[发明专利]一种微机械陀螺实时自动模态匹配方法

说明书

本发明公开了一种微机械陀螺实时自动模态匹配方法，本发明通过外加摄动信号的方法，利用微机械陀螺检测模态的输出相位特性，通过模态匹配模块对位移信号提取模块的输出信号进行上边带相位与下边带相位的求取，所得相位之和的二分之一与固定参考相位进行闭环控制得到调谐电压从而实现自动实时模态匹配；且避免了微机械陀螺电路的相位波动对模态匹配精度的影响。本发明通过闭环控制，无需外加调谐信号，具有实时自动且高精度的特性，对于外界的环境具有鲁棒性。

技术领域

本发明涉及微机械陀螺，尤其涉及一种微机械陀螺实时自动模态匹配方法。

背景技术

微机械陀螺有质量小、体积小、低功耗、成本低、稳定性高、可批量生产等特点，应用前景广泛。在工业控制、航空航天、汽车、消费电子、军事等领域中微机械陀螺仪均有很好的应用。随着MEMS技术的进一步发展，微机械陀螺仪也得到了很大的发展。

微机械陀螺由驱动模态和检测模态组成，利用两个模态间的柯氏耦合引起的能量转移这一原理实现角速度检测。如果陀螺的两个模态的谐振频率相同(也就是达到模态匹配)时，微机械陀螺的灵敏度最大化，从而极大提高陀螺的信噪比，提高测量精度。然而微机械陀螺的制造工艺尚未完善，在实际上并不能保证结构的频率均匀性。目前模态匹配的方法主要有机械修调以及静电调节等两种方法，主要细分为利用激光来去除多余的质量达到频率的一致性、利用静电调谐产生静电等效刚度实现匹配的模态。一般来说，静电调谐的方法更便捷和普适性，在微机械陀螺中受到广泛应用。静电调谐实现模态匹配有初始模态匹配和实时自动匹配等几种方法。由于微机械陀螺在实际工作环境中其谐振频率会随外界的温度、湿度等环境因素而发生变化，初始模态匹配技术无法保持匹配的状态，因此实时模态匹配技术是提高微机械陀螺模态匹配精度的关键技术。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种微机械陀螺实时自动模态匹配技术

本发明的具体方案如下：

一种微机械陀螺实时自动模态匹配方法包括如下步骤：

1)角速度控制模块的输出信号、正交误差控制模块的输出信号、摄动信号共同输入到反馈静电电压产生模块，得到反馈电压施加到微机械陀螺的反馈力输入端；

2)微机械陀螺的位移输出端的信号作为位移信号提取模块的输入信号，位移信号提取模块的输出信号作为角速度控制模块、正交误差模块和模态匹配模块的输入信号；

3)模态匹配模块对位移信号提取模块的输出信号进行上边带相位与下边带相位的求取，所得相位之和的二分之一与固定参考相位进行闭环控制得到调谐电压从而实现自动实时模态匹配；模态匹配模块的输出信号作为调谐电压施加到微机械陀螺的调谐端。

作为本发明的优选方案，所述的摄动信号为正弦形式，频率ω_p大于4-5倍系统带宽。

作为本发明的优选方案，所述的模态匹配模块包含上边带相位提取模块、下边带相位提取模块和模态匹配调节器，模态匹配模块的输入信号通过上边带相位提取模块得到上边带相位，通过下边带相位提取模块得到下边带相位，上边带相位与下边带相位作为模态匹配调节器的输入信号，模态匹配调节器的输出信号就是模态匹配模块的输出信号。

作为本发明的优选方案，所述的上边带相位提取是指以上边带混频频率的上边带同相解调滤波和上边带正交解调滤波，并通过反正切运算得到上边带相位，下边带相位提取是指以下边带混频频率的下边带同相解调滤波和下边带正交解调滤波，并通过反正切运算得到下边带相位。

作为本发明的优选方案，所述的模态匹配调节器将固定参考相位与上下边带相位之和的二分之一相减得到的差值，输入给比例-积分-微分作用器进行闭环控制得到模态匹配调节器的输出信号。

作为本发明的优选方案，所述的上边带混频频率为微机械陀螺驱动频率与摄动信号频率的之和，下边带混频频率为微机械陀螺驱动频率与摄动信号频率的之差。