[发明专利]一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置

说明书

本发明公开了一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置，包括前端的硅微陀螺仪检测模块、中端的模拟接口模块和后端的FPGA模块，前端和后端通过中端相连，形成三个闭环控制回路。前端由检测机构、一对检测输出电极、力反馈机构、一对力反馈电极、正交校正机构、正交校正电极、频率调谐机构以及频率调谐电极组成；中端由C/V转换器、仪表放大器、模/数转换器以及四组数/模转换器组成；后端由输入子模块和两个解调子模块组成。本发明能够实现硅微陀螺仪实时在线模态自动匹配，同时配合实现闭环检测和正交误差校正；使用FPGA模块实现控制算法，能够有效抑制因温度变化、回路间相互耦合带来干扰，算法复杂度低，调谐精度高。

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)和微惯性导航的测量仪表技术领域，特别是涉及一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置。

背景技术

硅微陀螺仪作为一种能够测量角速率的微型惯性传感器，具有体积小、功耗低、集成度高等优点，因此被广泛应用于民用和军事领域，具体包括汽车侧翻监测、消费类电子产品转向检测以及姿态角控制等。尽管如此，现有的硅微陀螺仪在偏置稳定性方面仍落后于光纤陀螺仪、环形激光陀螺仪以及其他高精度陀螺仪。因此，如何进一步提高硅微陀螺仪的性能仍是一个研究热点。模态匹配技术、闭环检测以及正交误差校正技术都是提高硅微陀螺仪精度的重要手段。其中，模态匹配技术通过消除硅微陀螺仪的驱动模态和检测模态之间的谐振频率差，能有效提高其偏置稳定性和机械灵敏度，再配合闭环检测和正交误差校正技术，可进一步提高对哥氏加速度信号检测的准确度。传统模拟电路易受温度、电磁场等因素干扰，且需消耗大量器件才能实现一些简单算法，而使用FPGA系统将控制回路数字化，既可以减小外界因素干扰，又可以利用其高速并行处理数据的能力来实现大量控制算法，因此将FPGA系统运用至硅微陀螺仪的控制具有良好的运用前景。

发明内容

发明目的：针对现有技术不足，本发明提出了一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置。

技术方案：一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置，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施加于力反馈机构；

力反馈机构，将模拟电压信号转化为静电力，对检测机构产生激励作用；

进一步地，所述力反馈机构包括一对与力反馈电极Ef+、Ef-分别相连的力反馈极板和施以载波信号的活动极板；所述力反馈电极Ef+、Ef-接入数字双边输入信号Vi或数字检测反馈信号Vf经第一数/模转换器转换并输出的模拟信号；所述第一数/模转换器输出的模拟信号经力反馈极板转换而产生静电力，推或者拉活动极板沿检测方向产生位移，作用至检测机构上；

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；

进一步地，所述检测机构包括一对与检测输出电极Es+，Es-相连的检测输出极板(11，12)和接收外部设备施加的高频载波信号的活动极板(10)；所述活动极板(10)根据力反馈机构的作用，产生相应的位移，使活动极板(10)与检测输出极板(11，12)间的电容量发生变化；所述检测输出电极Es+和Es-将电容变换量传输至C/V转换器；

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；