一種硅微機(jī)械線(xiàn)振動(dòng)式陀螺及其帶寬拓展方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及娃微機(jī)械巧螺領(lǐng)域，具體設(shè)及一種娃微機(jī)械線(xiàn)振動(dòng)式巧螺及其帶寬拓 展方法。
【背景技術(shù)】
[000引 娃微機(jī)械巧螺是一種用MEMS (Micro-Electro-Mechanical System,微機(jī)電系統(tǒng)） 技術(shù)加工而成的慣性測(cè)量傳感器，其采用哥氏效應(yīng)原理測(cè)量載體角速率信息，具有體積小、 功耗低、重量輕、成本低、抗過(guò)載特性強(qiáng)、易于集成化和批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。目前在很多領(lǐng)域都 有應(yīng)用，比如：慣性導(dǎo)航、汽車(chē)安全、工業(yè)控制、消費(fèi)電子等。其最初誕生在上世紀(jì)80年代 末，隨著加工工藝和測(cè)控技術(shù)的不斷發(fā)展，娃微機(jī)械巧螺的精度也逐漸提高，目前國(guó)際上娃 微機(jī)械巧螺較高精度已經(jīng)可達(dá)r /h(零偏穩(wěn)定性）W內(nèi)，已經(jīng)可滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)級(jí)巧螺儀的精度 需求。
[0003] 娃微機(jī)械線(xiàn)振動(dòng)式巧螺作為娃微機(jī)械巧螺的一種，近年來(lái)得到各科研機(jī)構(gòu)和公司 的推崇，相比與其他工作方式的娃微機(jī)械巧螺（角振動(dòng)式，轉(zhuǎn)子式等），線(xiàn)振動(dòng)式巧螺結(jié)構(gòu) 具有加工結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，檢測(cè)信號(hào)線(xiàn)性度好等優(yōu)點(diǎn)。目前，國(guó)際主流的精度較高的娃微機(jī)械巧螺 大部分都采用了線(xiàn)振動(dòng)結(jié)構(gòu)。
[0004] 圖1為典型的娃微機(jī)械巧螺儀組成結(jié)構(gòu)示意圖，在理想的巧螺結(jié)構(gòu)中，存在巧螺 系統(tǒng)的動(dòng)力方程為：
[0005]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種硅微機(jī)械線(xiàn)振動(dòng)式陀螺，其特征在于，包括陀螺結(jié)構(gòu)（I)、陀螺測(cè)控電路（2)和 陀螺封裝（3)其中， 所述的陀螺結(jié)構(gòu)（1)包括驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)（11)和檢測(cè)軸向結(jié)構(gòu)（12)，所述檢測(cè)軸向結(jié)構(gòu) (11)由驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)XS驅(qū)動(dòng)并輸出驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)（11)的檢測(cè)信號(hào)XV到陀螺 測(cè)控電路（2)，所述檢測(cè)軸向結(jié)構(gòu)（12)包括檢測(cè)力反饋結(jié)構(gòu)（121)、哥氏質(zhì)量（122)和檢測(cè) 位移提取結(jié)構(gòu)（123); 所述陀螺測(cè)控電路（2)包括驅(qū)動(dòng)閉環(huán)回路（21)和檢測(cè)閉環(huán)回路（22)，其中，所述驅(qū)動(dòng) 閉環(huán)回路（21)保證所述驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)（11)沿驅(qū)動(dòng)方向恒幅度振動(dòng)且振動(dòng)頻率為驅(qū)動(dòng)模態(tài) 固有諧振頻率；所述的檢測(cè)閉環(huán)回路（22)包括級(jí)放大接口（221)、次級(jí)放大器（222)、解調(diào) 器（223)、第一低通濾波器（224)、第二低通濾波（228)、力反饋控制器（225)、調(diào)制器（226) 和直流信號(hào)疊加裝置（227)，所述的前級(jí)放大接口（221)用于將檢測(cè)電容變化量YV轉(zhuǎn)化為 電壓信號(hào)并進(jìn)行初步放大；所述次級(jí)放大器（222)將前級(jí)放大接口（221)輸出信號(hào)進(jìn)一步 