[发明专利]一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置

权利要求书

1.一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置，其特征在于，该装置包括：前端的硅微陀螺仪检测模块、中端的模拟接口模块和位于后端的FPGA模块，硅微陀螺仪检测模块和FPGA模块通过模拟接口模块相连，形成三个闭环控制回路；

所述硅微陀螺仪检测模块包括：

一对力反馈电极Ef+和Ef-，将第一数/模转换器或第二数/模转换器生成的模拟电压信号Vo施加于力反馈机构；

力反馈机构，将模拟电压信号Vo转化为静电力，对检测机构产生激励作用；

检测机构，将力反馈机构产生的激励作用转换为电容变化量；受到正交校正机构的校正力和频率调谐机构的模拟直流调谐电压的作用，使正交信号和检测模态频率发生变化；

一对检测输出电极Es+，Es-，检测并输出在力反馈机构作用下检测机构的电容变化量；

正交校正电极Eq，将第三数/模转换器输出的模拟正交校正电压施加于正交校正机构；

正交校正机构，将数字正交校正信号Vq转换为硅微陀螺仪检测方向的校正力，作用在检测机构上，用于消除硅微陀螺仪的正交误差；

频率调谐电极Et，将第四数/模转换器输出的模拟直流调谐电压施加于频率调谐机构；

频率调谐机构，受频率调谐电极Et产生的模拟直流调谐电压的作用，根据静电负刚度效应，硅微陀螺仪检测方向结构刚度发生变化，改变检测模态谐振频率，完成硅微陀螺仪的模态匹配；

所述模拟接口模块包括：

C/V转换器，将一对检测输出电极Es+，Es-输出的电容变化量转换成电压信号；

仪表放大器，对C/V转换器转换的电压信号幅度进行差分放大得到模拟响应信号Vo，所述模拟响应信号Vo在模态匹配之前包含双边输入信号Vi响应幅度信息，在模态匹配之后，包含哥氏加速度信号和正交误差信号；

模/数转换器，将仪表放大器差分放大后的模拟响应信号Vo转换为数字量，并输出至FPGA模块；

第一数/模转换器，将输入子模块生成的数字双边输入信号Vi转换为模拟电压信号后输出至力反馈电极Ef+和Ef-；

第二数/模转换器，将第一解调子模块解调出的数字检测反馈信号Vf转换为模拟电压信号后输出至力反馈电极Ef+和Ef-；

第三数/模转换器，将第一解调子模块解调出的数字正交校正信号Vq转换为模拟信号后输出至正交校正电极Eq；

第四数/模转换器，将第二解调子模块解调出的数字直流调谐信号Vt转换为模拟直流调谐电压后输出至频率调谐电极Et；

所述FPGA模块包括：

输入子模块，采用复数相乘算法生成并输出数字双边输入信号Vi和一对解调基准sinw₁t、sinw₂t；

第一解调子模块，采用平方解调算法提取模拟响应信号Vo的幅度差，并对幅度差作PI控制得到数字直流调谐信号Vt；

第二解调子模块，在模态匹配完成之后，采用相乘解调算法对模拟响应信号Vo进行解调，生成数字检测反馈信号Vf和数字正交校正信号Vq。

2.根据权利要求1所述的一种基于数字化技术的硅MEMS陀螺仪多回路闭环控制装置，其特征在于：所述频率调谐机构包括连接至频率调谐电极Et的调谐极板(1)、施以载波信号的公共极板(2)，所述频率调谐电极Et接入数字直流调谐信号Vt经第四数/模转换器转换并输出的模拟信号；所述调谐极板(1)和公共极板(2)之间的静电力在硅微陀螺仪驱动和检测方向上都保持平衡，用于根据直流调谐信号Vt的变化改变硅微陀螺仪检测方向上的刚度(3)，使检测模态谐振频率匹配至驱动模态谐振频率。

3.根据权利要求1所述的一种基于数字化技术的硅MEMS陀螺仪多回路闭环控制装置，其特征在于：所述正交校正机构包括连接至正交校正电极Eq的校正极板(4)和施以载波信号的公共极板(5)；所述正交校正电极Eq接入数字正交校正信号Vq经第三数/模转换器转换并输出的模拟信号，所述公共极板(5)的梳齿与校正极板(4)的上下间距不等，用于根据直流正交校正信号Vq在检测方向所产生的静电力的不平衡性，生成检测方向的正交校正力(6)，校正检测模态的正交误差。