硅微機械陀螺儀數(shù)字化靜電補償與調(diào)諧技術(shù)研究和實驗.pdf

1、隨著MEMS技術(shù)的高速發(fā)展，硅微機械陀螺儀越來越受到人們的關(guān)注。硅微機械陀螺儀是一種測量角速度的微型傳感器，具有體積小、重量輕、低功耗、低成本以及易于實現(xiàn)大批量生產(chǎn)等突出優(yōu)點，其已被廣泛應(yīng)用于軍民領(lǐng)域。但由于受加工工藝的限制，目前硅微機械陀螺儀的精度還比較低，制約其精度的一個重要因素是實際加工與理論設(shè)計之間存在各種誤差，如彈性梁尺寸偏差、非對稱性誤差、殘余應(yīng)力、正交耦合誤差等，這些都影響著硅微陀螺整體性能的提高。在現(xiàn)有加工工藝水平下，采

2、用閉環(huán)檢測、正交剛度校正、頻率調(diào)諧等靜電技術(shù)，結(jié)合靈活的數(shù)字補償方法，能有效提高硅微機械陀螺儀的性能。
　　本文以提高硅微機械陀螺儀性能為目的，針對課題組自主研制的具有檢測反饋、正交校正以及頻率調(diào)諧功能的雙質(zhì)量線振動全解耦硅微機械陀螺儀結(jié)構(gòu)開展數(shù)字補償與調(diào)諧技術(shù)的研究。主要研究工作及創(chuàng)新點如下:
　　1、硅微機械陀螺儀驅(qū)動模態(tài)數(shù)字域閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
　　基于數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計方法，通過頻率修正的雙線性變換推導(dǎo)出了陀螺驅(qū)

3、動模態(tài)的離散模型，構(gòu)建了鎖相環(huán)相位控制和自動增益幅度控制的數(shù)字化控制模型，給出了相位控制和幅度控制的穩(wěn)定性條件。仿真和實驗結(jié)果表明，陀螺數(shù)字閉環(huán)驅(qū)動系統(tǒng)穩(wěn)定速度快、穩(wěn)態(tài)精度高、環(huán)境適應(yīng)性強。
　　2、硅微機械陀螺儀檢測模態(tài)閉環(huán)控制技術(shù)研究
　　針對模態(tài)匹配狀態(tài)下陀螺檢測模型近似為一階慣性環(huán)節(jié)的特點，提出采用PI控制和相位超前環(huán)節(jié)相結(jié)合的數(shù)字串聯(lián)校正器，實現(xiàn)模態(tài)匹配狀態(tài)下的閉環(huán)控制，建立了與實際數(shù)字檢測電路完全對應(yīng)的數(shù)?；旌戏?/p>

4、真系統(tǒng)，驗證了設(shè)計的有效性。對陀螺數(shù)字測控系統(tǒng)分別進行了開環(huán)檢測和閉環(huán)檢測模式下的性能測試，相比于開環(huán)檢測工作方式，閉環(huán)檢測下陀螺標度因數(shù)的性能得到明顯提升，工作帶寬由6Hz拓展到93Hz。
　　3、硅微機械陀螺儀正交校正技術(shù)研究
　　針對硅微機械陀螺儀正交校正的結(jié)構(gòu)方案，提出了正交力校正和正交剛度校正兩種數(shù)字校正實現(xiàn)方法，設(shè)計了相應(yīng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，分別進行了頻域和時域仿真，驗證了兩種校正方法的可行性。在陀螺數(shù)字控制系統(tǒng)中實

5、現(xiàn)了兩種校正方式并進行了實驗對比，結(jié)果表明，正交校正明顯提升了陀螺性能，正交剛度校正的效果優(yōu)于正交力校正。
　　4、硅微機械陀螺儀模態(tài)頻率自匹配技術(shù)研究
　　基于數(shù)字測控系統(tǒng)的靈活性，結(jié)合陀螺模態(tài)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的特點，提出了基于正交耦合信號相頻特性的頻率自匹配、基于低頻調(diào)制激勵的頻率自匹配以及基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的頻率自匹配三種模態(tài)頻率匹配方法;分別進行了理論分析、仿真驗證以及實驗測試。結(jié)果表明，三種方法均能實現(xiàn)溫度范圍-40℃到60

6、℃的模態(tài)頻率自匹配，模態(tài)頻差變化分別小于1Hz、0.5Hz和0016Hz。
　　5、硅微機械陀螺儀數(shù)字解調(diào)算法分析與優(yōu)化
　　針對硅微機械陀螺儀信號處理對解調(diào)方法與算法的要求，設(shè)計和實現(xiàn)了乘法解調(diào)、最小均方解調(diào)、傅里葉解調(diào)、全相位FFT解調(diào)以及同步積分解調(diào)五種數(shù)字解調(diào)算法，在進行適當(dāng)算法優(yōu)化的基礎(chǔ)上，從仿真和在FPGA電路實時運行兩方面，比較了它們的啟動速度、抗噪聲能力、硬件資源使用率及實時解調(diào)精度，最終以同步積分解調(diào)作為硅

7、微機械陀螺儀數(shù)字測控系統(tǒng)的解調(diào)算法，為提升陀螺信號處理效率與精度提供了保證。
　　6、數(shù)字化靜電補償與調(diào)諧技術(shù)測試試驗
　　參照國產(chǎn)微機械陀螺測試細則，分別對硅微機械陀螺儀在“開環(huán)檢測、正交閉環(huán)、模態(tài)不匹配”（模式1），“開環(huán)檢測、正交閉環(huán)、模態(tài)匹配”（模式2）和“閉環(huán)檢測、正交閉環(huán)、模態(tài)匹配”（模式3）三種工作模式下進行了測試試驗與性能對比;結(jié)果顯示工作在模式3下的硅微機械陀螺儀綜合性能指標最優(yōu):相比于模式1，零偏穩(wěn)定性由

8、15.13°/h提升到1.3°/h，角度隨機游走由2.63°/h√Hz提升到1.32°h/√Hz;相比于模式2，工作范圍由±100°/s增大到±400°/s，標度因數(shù)非線性度由649ppm減小到21ppm，帶寬由5Hz擴展到90Hz。試驗結(jié)果表明，檢測閉環(huán)有效提升了標度因數(shù)特性，拓展了工作范圍和帶寬;模態(tài)匹配有效提升了機械靈敏度，從而提高了穩(wěn)定性，降低了噪聲。
　　本文的工作為提升硅微機械陀螺儀的性能提供了一條有效技術(shù)途徑，對后續(xù)