放大；所述解調(diào)器（223)以驅(qū)動(dòng)激勵(lì)信號(hào)XS為基準(zhǔn)解調(diào)得到哥氏信號(hào)和二倍頻信號(hào)；所述 第一濾波器（224)用于濾除解調(diào)器輸出的二倍頻信號(hào)以得到純凈的哥氏信號(hào)幅值，所述第 二低通濾波器（228)用于輸出級(jí)的低通濾波； 所述的調(diào)制器（226)將力反饋控制器（225)的輸出信號(hào)與驅(qū)動(dòng)激勵(lì)信號(hào)XS相乘以得 到同哥氏信號(hào)相位相同的信號(hào)；所述的直流信號(hào)疊加裝置（227)采用一固定直流電壓，與 反饋信號(hào)疊加繼而可與檢測(cè)力反饋結(jié)構(gòu)（121)結(jié)合產(chǎn)生反饋靜電力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微機(jī)械線(xiàn)振動(dòng)式陀螺，其特征在于，所述的檢測(cè)力反饋結(jié) 構(gòu)（121)由電容極板或梳齒構(gòu)成，用于將外加電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為靜電力信號(hào)；所述檢測(cè)位移 提取結(jié)構(gòu)（123)由電容極板或梳齒構(gòu)成，用于將檢測(cè)位移轉(zhuǎn)換為電容變化量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微機(jī)械線(xiàn)振動(dòng)式陀螺，其特征在于，所述的力反饋控制器 (225)由依次相連的相位超前校正環(huán)節(jié)（225a)、比例環(huán)節(jié)（225b)和積分環(huán)節(jié)（225c)組成， 用于拓展帶寬。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅微機(jī)械線(xiàn)振動(dòng)式陀螺，其特征在于，所述的相位超前校正 環(huán)節(jié)（225a)用于補(bǔ)償整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)的相位，提高整個(gè)系統(tǒng)的相位裕度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的硅微機(jī)械線(xiàn)振動(dòng)式陀螺，其特征在于，所述的比例環(huán)節(jié) (225b)和積分環(huán)節(jié)（225c)用于保證整個(gè)檢測(cè)閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)具有良好的幅值裕 度。
6. -種硅微機(jī)械線(xiàn)振動(dòng)式陀螺的帶寬拓展方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 實(shí)時(shí)獲取檢測(cè)通道中哥氏信號(hào)幅值； (2) 將所述哥氏信號(hào)幅值作為控制量，依次通過(guò)帶有相位超前校正環(huán)節(jié)（225a)、比例 環(huán)節(jié)（225b)和積分環(huán)節(jié)（225c)的力反饋控制器（225)后，一部分輸出作為陀螺輸出信號(hào)， 另一部分輸入經(jīng)過(guò)調(diào)制后作為力反饋信號(hào)（YS)施加至檢測(cè)力反饋機(jī)構(gòu)（121)，當(dāng)輸入角速 率幅值和頻率發(fā)生變化時(shí)，力反饋控制器可根據(jù)此變化實(shí)時(shí)調(diào)整控制信號(hào)，該信號(hào)可平衡 檢測(cè)框架所受的哥氏力； (3) 通過(guò)所述力反饋控制器中的相位超前校正環(huán)節(jié)（225a)提高系統(tǒng)開(kāi)環(huán)的相位裕度， 使相位和幅值變化劇烈的△ f點(diǎn)滿(mǎn)足閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定需求，同時(shí)，調(diào)節(jié)所述力反饋控制器 中的比例環(huán)節(jié)（225b)和積分環(huán)節(jié)（225c)以得到必要的系統(tǒng)開(kāi)環(huán)幅值裕度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的拓展方法，其特征在于，步驟（1)通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)：實(shí)時(shí)獲 取驅(qū)動(dòng)激勵(lì)信號(hào)XS和檢測(cè)輸出信號(hào)YV ;以驅(qū)動(dòng)激勵(lì)信號(hào)XS為基準(zhǔn)解調(diào)檢測(cè)輸出信號(hào)YV ; 輸出信號(hào)YV經(jīng)第一低通濾波器224濾除解調(diào)后的高頻信號(hào)，得到哥氏信號(hào)幅值。