CN102278982B - 四质量块硅微机械陀螺耦合误差的抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种四质量块硅微机械陀螺耦合误差的抑制方法，其步骤为：(1)将硅微机械陀螺中的四个质量块分成两组，并将硅微机械陀螺表头等效为7端器件：包括驱动1+、驱动1-、驱动2+、驱动2-、敏感+、敏感-、公共极；(2)设置驱动主控制回路与驱动从控制回路以对两组质量块分别进行独立控制；(3)所述驱动从控制回路通过事先标定并且设定驱动直流V_DC2的值，使得通过公共极、高通滤波器0、敏感一次解调输出信号的耦合误差被消除。本发明具有原理简单、可操作性好、易推广使用等优点。

Description

四质量块硅微机械陀螺耦合误差的抑制方法

技术领域

本发明主要涉及到微惯性导航***的设计领域，特指一种应用于四质量块硅微机械陀螺的耦合误差抑制方法。

背景技术

硅微机械陀螺是构成微惯性导航***中敏感角速度的核心传感器，具有体积小、重量轻、成本低、易于批量生产等优点，在军、民用领域均有着广阔的应用前景。

硅微机械陀螺依靠振动力学原理检测哥氏加速度来测量旋转角速度，属于速率型陀螺仪，其基本原理如图1所示：

图1是一个无耦合共用质量块的***，其包括X方向弹簧101、Y方向弹簧104、质量102、X方向阻尼103、Y方向阻尼105，其中的自由度分别在X与Y方向。驱动端的运动在X方向，敏感端的运动在Y方向，驱动端的谐振频率ω_0x(实际***约为5KHz)与敏感端的谐振频率ω_0y不同。图1中，X方向运动基座106、Y方向运动基座108、X方向导轨滑块107、Y方向导轨滑块109用于限定运动方向。

(1)利用驱动电路使得硅微机械陀螺表头的驱动端(X方向弹簧101，质量102，X方向阻尼103)处于谐振状态，即电路的工作频率等于硅微机械陀螺表头驱动端的谐振频率ω_0x，这保证了硅微机械陀螺的灵敏度最大化。

(2)当Z轴存在外界角速度Ω输入时，在哥氏效应作用下，在硅微机械陀螺表头敏感端(Y方向弹簧104，质量102，Y方向阻尼105)-Y轴产生哥氏加速度a_g＝-2Ωv，其大小正比于外界输入的角速度Ω与硅微机械陀螺表头驱动端的质量块的运动速度v。此质量块在哥氏力F_g＝Ma_g的作用下沿着硅微机械陀螺敏感端-Y轴产生与硅微机械陀螺表头驱动端同频率的振动，其振动位移幅值大小与哥氏力大小成正比。

(3)利用转台标定的方法可以确定出同步解调结果与角速度的线性关系即零次项系数与一次项系数，然后根据标定的线性关系可以随时从同步解调结果确定出外界角速度输入值，最终完成了角速度检测。

理想情况下应该是当外界角速度为零时哥氏力必然为零，因为哥氏力与外界角速度在理论上是严格的正比关系。当硅微机械陀螺表头的驱动端处于(或近似处于)机械谐振状态，驱动端质量块的振动位移被施加了恒幅控制时(此状态定义为：驱动电路正常工作)，如果外界的角速度输入为零，由于不存在哥氏力，在陀螺表头的敏感端——Y轴也不应该存在机械位移。现在普遍存在的问题是当硅微机械陀螺表头与配套的驱动电路正常工作时，在静止情况下只有地球自转角速度的分量，因此可以近似认为外界角速度输入为零，然而通过示波器或者频谱分析仪明显地观察到表头敏感端——Y轴输出的信号通过一次解调后的强度非常大，并非为零且幅值远远大于零，同时经过敏感二次解调后表现为零偏非常大。零偏指按照前述方法将同步解调结果按照事先标定的线性关系反解出外界输入的角速度，即外界角速度输入为零(或者近似为零)时陀螺的角速度测量输出。这种静止情况下的零偏非常大意味着并非由于地球自转引起的角速度检测输出，而是别的原因造成的。

