一種硅微機械線振動式陀螺及其帶寬拓展方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及娃微機械巧螺領域，具體設及一種娃微機械線振動式巧螺及其帶寬拓 展方法。
【背景技術】
[000引 娃微機械巧螺是一種用MEMS (Micro-Electro-Mechanical System,微機電系統） 技術加工而成的慣性測量傳感器，其采用哥氏效應原理測量載體角速率信息，具有體積小、 功耗低、重量輕、成本低、抗過載特性強、易于集成化和批量生產等優點。目前在很多領域都 有應用，比如：慣性導航、汽車安全、工業控制、消費電子等。其最初誕生在上世紀80年代 末，隨著加工工藝和測控技術的不斷發展，娃微機械巧螺的精度也逐漸提高，目前國際上娃 微機械巧螺較高精度已經可達r /h(零偏穩定性）W內，已經可滿足戰術級巧螺儀的精度 需求。
[0003] 娃微機械線振動式巧螺作為娃微機械巧螺的一種，近年來得到各科研機構和公司 的推崇，相比與其他工作方式的娃微機械巧螺（角振動式，轉子式等），線振動式巧螺結構 具有加工結構簡單，檢測信號線性度好等優點。目前，國際主流的精度較高的娃微機械巧螺 大部分都采用了線振動結構。
[0004] 圖1為典型的娃微機械巧螺儀組成結構示意圖，在理想的巧螺結構中，存在巧螺 系統的動力方程為：
[0005]
【主權項】
1. 一種硅微機械線振動式陀螺，其特征在于，包括陀螺結構（I)、陀螺測控電路（2)和 陀螺封裝（3)其中， 所述的陀螺結構（1)包括驅動軸向結構（11)和檢測軸向結構（12)，所述檢測軸向結構 (11)由驅動軸向結構的驅動信號XS驅動并輸出驅動軸向結構（11)的檢測信號XV到陀螺 測控電路（2)，所述檢測軸向結構（12)包括檢測力反饋結構（121)、哥氏質量（122)和檢測 位移提取結構（123); 所述陀螺測控電路（2)包括驅動閉環回路（21)和檢測閉環回路（22)，其中，所述驅動 閉環回路（21)保證所述驅動軸向結構（11)沿驅動方向恒幅度振動且振動頻率為驅動模態 固有諧振頻率；所述的檢測閉環回路（22)包括級放大接口（221)、次級放大器（222)、解調 器（223)、第一低通濾波器（224)、第二低通濾波（228)、力反饋控制器（225)、調制器（226) 和直流信號疊加裝置（227)，所述的前級放大接口（221)用于將檢測電容變化量YV轉化為 電壓信號并進行初步放大；所述次級放大器（222)將前級放大接口（221)輸出信號進一步 放大；所述解調器（223)以驅動激勵信號XS為基準解調得到哥氏信號和二倍頻信號；所述 第一濾波器（224)用于濾除解調器輸出的二倍頻信號以得到純凈的哥氏信號幅值，所述第 二低通濾波器（228)用于輸出級的低通濾波； 所述的調制器（226)將力反饋控制器（225)的輸出信號與驅動激勵信號XS相乘以得 到同哥氏信號相位相同的信號；所述的直流信號疊加裝置（227)采用一固定直流電壓，與 反饋信號疊加繼而可與檢測力反饋結構（121)結合產生反饋靜電力。
2. 根據權利要求1所述的硅微機械線振動式陀螺，其特征在于，所述的檢測力反饋結 構（121)由電容極板或梳齒構成，用于將外加電壓信號轉換為靜電力信號；所述檢測位移 提取結構（123)由電容極板或梳齒構成，用于將檢測位移轉換為電容變化量。
3. 根據權利要求1所述的硅微機械線振動式陀螺，其特征在于，所述的力反饋控制器 (225)由依次相連的相位超前校正環節（225a)、比例環節（225b)和積分環節（225c)組成， 用于拓展帶寬。
4. 根據權利要求3所述的硅微機械線振動式陀螺，其特征在于，所述的相位超前校正 環節（225a)用于補償整個檢測系統開環的相位，提高整個系統的相位裕度。
5. 根據權利要求3所述的硅微機械線振動式陀螺，其特征在于，所述的比例環節 (225b)和積分環節（225c)用于保證整個檢測閉環系統的開環傳遞函數具有良好的幅值裕 度。