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的拓展方法，其特征在于，步驟（2)通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)： 將所述步驟（1)得到的哥氏信號(hào)幅值送入力反饋控制器（225)，力反饋控制器（225)的 輸出信號(hào)一部分送入第二低通濾波器（228)處理后作為陀螺輸出信號(hào)，另一部分通過(guò)調(diào)制 器（226)經(jīng)驅(qū)動(dòng)激勵(lì)信號(hào)XS調(diào)制后在直流信號(hào)疊加裝置（227)中與直流信號(hào)疊加，作為反 饋力信號(hào)YS施加至檢測(cè)力反饋機(jī)構(gòu)（121); 將調(diào)制器（226)的輸入端連接驅(qū)動(dòng)激勵(lì)信號(hào)（XS)和力反饋控制器輸出信號(hào)； 直流信號(hào)疊加裝置（227)的輸入端分別為直流恒定電壓和調(diào)制器（226)的輸出信號(hào)， 該輸出信號(hào)為帶有直流偏置的交流信號(hào)，直流偏置量與直流恒定電壓相關(guān)； 通過(guò)調(diào)節(jié)上述直流偏置量對(duì)檢測(cè)閉環(huán)的反饋系數(shù)進(jìn)行調(diào)整； 若輸入角速率增大或減小，則檢測(cè)輸出信號(hào)YV中哥氏信號(hào)幅度會(huì)增大或減小，則會(huì)導(dǎo) 致輸出信號(hào)增大或減小，同時(shí)，反饋力也會(huì)相應(yīng)的增大或減小，平衡檢測(cè)框架的哥氏力。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的拓展方法，其特征在于，步驟（3)通過(guò)如下步驟實(shí)現(xiàn)： 在所述力反饋控制器中的相位超前校正環(huán)節(jié)（225a)中，可調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)使該環(huán)節(jié)的 相位超前量達(dá)到預(yù)期目的； 將所述力反饋控制器中的相位超前校正環(huán)節(jié)（225a)串聯(lián)在檢測(cè)系統(tǒng)中，使整個(gè)系統(tǒng) 的開(kāi)環(huán)相位被整體超前，致使Δ?·點(diǎn)的相位保持足夠的相位裕度； 將所述力反饋控制器中的比例環(huán)節(jié)（225b)和積分環(huán)節(jié)（225c)串聯(lián)在檢測(cè)系統(tǒng)中，并 調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)使系統(tǒng)達(dá)到一定的幅值裕度。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種硅微機(jī)械線(xiàn)振動(dòng)式陀螺及其帶寬拓展方法，該陀螺儀包括陀螺結(jié)構(gòu)、陀螺測(cè)控電路和陀螺封裝，陀螺結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)軸向結(jié)構(gòu)和檢測(cè)軸向結(jié)構(gòu)，陀螺測(cè)控電路包括驅(qū)動(dòng)閉環(huán)回路和檢測(cè)閉環(huán)回路。該方法首先在檢測(cè)通道內(nèi)提取信號(hào)后通過(guò)以哥氏同相信號(hào)為參考解調(diào)得到哥氏信號(hào)，其與輸入角速率成比例關(guān)系，該信號(hào)經(jīng)反饋控制器作用后成為陀螺儀輸出信號(hào)和反饋控制信號(hào)，后以哥氏同相信號(hào)調(diào)制反饋控制信號(hào)經(jīng)直流電壓疊加后施加至檢測(cè)反饋梳齒上形成靜電平衡檢測(cè)框架的哥氏力，以達(dá)到拓展陀螺帶寬目的。本發(fā)明在不降低陀螺機(jī)械靈敏度的情況下可獲得更大的陀螺帶寬，使陀螺帶寬不再受機(jī)械頻差制約。
【IPC分類(lèi)】G01C19-5726, G01C19-5733
【公開(kāi)號(hào)】CN104567849
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410829073
【發(fā)明人】李宏生, 曹慧亮, 倪云舫, 徐露, 王瑞, 黃麗斌
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月26日