这一现象在惯性技术领域被称之为硅微机械陀螺的耦合误差，即不是通过哥氏力效应途径耦合到敏感端，而是通过了其它途径——非哥氏力耦合途径。有文章研究结果表明非哥氏力耦合途径将硅微机械陀螺表头驱动端质量块的机械位移耦合到敏感端，其等效的外界角速度在几百度/每秒以上甚至更大，远远超过了硅微机械陀螺在一般情况下200度/每秒的检测范围。

如此大的耦合误差带来的直接结果是大幅度增加了微小角速度输入信号的检测难度。由外界角速度输入引起的哥氏力效应产生的有用信号相对于耦合误差来说是一个小量。举例，如果期望的角速度检测分辨率需要达到0.001度/每秒，角速度测量范围为200度/每秒，则检测的动态范围为：(200°/s)/(0.001°/s)＝2×10⁵；如果耦合误差假设为1000度/每秒，则检测的动态范围为：(1000°/s)/(0.001°/s)＝1×10⁶，则大大增加了检测的动态范围，因此增加了检测难度。从另外一方面来说，一个***的检测动态范围是恒定的，当测量范围按照上述增加到5倍时，其检测分辨率将下降5倍，即只能够达到0.005度/每秒，因此降低了检测精度。

为此，现在针对如何减小耦合误差开展了广泛的研亢，其主要目的是提高信号的信噪比。另外耦合误差抑制后有利于采用全数字化检测方法，使得信号处理电路中的部分模拟电路可以省掉，易于小型化集成。

目前公开的文献中，研究减小耦合误差的方法主要有以下几个方面的思路：

(1)改进陀螺材料的物理特性、优化硅微机械陀螺表头的结构设计或者提高工艺加工精度，从源头上降低耦合误差。

(2)在控制方法不改变的情况下，在信号处理电路中引入与耦合误差同频反向的信号进行抵消，比如通过模拟方式的减法电路，然后将不含有耦合误差的模拟信号进行放大，后续解调处理方法不变。

(3)改变控制方法，将一与耦合误差同频反向的信号施加到硅微机械陀螺表头的敏感端，然后抑制在敏感端的耦合误差，使得从敏感端输出的信号不含耦合误差。

上述三种方法各有优劣，第一种方法试图通过制造技术从根本上消除耦合误差的产生，但是存在非常大的难度。第二种方法由于没有改变控制方式，硅微机械陀螺表头的敏感端依然存在较大的机械耦合运动，远远偏离了检测的线性范围，会引入较大的非线性误差。第三种方法借助了力反馈的思想，一般情况下能有效的抑制耦合误差的产生，其结果是不仅增加了检测的范围，而且线性度很好。硅微机械陀螺表头敏感端的结构能够施加力反馈是此方法应用的前提。

在硅微机械陀螺中，考虑X轴与Y轴存在位移耦合的情况，如图2所示。假定驱动端的运动在X方向，敏感端的运动在Y方向，驱动端的谐振频率与敏感端的谐振频率不同。对于每一个质量块201在驱动力的作用下首先沿着X方向运动，由于存在位移耦合虚拟导轨202作用，同时也会在Y方向按照一定的比例关系产生附加的运动。其中，“虚拟导轨”意思是并不存在真实的导轨，只是对动力学问题的抽象。举例说明，如果此位移耦合关系为1∶1，即当质量块201在X轴正方向运动ΔL距离时，此质量块201同时也会在Y轴正方向运动ΔL的距离。当质量块201在X方向存在运动速度时，同时外界存在Z轴方向的角速度Ω输入，则质量块201将产生Y轴方向的哥氏力，进而产生Y轴方向的运动。因此，质量块201在Y轴方向的运动主要包括了两部分：来自X轴运动的耦合以及哥氏力。