6. -種硅微機械線振動式陀螺的帶寬拓展方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 實時獲取檢測通道中哥氏信號幅值； (2) 將所述哥氏信號幅值作為控制量，依次通過帶有相位超前校正環節（225a)、比例 環節（225b)和積分環節（225c)的力反饋控制器（225)后，一部分輸出作為陀螺輸出信號， 另一部分輸入經過調制后作為力反饋信號（YS)施加至檢測力反饋機構（121)，當輸入角速 率幅值和頻率發生變化時，力反饋控制器可根據此變化實時調整控制信號，該信號可平衡 檢測框架所受的哥氏力； (3) 通過所述力反饋控制器中的相位超前校正環節（225a)提高系統開環的相位裕度， 使相位和幅值變化劇烈的△ f點滿足閉環系統的穩定需求，同時，調節所述力反饋控制器 中的比例環節（225b)和積分環節（225c)以得到必要的系統開環幅值裕度。
7. 根據權利要求6所述的拓展方法，其特征在于，步驟（1)通過如下步驟實現：實時獲 取驅動激勵信號XS和檢測輸出信號YV ;以驅動激勵信號XS為基準解調檢測輸出信號YV ; 輸出信號YV經第一低通濾波器224濾除解調后的高頻信號，得到哥氏信號幅值。
8. 根據權利要求6所述的拓展方法，其特征在于，步驟（2)通過如下步驟實現： 將所述步驟（1)得到的哥氏信號幅值送入力反饋控制器（225)，力反饋控制器（225)的 輸出信號一部分送入第二低通濾波器（228)處理后作為陀螺輸出信號，另一部分通過調制 器（226)經驅動激勵信號XS調制后在直流信號疊加裝置（227)中與直流信號疊加，作為反 饋力信號YS施加至檢測力反饋機構（121); 將調制器（226)的輸入端連接驅動激勵信號（XS)和力反饋控制器輸出信號； 直流信號疊加裝置（227)的輸入端分別為直流恒定電壓和調制器（226)的輸出信號， 該輸出信號為帶有直流偏置的交流信號，直流偏置量與直流恒定電壓相關； 通過調節上述直流偏置量對檢測閉環的反饋系數進行調整； 若輸入角速率增大或減小，則檢測輸出信號YV中哥氏信號幅度會增大或減小，則會導 致輸出信號增大或減小，同時，反饋力也會相應的增大或減小，平衡檢測框架的哥氏力。
9. 根據權利要求6所述的拓展方法，其特征在于，步驟（3)通過如下步驟實現： 在所述力反饋控制器中的相位超前校正環節（225a)中，可調節相關參數使該環節的 相位超前量達到預期目的； 將所述力反饋控制器中的相位超前校正環節（225a)串聯在檢測系統中，使整個系統 的開環相位被整體超前，致使Δ?·點的相位保持足夠的相位裕度； 將所述力反饋控制器中的比例環節（225b)和積分環節（225c)串聯在檢測系統中，并 調整相應的參數使系統達到一定的幅值裕度。
【專利摘要】本發明涉及一種硅微機械線振動式陀螺及其帶寬拓展方法，該陀螺儀包括陀螺結構、陀螺測控電路和陀螺封裝，陀螺結構包括驅動軸向結構和檢測軸向結構，陀螺測控電路包括驅動閉環回路和檢測閉環回路。該方法首先在檢測通道內提取信號后通過以哥氏同相信號為參考解調得到哥氏信號，其與輸入角速率成比例關系，該信號經反饋控制器作用后成為陀螺儀輸出信號和反饋控制信號，后以哥氏同相信號調制反饋控制信號經直流電壓疊加后施加至檢測反饋梳齒上形成靜電平衡檢測框架的哥氏力，以達到拓展陀螺帶寬目的。本發明在不降低陀螺機械靈敏度的情況下可獲得更大的陀螺帶寬，使陀螺帶寬不再受機械頻差制約。
【IPC分類】G01C19-5726, G01C19-5733
【公開號】CN104567849
【申請號】CN201410829073
【發明人】李宏生, 曹慧亮, 倪云舫, 徐露, 王瑞, 黃麗斌
【申請人】東南大學
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月26日