[发明专利]一种谐振加速度计的自适应闭环测量系统

说明书

本发明公开了一种谐振加速度计的自适应闭环测量系统，频率控制采用自适应控制的锁相环结构，可根据外界加速度的变化自动选择环路滤波器的控制方式，解决了现有技术中电路参数固定，无法自适应调节的问题，有效克服了锁相环路响应速度和稳态相差之间的矛盾，进而有效提升加速度计的量程、标度因数线性度和零偏稳定性。同时，实现结构简单，无需复杂算法，具有简单高效、适应性强的优点。其中的PI控制单元采用增量式算法，是对传统的位置式PI算法的改进，可获得更好的控制效果，有助于提升系统的稳定性；幅值控制模块采用交流自动增益控制方法，模块中采用简单有效的幅值解调方法，节省了硬件资源，并可在较大范围内调节驱动信号幅值。

技术领域

本发明属于MEMS加速度计技术领域，涉及加速度计的信号检测与驱动控制系统设计方法，特别是涉及MEMS硅微谐振加速度计的闭环测量技术。

背景技术

硅微谐振加速度计具有体积小、功耗低、准数字量输出、精度提升潜力大等优点，具有良好的应用前景，近些年成为国内外惯性领域的研究热点。现有谐振加速度计的频率控制多采用锁相环形式，其中的环路滤波器多基于PI控制，但由于PI参数固定，无法解决带宽与响应速度之间的矛盾，进而限制了加速度计的量程、零偏稳定性、标度因数线性度等指标。

有文献提出模糊PID控制、神经网络PID控制等方法在线调整PI参数，但算法过于复杂，会降低系统的可靠性，并会极大地占用硬件资源。同时，现有谐振加速度计的信号幅值解调模块多采用整流滤波、峰值检测等方式，会占用较多的硬件资源。

本领域技术人员急需一种简单可靠的控制方法，解决锁相环路带宽与响应速度之间的矛盾。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种谐振加速度计的自适应闭环测量系统，根据外界加速度的变化情况自适应地调节谐振加速度计的驱动方式，进而实现了硅微谐振加速度计同时满足大量程、高响应速度的性能要求。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案包括：

提供一种谐振加速度计的自适应闭环测量系统，第一采集模块、第二采集模块和数字测量单元；

第一采集模块采集谐振加速度计第一谐振音叉的振动位移检测信号，并发送给数字测量单元；第二采集模块采集谐振加速度计第二谐振音叉的振动位移检测信号，发送给数字测量单元；

数字测量单元包括第一控制单元和第二控制单元；第一控制单元对第一采集模块发送的信号，进行自适应频率控制和幅值控制后生成驱动信号驱动第一谐振音叉做谐振运动；第二控制单元对第二采集模块发送的信号，进行自适应频率控制和幅值控制后生成驱动信号驱动第二谐振音叉做谐振运动。

优选的，所述第一采集模块包括第一电容电压转换电路(C/V)和第一滤波电路；所述第二采集模块包括第二滤波电路和第二电容电压转换电路(C/V)；第一电容电压转换电路(C/V)连接第一谐振音叉的检测梳齿，检测第一谐振音叉与第一检测梳齿之间电容值的变化，并转换成电压信号输出；第二电容电压转换电路(C/V)连接第二谐振音叉的检测梳齿，检测第二谐振音叉与检测梳齿之间电容值的变化，并转换成电压信号输出。

优选的，第一控制单元包括第一频率控制模块和第一幅值控制模块，所述第一频率控制模块采用自适应锁相环结构进行频率控制；第一幅值控制模块采用交流自动幅值控制方式进行幅值控制；第二控制单元包括第二频率控制模块和第二幅值控制模块，所述第二频率控制模块采用自适应锁相环结构进行频率控制；第二幅值控制模块采用交流自动幅值控制方式进行幅值控制。