对于存在位移耦合的四质量块的硅微机械陀螺而言，在这种结构中一共包括四个质量块，这四个质量块同时既是驱动端的质量块，也是敏感端的质量块。如图3所示，在传统结构中，四个质量块分别为：“质量块M1”301、“质量块M2”302、“质量块M3”303、“质量块M4”304。每一个质量块在X方向到Y方向的位移耦合虚拟导轨分别为：第一位移耦合虚拟导轨305、第二位移耦合虚拟导轨306、第三位移耦合虚拟导轨307、第四位移耦合虚拟导轨308。每一个质量块都存在独立的驱动电容电极。“质量块M1”301的驱动电容为C_1d，其驱动电极分别为第一驱动电极309、第二驱动电极310。其中第二驱动电极310分布在“质量块M1”301上，而第一驱动电极309分布在静基座上。“质量块M1”301的敏感电容为C_1s，其电极分别为第一敏感电极311、第二敏感电极312，其中第二敏感电极312分布在“质量块M1”301上，而第一敏感电极311分布在静基座上。同样，其它的3个质量块也是如此，都存在驱动电容C_2d、C_3d、C_4d与敏感电容C_2s、C_3s、C_4s；同样，它们的一个电极分布在质量块上，分别为第四驱动电极314、第四敏感电极316、第六驱动电极318、第六敏感电极320、第八驱动电极322、第八敏感电极324，而另外一个电极分布在静基座上，分别为第三驱动电极313、第三敏感电极315、第五驱动电极317、第五敏感电极319、第七驱动电极321、第七敏感电极323。其中，驱动电容C_1d与C_3d并联，C_2d与C_4d并联；敏感电容C_2s与C_3s并联，C_1s与C_4s并联。并且满足质量块M₁与质量块M₃以及质量块M₁与质量块M₂运动速度方向相反，质量块M₁与质量块M₄以及质量块M₂与质量块M₃运动速度方向相同。由上可知，硅微机械陀螺表头330实际可以等效为一个五端器件，包括四个输入端：驱动+325、驱动-326、敏感+327、敏感-328、一个输出端：公共极329。

现有技术中，上述结构一般采用一套驱动控制回路，其存在的问题分析如下：

(1)现有的信号处理电路。从公共极329输出的信号经过电荷放大器331后得到正比于四个输入端的电压信号的和。然后，经过“高通滤波器0”408滤除由于4个输入端相对于公共极329的静电容不对称引起的残余信号(频率为ω_0x)以及电荷放大器331的输入失调引起的直流输出。信号经过“高通滤波器0”408以后分别送到驱动一次解调409与敏感一次解调422。驱动一次解调409包括“混频1”410、“高通滤波器1”411、“低通滤波器1”412。“混频1”410的参考信号的频率ω_c1与“驱动载波V_c1sin(ω_c1t)”415的频率相同。经过驱动一次解调409后得到硅微机械陀螺表头330中的驱动端质量块等效的运动位移(参照图1的质量块102在X方向的位移)。然后通过驱动控制模块413产生的“驱动交流V_AC sin(ω_0xt)”与“驱动直流V_DC”414用于产生静电力。“驱动直流V_DC”414、“驱动交流V_AC sin(ω_0xt)”以及驱动载波V_c1sin(ω_c1t)415是通过加法电路416施加到驱动+325，“驱动直流V_DC”414、“驱动交流V_AC sin(ω_0xt)”经过单位增益的反向放大器417以及驱动载波V_c1sin(ω_c1t)415经过单位增益的反向放大器420后通过加法电路215施加到驱动-326。此静电力的交流部分的频率为ω_0x，等于硅微机械陀螺表头330驱动端的机械运动谐振频率ω_0x，等效的静电力的幅值正比于V_DC与V_AC的乘积。驱动载波V_c1sin(ω_c1t)415与驱动一次解调409用于检测硅微机械陀螺表头330驱动端的等效机械运动位移。敏感载波V_c2sin(ω_c2t)421直接施加到敏感+327，敏感载波V_c2sin(ω_c2t)421经过单位增益的反向放大器419直接施加到敏感-328，然后与敏感一次解调422用于检测硅微机械陀螺表头330敏感端的等效机械运动位移。敏感一次解调422包括“混频2”423、“高通滤波器2”424、“低通滤波器2”425。“混频2”423的参考信号的频率ω_c2与“敏感载波V_c2sin(ω_c2t)”421的频率相同。敏感二次解调428包括“混频3”426、“低通滤波器3” 427用于检测哥氏力，最终实现外界输入的角速度Ω检测。“混频3”426的参考信号的频率为ω_0x等于“驱动交流V_AC sin(ω_0xt)的频率。

