態(tài)匹配陀螺特性的分析，總結(jié)了新型模態(tài)匹配算法的調(diào)諧程序，并利用周期平均法對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)解進(jìn)行了理論推導(dǎo)，證明了該算法能夠最終消除兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)的諧振頻率差。然后，通過(guò)數(shù)值仿真工具對(duì)模態(tài)匹配算法進(jìn)行了驗(yàn)證，并提出了用I

11、ref斜坡緩變替代Iref階躍跳變的改進(jìn)方案，能夠降低調(diào)諧過(guò)程中由于角速度檢測(cè)信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)誤差超出陀螺量程從而導(dǎo)致系統(tǒng)閉環(huán)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。最后，在基于FPGA的數(shù)字化陀螺系統(tǒng)上對(duì)新型模態(tài)匹配算法進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法有效地消除了初始模態(tài)頻率差，實(shí)現(xiàn)了模態(tài)匹配狀態(tài)。此外，在靜止、恒定轉(zhuǎn)速與正弦轉(zhuǎn)速等不同環(huán)境下的測(cè)試則驗(yàn)證了新型模態(tài)匹配算法對(duì)環(huán)境角速度輸入不敏感的特征，與理論相一致。由 Allan方差分析結(jié)果可知，模態(tài)匹配陀螺的零偏穩(wěn)