[发明专利]一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置

摘要

本发明公开了一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置，包括前端的硅微陀螺仪检测模块、中端的模拟接口模块和后端的FPGA模块，前端和后端通过中端相连，形成三个闭环控制回路。前端由检测机构、一对检测输出电极、力反馈机构、一对力反馈电极、正交校正机构、正交校正电极、频率调谐机构以及频率调谐电极组成；中端由C/V转换器、仪表放大器、模/数转换器以及四组数/模转换器组成；后端由输入子模块和两个解调子模块组成。本发明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；使用FPGA模块实现控制算法，能够有效抑制因温度变化、回路间相互耦合带来干扰，算法复杂度低，调谐精度高。

主权项

1.一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置，其特征在于，该装置包括：前端的硅微陀螺仪检测模块、中端的模拟接口模块和位于后端的FPGA模块，硅微陀螺仪检测模块和FPGA模块通过模拟接口模块相连，形成三个闭环控制回路；所述硅微陀螺仪检测模块包括：一对力反馈电极Ef+和Ef‑，将第一数/模转换器或第二数/模转换器生成的模拟电压信号Vo施加于力反馈机构；力反馈机构，将模拟电压信号Vo转化为静电力，对检测机构产生激励作用；检测机构，将力反馈机构产生的激励作用转换为电容变化量；受到正交校正机构的校正力和频率调谐机构的模拟直流调谐电压的作用，使正交信号和检测模态频率发生变化；一对检测输出电极Es+，Es‑，检测并输出在力反馈机构作用下检测机构的电容变化量；正交校正电极Eq，将第三数/模转换器输出的模拟正交校正电压施加于正交校正机构；正交校正机构，将数字正交校正信号Vq转换为硅微陀螺仪检测方向的校正力，作用在检测机构上，用于消除硅微陀螺仪的正交误差；频率调谐电极Et，将第四数/模转换器输出的模拟直流调谐电压施加于频率调谐机构；频率调谐机构，受频率调谐电极Et产生的模拟直流调谐电压的作用，根据静电负刚度效应，硅微陀螺仪检测方向结构刚度发生变化，改变检测模态谐振频率，完成硅微陀螺仪的模态匹配；所述模拟接口模块包括：C/V转换器，将一对检测输出电极Es+，Es‑输出的电容变化量转换成电压信号；仪表放大器，对C/V转换器转换的电压信号幅度进行差分放大得到模拟响应信号Vo，所述模拟响应信号Vo在模态匹配之前包含双边输入信号Vi响应幅度信息，在模态匹配之后，包含哥氏加速度信号和正交误差信号；模/数转换器，将仪表放大器差分放大后的模拟响应信号Vo转换为数字量，并输出至FPGA模块；第一数/模转换器，将输入子模块生成的数字双边输入信号Vi转换为模拟电压信号后输出至力反馈电极Ef+和Ef‑；第二数/模转换器，将第一解调子模块解调出的数字检测反馈信号Vf转换为模拟电压信号后输出至力反馈电极Ef+和Ef‑；第三数/模转换器，将第一解调子模块解调出的数字正交校正信号Vq转换为模拟信号后输出至正交校正电极Eq；第四数/模转换器，将第二解调子模块解调出的数字直流调谐信号Vt转换为模拟直流调谐电压后输出至频率调谐电极Et；所述FPGA模块包括：输入子模块，采用复数相乘算法生成并输出数字双边输入信号Vi和一对解调基准sinw₁t、sinw₂t；第一解调子模块，采用平方解调算法提取模拟响应信号Vo的幅度差，并对幅度差作PI控制得到数字直流调谐信号Vt；第二解调子模块，在模态匹配完成之后，采用相乘解调算法对模拟响应信号Vo进行解调，生成数字检测反馈信号Vf和数字正交校正信号Vq。