(2)位移耦合假定。图3中假设质量块M₁、质量块M₂、质量块M₃、质量块M₄的位移耦合相同，当驱动端的电容极板间距L₁(L₂、L₃、L₄)变大时，在敏感端的电容极板间距W₁(W₂、W₃、W₄)变小。即驱动电容C_1d(C_2d、C_3d、C_4d)变小，敏感电容C_1s(C_2s、C_3s、C_4s)变大。

(3)等效电容分析。对照图3，图4，由于图3中的C_1d与C_3d是并联关系，从“驱动+”325端等效到公共极329的电容C_d+(图4)为：

C_d+＝C_1d+C_3d    (1)

同样从“驱动-”326端等效到公共极329的电容为：

C_d-＝C_2d+C_4d    (2)

对照图3，图4，由于图3中的C_2s与C_3s是并联关系，从“敏感+”327端等效到公共极329的电容为：

C_s+＝C_2s+C_3s    (3)

同样从“敏感-”328端等效到公共极329的电容为：

C_s-＝C_1s+C_4s    (4)

(4)设计制造误差带来的信号误差分析

某一时刻假定按照图3的速度方向进行运动，各个质量块离开平衡位置后的电容变化情况为：

C_1d＝C_1d0-ΔC₁(5)

C_2d＝C_2d0+ΔC₂(6)

C_3d＝C_3d0-ΔC₃(7)

C_4d＝C_4d0+ΔC₄(8)

以上各式都进行了简单的线性假设，即由平衡位置附近产生的极板距离改变导致的电容变化与附加位移成线性负相关。由于有位移耦合，在Y方向上也产生了附加位移，而且还假设各自产生了与驱动端相同的附加位移，则同样有下式：

C_1s＝C_1s0+ΔC₁(9)

C_2s＝C_2s0-ΔC₂(10)

C_3s＝C_3s0+ΔC₃(11)

C_4s＝C_4s0-ΔC₄(12)

假设外界存在一个角速度Ω输入，沿着Z轴正方向，则哥氏力大小由下式决定，方向按右手法则确定。

F＝-2MΩv    (13)

其中M代表质量块的质量，v代表质量块的运动速度。

对于“质量块M1”301与“质量块M4”304，由于其速度方向相同，则哥氏力方向也相同，都沿着Y轴正方向。而“质量块M2”302与“质量块M3”303速度方向相同，都与“质量块M1”301的速度方向相反，则相应的哥氏力都沿着Y轴负方向。因此附加的哥氏力导致的附加位移引起的电容改变如下：

C_1s＝C_1s0+ΔC₁+ΔC_g1(14)

C_2s＝C_2s0-ΔC₂-ΔC_g2(15)

C_3s＝C_3s0+ΔC₃-ΔC_g3(16)

C_4s＝C_4s0-ΔC₄+ΔC_g4(17)

根据公式(3)(4)，“敏感+”327端以及“敏感-”328端到公共极329的等效电容分别为C_s+与C_s-。由于敏感载波在“敏感+”327端以及“敏感-”328端是反向关系，因此电荷放大器331的输出正比于(C_s+-C_s-)。

(C_s+-C_s-)＝(C_2s+C_3s)-(C_1s+C_4s)

＝C₀+[(ΔC₃+ΔC₄)-(ΔC₂+ΔC₁)]-(ΔC_g1+ΔC_g2+ΔC_g3+ΔC_g4)

＝C₀+ΔC-ΔC_g                        (18)

其中

C₀＝(C_2s0+C_3s0)-(C_1s0+C_4s0)          (19)

ΔC＝(ΔC₃+ΔC₄)-(ΔC₂+ΔC₁)         (20)

ΔC_g＝(ΔC_g1+ΔC_g2+ΔC_g3+ΔC_g4)       (21)

式(18)中的C₀是静态残余误差，ΔC是耦合误差，ΔC_g是哥氏力项。如果硅微机械陀螺表头330经过精密设计与制造，则理想情况下C₀＝0，ΔC＝0。而实际上C₀≠0，ΔC≠0，因此电荷放大器331的输出含有正比于C₀的交流信号以及ΔC引起的调制信号。考虑到输入的交流信号的频率成分主要有驱动谐振频率(以后称为驱动中频信号)，驱动载波频率与敏感载波频率(频率都远大于驱动中频，后面称为载波高频信号，或者载波高频信号)，因此由于C₀≠0导致的电荷放大器的输出也含有驱动中频信号以及载波高频信号(驱动载波与敏感载波)。

