[发明专利]基于偶极子补偿法的微机械陀螺仪带宽拓展方法

摘要

本发明涉及微机械陀螺仪，具体是一种基于偶极子补偿法的微机械陀螺仪带宽拓展方法。本发明解决了微机械陀螺仪无法兼顾机械灵敏度和带宽的问题。基于偶极子补偿法的微机械陀螺仪带宽拓展方法，该方法是采用如下步骤实现的1)以扫频的方式确定微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的谐振角频率；2)根据微机械陀螺仪驱动模态和检测模态扫频测试的结果，计算得出微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的品质因数；3)在微机械陀螺仪的检测回路中增设偶极子补偿控制器；所述偶极子补偿控制器包括零极点发生环节、比例环节。本发明适用于微机械陀螺仪。

主权项

一种基于偶极子补偿法的微机械陀螺仪带宽拓展方法，其特征在于：该方法是采用如下步骤实现的：1）以扫频的方式确定微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的谐振角频率；2）根据微机械陀螺仪驱动模态和检测模态扫频测试的结果，计算得出微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的品质因数，具体计算公式如下：式（A12）中：Qx为微机械陀螺仪驱动模态的品质因数；ωx为微机械陀螺仪驱动模态的谐振角频率；ωx‑3、ωx+3为比微机械陀螺仪驱动模态固有频率状态下的信号幅值小3分贝信号幅值对应的两个输入角速率信号频率点，且ωx‑3＜ωx＜ωx+3；Qy为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；ωy为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；ωy‑3、ωy+3为比微机械陀螺仪检测模态固有频率状态下的信号幅值小3分贝信号幅值对应的两个输入角速率信号频率点，且ωy‑3＜ωy＜ωy+3；根据微机械陀螺仪驱动模态和检测模态的品质因数，计算得出微机械陀螺仪的标度因数，具体计算公式如下：式（A13）中：VOopen为微机械陀螺仪的输出信号；Ωz为微机械陀螺仪的输入角速率；Ax为驱动轴向结构的运动幅度；ωd为驱动模态驱动力的角频率； Vdac为驱动模态激励信号的幅度；Kyc为检测位移提取结构的转换系数；Kpre为前级放大接口的增益倍数；Ksec为次级放大器的增益倍数；FLPF1为第一低通滤波器的增益；FLPF2为第二低通滤波器的增益；ωy为微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率；Qy为微机械陀螺仪检测模态的品质因数；p1、p2为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点；p3、p4为微机械陀螺仪在其模态频和处存在的两个共轭极点；通过对式（A13）进行化简可得：式（A14）中：VOopen为微机械陀螺仪的输出信号；Ωz为微机械陀螺仪的输入角速率；Kcon为0.5AxωdVdacKycKpreKsec；FLPF1为第一低通滤波器的增益；FLPF2为第二低通滤波器的增益；z1、z2为的解；p1、p2为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点；p3、p4为微机械陀螺仪在其模态频和处存在的两个共轭极点；3）在微机械陀螺仪的检测回路中增设偶极子补偿控制器；所述偶极子补偿控制器包括零极点发生环节、比例环节；零极点发生环节的输入端与第一低通滤波器的输出端连接，零极点发生环节的输出端与比例环节的输入端连接，比例环节的输出端与第二低通滤波器的输入端连接；设偶极子补偿控制器的传递函数为：式（A15）中：Fdcc为偶极子补偿控制器的传递函数；Kdcc为偶极子补偿控制器的增益；偶极子补偿控制器的增益由比例环节产生；zdcc1、zdcc2为偶极子补偿控制器的两个共轭零点；pdcc1、pdcc2为偶极子补偿控制器的两个极点； 偶极子补偿控制器的两个共轭零点和极点由零极点发生环节产生；增设偶极子补偿控制器后，微机械陀螺仪的标度因数变为式（A14）和式（A15）的乘积：式（A16）中：VOopen为微机械陀螺仪的输出信号；Ωz为微机械陀螺仪的输入角速率；Kcon为0.5AxωdVdacKycKpreKsec；FLPF1为第一低通滤波器的增益；FLPF2为第二低通滤波器的增益；z1、z2为的解；Kdcc为偶极子补偿控制器的增益；zdcc1、zdcc2为偶极子补偿控制器的两个共轭零点；p1、p2为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点；p3、p4为微机械陀螺仪在其模态频和处存在的两个共轭极点；设计偶极子补偿控制器的两个共轭零点，使得偶极子补偿控制器的两个共轭零点与微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点组成偶极子：p1＝zdcc1p2＝zdcc2（A17）；式（A17）中：p1、p2为微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点；zdcc1、zdcc2为偶极子补偿控制器的两个共轭零点；通过对式（A16）进行化简可得：式（A18）中：VOopen为微机械陀螺仪的输出信号；Ωz为微机械陀螺仪的输入角速率；Kcon为0.5AxωdVdacKycKpreKsec；Kdcc为偶极子补偿控制器的增益；FLPF1为第一低通滤波器的增益；FLPF2为第二低通滤波器的增益；z1、z2为的解；p3、p4为微机械陀螺仪在其模态频和处存在的两个共 轭极点；pdcc1、pdcc2为偶极子补偿控制器的两个极点；根据式（A18）可知，微机械陀螺仪的标度因数不再受微机械陀螺仪在其模态频差处存在的两个共轭极点的制约，而仅受偶极子补偿控制器的两个极点以及第一低通滤波器的增益和第二低通滤波器的增益的制约，由此使得微机械陀螺仪的带宽不再受微机械陀螺仪的模态频差的制约。