[发明专利]一种微机电多环陀螺实时模态自动匹配系统

说明书

本发明公开了一种微机电多环陀螺实时模态自动匹配系统，该系统是在微机电多环陀螺检测模态的力反馈电极上施加一高频激励力信号，利用微机电多环陀螺检测模态输出信号的幅相频特性，通过模态匹配模块对高频激励力信号的相位变化信息进行求取，对高频激励力信号的相位变化信息处理后最终输出调谐电压，并将调谐电压反馈到微机电多环陀螺的调谐电极上实现调谐电压闭环控制，从而完成微机电多环陀螺的实时模态自动匹配。本发明可以提高微机电多环陀螺的机械灵敏度、零偏稳定性、角度随机游走等关键性能指标，减小外界环境温度变化对陀螺测量精度的影响，且避免了模态匹配过程中正交误差信号对陀螺角速率输出的干扰，具有实时自动且高精度的特性。

技术领域

本发明属于微机电多环陀螺领域，特别是一种微机电多环陀螺实时模态自动匹配系统。

背景技术

微机电多环陀螺是一种同时能兼顾固体波动陀螺和微机电陀螺两类陀螺优良特性的新型微陀螺，且因其全对称的结构设计，从而具有简并正交的驱动与敏感模态，实现了更高的Q值和谐振频率对称性；对外界的振动和加速度干扰也具有很好的抑制能力；陀螺整体结构除了锚点外均为悬空结构，使得封装后产生的应力对陀螺结构的影响小；此外，温度系数小也是该陀螺的一大优势。基于上述优点，微机电多环陀螺被广泛应用于消费电子、工业控制、航空航天、军事等领域，是微机电陀螺的重要组成部分。

因为微机电多环陀螺的谐振子具有良好的对称性，所以陀螺的驱动模态和敏感模态的谐振频率在理论上应该完全相同。但是由于加工过程中存在的误差导致谐振子质量、刚度等参数周向不均匀分布。谐振子在振动过程中会因为这些问题使得原来两个模态相同的谐振频率裂解成不同的频率，产生频率裂解现象，直接影响到陀螺输出的灵敏度、零偏稳定性等性能指标。

为了解决这个问题，国内外研究者提出了许多能够实现陀螺模态匹配的频率调谐方法，主要有机械调谐以及静电调谐这两种方法，对于机械调谐法而言只能通过特殊的制造工艺来对陀螺结构的质量、几何尺寸进行修调，这就导致了调谐过程的局限性较大，并且很难实现陀螺的模态自动匹配。而静电调谐方法利用静电负刚度效应改变陀螺的等效刚度，不需要对陀螺结构做出调整，因而被公认为一种成本低、效率高的模态匹配技术并广泛应用。目前大多数静电调谐模态匹配方法只能实现初始状态下的模态匹配，受到环境因素影响后就无法保持匹配状态，因此如何利用静电调谐方法实现高精度的实时模态自动匹配，是当前微机电多环陀螺的研究热点之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微机电多环陀螺实时模态自动匹配系统，以实现微机电多环陀螺的实时模态自动匹配，提高微机电多环陀螺的关键性能指标，减小外界环境温度变化对陀螺测量精度的影响，且避免了模态匹配过程中正交误差信号对陀螺角速率输出的干扰，具有实时自动且高精度的特性。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种微机电多环陀螺实时模态自动匹配系统，包括高频激励力信号输入模块、正交误差解调模块、正交误差控制模块、角速率解调模块、角速率调制模块和模态匹配模块；

所述高频激励力信号输入模块产生的是一个高于微机电多环陀螺驱动模态的谐振频率的正弦形式的交流信号，作为参考信号输入到微机电多环陀螺的力反馈电极上；

所述角速率调制模块用于将微机电多环陀螺的角速率信号进行调整，该模块的输出信号作为力平衡信号输入到微机电多环陀螺的力反馈电极上，完成微机电多环陀螺的力平衡闭环控制；

所述正交误差解调模块用于将微机电多环陀螺的检测电极上的输出信号解调成正交误差信号；

所述角速率解调模块用于将微机电多环陀螺的检测电极上的输出信号解调成角速率信号；

所述正交误差控制模块的输出信号用于对微机电多环陀螺的正交误差信号进行正交误差抑制，对陀螺的闭环正交误差进行抑制；