(5)C₀≠0导致的信号抑制。在图4中，在驱动一次解调409与敏感一次解调422前存在一“高通滤波器0”408滤除驱动中频信号，保留驱动中频以上的信号。在驱动一次解调409与敏感一次解调422中的混频(分别是“混频1”410，“混频2”423)后，分别存在“高通滤波器1”411、“低通滤波器1”412以及“高通滤波器2”424、“低通滤波器2”425。上述由于C₀≠0导致的残留载波高频信号与混频用的参考信号同频，因此混频后变成了能量减半的两部分：直流信号与两倍频信号。“高通滤波器1”411与“高通滤波器2”424分别滤除各自的直流信号，“低通滤波器1”412与“低通滤波器2”425分别滤除各自的两倍频信号。

至此，由于制造误差带来的C₀≠0的影响已经被消除。

(6)ΔC≠0的影响分析。如果在外界角速度零输入时第三项中ΔC_gi＝0(i＝1，2，3，4)，则经过二次解调后的幅度值即陀螺的输出也为零。但是，实际情况是陀螺静止情况下，有很大的耦合误差输出，而且耦合误差输出的量级还相当大，某些情况下甚至将有用信号完全淹没。产生这一情况的主要原因是：

ΔC＝(ΔC₃+ΔC₄)-(ΔC₂+ΔC₁)≠0

由于ΔC_i(i＝1，2，3，4)产生于质量块的谐振位移，因此ΔC_i是一个变化量，且在驱动中频上。无法经过上述步骤(5)滤除。

由于ΔC_g＝(ΔC_g1+ΔC_g2+ΔC_g3+ΔC_g4)产生于哥氏力，而哥氏力正比于驱动端的谐振运动速度，因此ΔC_g与ΔC同频，而且相位相差接近90度。对于有用信号ΔC_g而言，ΔC的存在引起的附加信号属于同频干扰。

由上可知，为什么只有一套驱动控制电路无法实现ΔC＝0，因为现有的方法将“质量块M1”301与“质量块M3”303的驱动电容并联，则(20)式中的ΔC₁与ΔC₃以及ΔC₂与ΔC₄同步增加或者减小。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对存在位移耦合的四质量块硅微机械陀螺中现有控制方法存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、可操作性好、易推广使用的四质量块硅微机械陀螺耦合误差的抑制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种四质量块硅微机械陀螺耦合误差的抑制方法，其特征在于步骤为：

(1)将硅微机械陀螺中的四个质量块分成两组，并将硅微机械陀螺表头等效为7端器件：包括驱动1+、驱动1-、驱动2+、驱动2-、敏感+、敏感-、公共极；

(2)设置驱动主控制回路与驱动从控制回路以对两组质量块分别进行独立控制；

(3)所述驱动从控制回路通过事先标定并且设定驱动直流V_DC2的值，使得通过公共极、高通滤波器0、敏感一次解调输出信号的耦合误差被消除。

作为本发明的进一步改进：

所述驱动主控制回路采用闭环控制策略，包括电荷放大器、高通滤波器0、驱动一次解调单元、闭环驱动控制单元、驱动直流V_DC1以及驱动载波V_c1sin(ω_c1t)，用来使电路的谐振频率等于第一组质量块中质量块M1与质量块M2机械运动时的等效谐振频率；所述闭环驱动控制单元输出的驱动交流V_AC sin(ω_0xt)同时输出到驱动2+的信号求和端，交流信号经反向器后同时输出驱动2-的信号求和端。

所述驱动从控制回路采用开环控制策略，利用与驱动主控制回路同频的驱动交流V_AC sin(ω_0xt)进行控制，即驱动2+的驱动交流信号来自驱动1+，驱动2-的驱动交流信号来自驱动1-。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明对四质量块硅微机械陀螺的驱动电极重新进行了分组，使得驱动质量块(同时也是敏感质量块)具有更独立的运动控制能力；

