[发明专利]一种高动态MEMS谐振式陀螺仪力平衡控制方法

说明书

本发明公开了一种高动态MEMS谐振式陀螺仪力平衡控制方法，其大致包括如下步骤：首先，由陀螺仪谐振模型得到其增广形式作为MPC控制器的计算模型；然后，在满足控制器平衡力输出约束的条件下，在每个采样时刻实时计算出最优平衡力序列，并取其向量中的第一个值作为下一时刻的控制量。如此循环计算，最终可得到一组最优平衡力序列使得陀螺仪谐振模型的输出趋近于谐振输出给定值，从而抵消科里奥利力，达到力平衡。本发明能够实现MEMS谐振式陀螺仪振幅和频率的精确控制，为陀螺仪提供精准的模态驱动，保证陀螺仪的测量精度和稳定性。同时扩大了陀螺仪动态范围和测量带宽，提高了尺度因子的线性度和抗干扰能力，提高了MEMS谐振式陀螺仪的灵敏度和整体性能。

技术领域

本发明涉及一种高动态MEMS谐振式陀螺仪力平衡控制方法。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)谐振式陀螺仪具有体积小、功耗低、质量轻、抗过载能力强等优点，广泛应用于汽车电子、消费电子和国防科技等领域。

控制系统是MEMS谐振式陀螺仪的重要组成部分，主要用于控制陀螺仪微机械的运动状态以及对电容检测电路输出的信号进行处理输出角速度信息。一方面，控制系统使陀螺仪始终工作在谐振状态，保证陀螺仪具有较高的灵敏度，另一方面，控制系统对陀螺驱动模态的振幅进行高稳定控制和正交抑制，保证陀螺仪测量稳定性和精度。

目前，MEMS陀螺仪控制系统多采用数字式，但存在系统性能受限、成本较高、开发周期较长等问题。在MEMS谐振式陀螺仪的运行架构中，力平衡控制得到了广泛的应用。现有的力平衡控制方法主要有自适应、鲁棒控制、滑模控制和PID等。其中：

自适应控制、鲁棒控制等方法设计较为复杂，存在严重的可靠性问题；滑膜控制对系统的参数摄动和外部干扰的不变性是以控制量的高频振动换取的，在实际系统中难以适用。

PID控制凭其结构简单、工作性能稳定等优点被广泛应用于MEMS谐振式陀螺仪控制之中，例如：公开号为CN110160514A的中国发明专利申请公开了一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置，该数字化闭环控制装置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；另外，上述数字化闭环控制装置使用FPGA模块实现控制算法，能够有效抑制温度变化，算法复杂度低，调谐精度高。

然而，该数字化闭环控制装置控制算法选用PID控制，具有因积分而导致系统超调量过大的问题，影响控制精度和效果，且带宽较小，灵敏度较低，抗干扰能力较弱。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高动态MEMS谐振式陀螺仪力平衡控制方法，以实现MEMS谐振式陀螺仪振动频率和振动幅度的精确控制，扩大陀螺仪动态范围和测量带宽。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：

一种高动态MEMS谐振式陀螺仪力平衡控制方法，包括如下步骤：

S1.由陀螺仪谐振模型得到其增广形式作为MPC控制器的计算模型；

S1.1.对陀螺仪谐振模型标准化得到陀螺仪标准状态空间模型，模型的表达式如下：

其中，u(k)为跟踪偏差，u(k)＝f_k-f(k)；

f_k表示谐振输出给定量，即待抵消的科里奥利力；

f(k)为第k时刻MPC控制器输出的平衡力；

x_m(k)、x_m(k+1)分别表示第k时刻、第k+1时刻MPC控制器的状态变量；

A_m表示陀螺仪标准状态空间模型的状态转移矩阵；