[发明专利]用于模态匹配状态硅微机械陀螺仪带宽拓展数字校正方法

摘要

本发明公开了一种用于模态匹配状态硅微机械陀螺仪带宽拓展数字校正方法，该方法是采用如下步骤实现的1)建立模态匹配状态硅微机械陀螺仪闭环检测模型；2)在硅微机械陀螺仪的检测回路中增设比例积分相位超前校正器；3)对校正器进行离散化，得到用于模态匹配状态硅微机械陀螺仪带宽拓展的数字校正器；所述比例积分相位超前数字校正器包含比例环节、积分环节和相位超前环节。本发明解决了模态匹配状态下硅微机械陀螺仪无法兼顾静态灵敏度和工作带宽的问题，用于模态匹配状态硅微机械陀螺仪带宽拓展的数字校正。

主权项

一种用于模态匹配状态硅微机械陀螺仪带宽拓展数字校正方法，其特征在于，包括以下步骤：1)对开环检测进行改进，构成陀螺闭环检测环路，根据闭环检测工作原理，可以得到角速度检测闭环传递函数为：式(A7)中：Hclose(s)为陀螺检测闭环传递函数，Vclose为硅微机械陀螺仪闭环检测输出电压，Ωz表示输入角速度，my为陀螺检测模态检测质量，Ax为驱动梳齿振动位移，Hopen(s)为陀螺检测开环传递函数，KyVF为反馈电压到检测反馈力的转换系数，Kyc为检测模态梳齿电容转换增益，Kcv为电容电压转换增益，Kamp为检测回路前置放大器增益，Vref为解调基准电压，为解调相角，Flpf(s)为相敏解调环节中的低通滤波器传递函数，Gy(s)为陀螺检测模态传递函数，Ffb(s)为力反馈校正器；闭环检测系统的静态灵敏度可以表示为：式(A8)中：Ks为硅微机械陀螺仪闭环检测静态灵敏度，Hclose(s)为陀螺检测闭环传递函数，my为陀螺检测模态检测质量，Ax为驱动梳齿振动位移，Hopen(s)为陀螺检测开环传递函数，KyVF为反馈电压到检测反馈力的转换系数，Kyc为检测模态梳齿电容转换增益，Kcv为电容电压转换增益，Kamp为检测回路前置放大器增益，Vref为解调基准电压，为解调相角，Flpf(0)为低通滤波器静态增益，Gy(s)为陀螺检测模态传递函数，Ffb(0)为力反馈校正器静态增益；当校正器静态增益Ffb(0)很大，即满足环路增益>>1时，此时有：Ks=2myAxωdKyVF--(A9)]]>式(A9)中：Ks为硅微机械陀螺仪闭环检测静态灵敏度，my为陀螺检测模态检测质量，Ax为驱动梳齿振动位移，ωd为驱动角频率，KyVF为反馈电压到检测反馈力的转换系数；从式(A9)可以发现，当环路增益很大时，检测闭环控制系统的静态灵敏度与陀螺频差无关，也与前馈检测增益无关；只与检测质量块大小、驱动模态振动幅度和谐振频率以及检测力反馈转换增益有关；比较式(A9)和式(A4)可知，与开环检测系统的静态灵敏度相比，闭环检测系统的静态灵敏度受温度等环境影响较小，因此可以显著改善系统的稳定性和可靠性；2)为了方便设计闭环校正器，从哥氏力输入和反馈力输出的角度构成单位负反馈系统，该闭环反馈系统的开环传递函数为：式(A10)中：Hopen(s)表示闭环反馈系统的开环传递函数，Ff为检测反馈力，Ωz表示输入角速度，Kyc为检测模态梳齿电容转换增益，Kcv为电容电压转换增益，Kamp为检测回路前置放大器增益，Vref为解调基准电压，Ax为驱动梳齿振动位移，ωd为驱动角频率，Flpf(s)为低通滤波器传递函数，Ffb(s)为力反馈校正器传递函数，KyVF为反馈电压到检测反馈力的转换系数，为解调相角，ωy为硅微机械陀螺仪检测模态的谐振角频率，Qy为检测模态品质因数；在系统中加入频率特性合适的校正器，应该使开环系统频率特性形状满足：低频段增益充分大，以保证系统稳态误差的要求；中频段对数幅频特性斜率‑20dB/dec，并占据充分宽的频带，以保证系统具备适当的相角裕度；高频段增益应尽快减小，以削弱噪声的影响；由于模态匹配状态下的陀螺检测模型可以看作一阶惯性环节，因此，可以采用比例积分环节与相位超前环节相结合的串联校正方式来对检测控制回路进行整形；校正器的传递函数为：Ffb(s)=(Kp+Kis)·(s+ω1s+ω2)---(A11)]]>式(A11)中：Ffb(s)为力反馈校正器传递函数，Kp、Ki分别为比例积分控制器的比例系数和积分系数，ω1和ω2分别为相位超前环节的零极点，且ω1<ω2；3)由于硅微机械陀螺仪实际控制系统中的校正器由数字电路实现，因此，需要对式(A11)进行离散域变换，比例积分控制器的离散域模型为：D1(z)=Kp+KiT0·11-z-1=(Kp+KiT)z-Kpz-1---(A12)]]>式(A12)中：D1(z)为比例积分控制器的离散域表达式，Kp、Ki分别为比例积分控制器的比例系数和积分系数，T0为离散系统采样间隔；相位超前环节的离散模型利用双线性变换法得：D2(z)=s+ω1s+ω2|s=2T01-z-11+z-1=(2+ω1T0)z+(ω1T0-2)(2+ω2T0)z+(ω2T0-2)---(A13)]]>式(A13)中：D2(z)为相位超前环节的离散域表达式，ω1和ω2分别为相位超前环节的零极点，T0为离散系统采样间隔；因此，所发明的比例积分控制器与相位超前环节串联数字校正器的表达式为：D(z)=D1(z)·D2(z)=(Kp+KiT)z-Kpz-1·(2+ω1T0)z+(ω1T0-2)(2+ω2T0)z+(ω2T0-2)---(A14)]]>式(A14)中：D(z)为所发明的数字校正器，D1(z)为比例积分控制器的离散域表达式，D2(z)为相位超前环节的离散域表达式，Kp、Ki分别为比例积分控制器的比例系数和积分系数，ω1、ω2分别为相位超前环节的零极点，T0为离散系统采样间隔。