2、本发明进一步采用两套独立的驱动控制***，通过调节驱动从控制回路的直流V_DC2的值，实现两组质量块运动位移的匹配，从根本上抑制了陀螺耦合误差的产生，进而提高了整体的精度。由于耦合误差等效角速度远大于需要的测量范围，耦合误差消除后等效为降低了测量范围，在***检测的动态范围不变的情况下直接就可以提高检测分辨率。

附图说明

图1是现有技术中硅微机械陀螺的动力学模型示意图；

图2是现有技术中驱动轴与敏感轴的动力学模型以及位移耦合的示意图；

图3是现有技术中硅微机械陀螺信号处理的流程示意图；

图4是现有技术中硅微机械陀螺驱动控制与检测总体结构示意图；

图5是应用本发明时硅微机械陀螺中速度匹配控制总体结构示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

结合如图5所示的应用实例，本发明的四质量块硅微机械陀螺耦合误差的抑制方法，其步骤为：

1.将硅微机械陀螺中的四个质量块分成两组，并将硅微机械陀螺表头528等效为7端器件：包括驱动1+521、驱动1-522、驱动2+523、驱动2-524、敏感+525、敏感-526、公共极527。其中，驱动1+521连接到原来的驱动电容C_1d，驱动1-522连接到原来的驱动电容C_2d。驱动2+523连接到原来的驱动电容C_3d，驱动2-524连接到原来的驱动电容C_4d。敏感电极连接关系保持不变，即敏感电容C_2s与C_3s并联，连接到敏感+525，C_1s与C_4s并联，连接到敏感-526。

2.设置驱动主控制回路与驱动从控制回路以对两组质量块分别进行独立控制；每一套驱动控制电路分别控制一组，即两个质量块的振动位移和速度。

驱动主控制回路采用成熟的闭环控制策略，包括电荷放大器529、高通滤波器0530、驱动一次解调单元531、闭环驱动控制单元535、驱动直流V_DC1536以及驱动载波V_c1sin(ω_c1t)537，用来使电路的谐振频率等于第一组质量块中质量块M1501与质量块M2502机械运动时的等效谐振频率；闭环驱动控制单元535输出的驱动交流V_AC sin(ω_0xt)同时输出到驱动2+523的信号求和端545，交流信号经反向器538后同时输出驱动2-524的信号求和端546。本实施例中，采用现有的技术方法对“驱动主控制回路”进行控制，此回路同时包括频率跟踪与幅度控制。现有的技术方法如双闭环方法，其中一个闭环采用锁相环方法实现陀螺表头驱动端机械谐振频率的跟踪，另外一个闭环实现运动速度幅度的稳定。双闭环方法比较成熟，不在此赘述，值得强调的是双闭环方法是在“驱动主控制回路”中实现的，与“驱动从控制回路”无关。

驱动从控制回路采用开环控制策略，利用与驱动主控制回路同频的驱动交流V_AC sin(ω_0xt)进行控制，即驱动2+523的驱动交流信号来自驱动1+521，驱动2-524的驱动交流信号来自驱动1-522。

驱动主控制回路叠加驱动载波的目的是实现硅微机械陀螺驱动1+521的C_1d与驱动1-522的C_2d电容的检测，进一步实现闭环控制。电容的检测采用了调制解调的思想，即采用了远高于驱动谐振频率的驱动载波输入到驱动端，然后通过电荷放大器529以及驱动一次解调单元531实现了硅微机械陀螺表头528第一组驱动端、质量块机械运动位移的检测。由于驱动从控制回路采用开环控制策略，因此不需要叠加驱动载波。

3.对两组质量块的速度进行精确的匹配控制，从驱动端源头消除耦合到敏感端的耦合误差。驱动从控制回路通过事先标定并且设定驱动直流V_DC2544的值，使得通过公共极527、高通滤波器0530、敏感一次解调547输出信号的耦合误差基本被消除。设定驱动直流V_DC2544的V_DC2＝V_DC1(驱动直流V_DC1536)，则此时基本上与传统的单驱动控制回路方法一致，唯一的差别就是“驱动从控制回路”的输出信号仍然没有驱动载波。

遵循现有的技术方法，消除由于C₀≠0带来的影响，其主要利用“高通滤波器0”530、驱动一次解调单元531中的“高通滤波器1”533、敏感一次解调547中的“高通滤波器2”549。

