[发明专利]用于模态匹配状态硅微机械陀螺仪带宽拓展数字校正方法

说明书

技术领域

本发明涉及硅微机械陀螺仪，具体是一种用于模态匹配状态硅微机械陀螺仪带宽拓展数字校正方法。

背景技术

硅微机械陀螺仪是指利用微机电系统(MEMS)技术，并根据哥氏效应原理工作的一类用于测量角速度的惯性传感器。其具有体积小、重量轻、低功耗、低成本、易于批量化生产、集成度高、易于数字化等特点，已经在民用领域(如手机、平板电脑、数码相机等消费类电子)和军用领域(如制导弹药、战场机器人、军用无人机等)有着广泛的应用。如图1和如图2所示，硅微机械陀螺仪包括陀螺微结构和陀螺测控电路。所述陀螺结构由驱动框架、检测框架、哥氏框架、驱动梳齿、驱动检测梳齿、检测梳齿、检测反馈梳齿、U型支撑梁及基座等组成。在U型梁的作用下，驱动框架只能沿x轴方向运动，检测框架只能沿y轴方向运动，哥氏框架可以同时沿x轴方向和y轴方向运动。陀螺正常工作时，在静电驱动力作用下，驱动框架和哥氏框架一起沿x轴方向作等幅反向运动；当陀螺有绕z轴的角速度输入时，检测框架和哥氏框架在哥氏力的作用下，沿y轴作等幅反向运动。所述陀螺测控电路包括高性能C/V接口电路，AD/DA转换模块以及FPGA处理模块。其中，FPGA数字平台是该控制系统的核心模块，驱动模态和检测模态的控制及有效输出均由此控制。闭环驱动回路为陀螺检测回路提供稳定的振动位移，当有z轴方向角速度输入时，根据哥氏效应，将在检测方向产生振动，通过检测陀螺检测模态产生的振动位移就可以得到输入角速度的大小。陀螺检测模态的工作方式可以分为开环检测和闭环检测。开环检测工作方式下，陀螺输出的检测位移幅度与输入角速度成比例关系，经过解调输出的电压直接反映角速度信息。闭环检测工作方式需在陀螺检测模态添加力反馈检测电极，通过检测力反馈闭环控制回路，使检测反馈力与哥氏力抵消，保证陀螺检测梳齿始终保持在平衡位置，通过反馈力的大小来得到角速度信息。

如图3所示，硅微机械陀螺仪开环检测的工作原理，采用常用的乘法相敏解调提取哥氏信号。图中，Ω_z(t)表示输入角速度，m_y为陀螺检测模态检测质量，A_x为驱动梳齿振动位移，ω_d为驱动角频率，F_c为哥氏力，G_y(s)为陀螺检测模态传递函数，y(t)为陀螺检测模态输出位移，K_yc为检测模态梳齿电容转换增益，K_cv为电容电压转换增益，K_amp为检测回路前置放大器增益，V_ref为解调基准电压，为解调相角，F_lpf(s)为相敏解调环节中的低通滤波器传递函数，V_open(t)为硅微机械陀螺仪开环检测输出电压。

陀螺检测模态传递函数的表达式为：

式(A1)中：G_y(s)为陀螺检测模态传递函数，m_y为陀螺检测模态检测质量，ω_y为检测模态谐振频率，Q_y为检测模态品质因数。

根据开环检测工作原理，可以得到角速度检测开环传递函数为：

式(A2)中：H_open(s)为陀螺检测开环传递函数，V_open为硅微机械陀螺仪开环检测输出电压，Ω_z表示输入角速度，K_yc为检测模态梳齿电容转换增益，K_cv为电容电压转换增益，K_amp为检测回路前置放大器增益，V_ref为解调基准电压，A_x为驱动梳齿振动位移，ω_d为驱动角频率，F_lpf(s)为相敏解调环节中的低通滤波器传递函数，为解调相角，ω_y为硅微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率，Q_y为检测模态品质因数。

对于模态匹配工作方式的硅微机械陀螺仪，即ω_y＝ω_x＝ω_d，此时理想解调相位可以计算出模态匹配状态下陀螺开环检测传递函数：