改变驱动直流V_DC2544的值，确定“驱动直流V_DC2”544的调整方向使得敏感二次解调551前的驱动中频信号在陀螺静止时大幅度减小。

在外界角速度零输入时(或者陀螺静止时认为外界角速度近似零输入)改变驱动直流V_DC2544使得V_DC2＞V_DC1或者V_DC2＜V_DC1，则相应地改变了“质量块M3”503与“质量块M4”504的静电力幅度值，分别观察由于(20)式变化导致的敏感二次解调551前的中频信号幅度值变化方向，选择V_DC2＞V_DC1(或者V_DC2＜V_DC1)使得敏感二次解调551前的中频信号幅度值减小，并尽可能接近于0。

按照上述方法确定了驱动直流V_DC2544后，陀螺即可正常工作，其它信号处理流程不变。

由上可知，本发明是将(20)式耦合误差方程中的ΔC₁与ΔC₃以及ΔC₂与ΔC₄的增加与减小分别控制。进一步，ΔC₁与ΔC₂受一组控制回路控制，则可实现ΔC₁与ΔC₂同步增加或者减小，ΔC₃与ΔC₄受另外一组控制回路控制，则可实现ΔC₃与ΔC₄同步增加或者减小，最后可方便实现ΔC接近于0。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种四质量块硅微机械陀螺耦合误差的抑制方法，其特征在于步骤为：

（1）将硅微机械陀螺中的四个质量块分成两组，并将硅微机械陀螺表头（528）等效为7端器件：包括驱动1+（521）、驱动1-（522）、驱动2+（523）、驱动2-（524）、敏感+（525）、敏感-（526）、公共极（527）；所述驱动1+（521）、驱动1-（522）、驱动2+（523）、驱动2-（524）分别一一对应地与硅微机械陀螺中的四个驱动电容相连；所述敏感+（525）、敏感-（526）分别一一对应地与敏感电容相连；

（2）设置驱动主控制回路与驱动从控制回路以对两组质量块分别进行独立控制；

所述驱动主控制回路采用闭环控制策略，包括电荷放大器（529）、高通滤波器0（530）、驱动一次解调单元（531）、闭环驱动控制单元（535）、驱动直流V_DC1（536）以及驱动载波V_c1sin(ω_c1t)（537），用来使电路的谐振频率等于第一组质量块中质量块M1（501）与质量块M2（502）机械运动时的等效谐振频率；所述闭环驱动控制单元（535）输出的驱动交流V_ACsin(ω_0xt)同时输出到驱动2+（523）的信号求和端（545），交流信号经反向器（538）后同时输出驱动2-（524）的信号求和端（546）；

所述驱动从控制回路采用开环控制策略，利用与驱动主控制回路同频的驱动交流V_ACsin(ω_0xt)进行控制，即驱动2+（523）的驱动交流信号来自驱动1+（521），驱动2-（524）的驱动交流信号来自驱动1-（522）；

（3）驱动从控制回路通过事先标定并且设定驱动直流V_DC2（544）的值，使得通过公共极（527）、驱动主控制回路中的高通滤波器0（530）和敏感一次解调（547）输出信号的耦合误差被消除；

设定驱动直流V_DC2（544）的V_DC2=驱动直流V_DC1（536）的V_DC1，利用高通滤波器0（530）、驱动一次解调单元（531）中的高通滤波器1（533）、敏感一次解调（547）中的高通滤波器2（549）消除由于C₀≠0带来的影响；

改变驱动直流V_DC2（544）的值，确定驱动直流V_DC2（544）的调整方向使得敏感二次解调（551）前的驱动中频信号在陀螺静止时大幅度减小；

在外界角速度零输入时,改变驱动直流V_DC2（544）使得V_DC2＞V_DC1或者V_DC2＜V_DC1，则相应地改变了质量块M3（503）与质量块M4（504）的静电力幅度值，分别观察敏感二次解调（551）前的中频信号幅度值变化方向，选择V_DC2＞V_DC1或者V_DC2＜V_DC1使得敏感二次解调（551）前的中频信号幅度值减小，并尽可能接近于0。

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