CN104535057A - 一种硅微机械线振动式陀螺及其正交误差刚度校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅微机械线振动式陀螺及其正交误差的刚度校正方法，该方法包括：驱动闭环回路激励驱动模态使驱动模态以固定幅值振动在其谐振频率点上；在检测通道内提取信号后经驱动位移信号解调得到正交信号幅值，将正其与基准信号比较后将比较结果送入正交校正控制器；控制器输出信号经电压调整模块输出至陀螺结构中的正交刚度校正梳齿，并产生静电负刚度以校正产生正交误差的耦合刚度。本发明中控制器可根据目标陀螺结构的正交耦合刚度的不同自动调节控制量以达到完全消除正交耦合刚度的目的，从而大幅度减小加工误差对陀螺性能的影响。本发明所述方法具有体积小、易实现、可靠性高、温度性能好、可与陀螺结构集成等优点。

Description

一种硅微机械线振动式陀螺及其正交误差刚度校正方法

技术领域

本发明涉及硅微机械陀螺领域，具体涉及一种硅微机械线振动式陀螺及其正交误差刚度校正方法。

背景技术

硅微机械陀螺是一种用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电***)技术加工而成的惯性测量传感器，其采用哥氏效应原理测量载体角速率信息，具有体积小、功耗低、重量轻、成本低、抗过载特性强、易于集成化和批量生产等优点。目前在很多领域都有应用，比如：惯性导航、汽车安全、工业控制、消费电子等。其最初诞生在上世纪80年代末，随着加工工艺和测控技术的不断发展，硅微机械陀螺的精度也逐渐提高，目前国际上硅微机械陀螺较高精度已经可达1°/h(零偏稳定性)以内，已经可满足战术级陀螺仪的精度需求。硅微机械线振动式陀螺作为硅微机械陀螺的一种，近年来得到各科研机构和公司的推崇，相比与其他工作方式的硅微机械陀螺(角振动式，转子式等)，线振动式陀螺结构具有加工结构简单，检测信号线性度好等优点。目前，国际主流的精度较高的硅微机械陀螺大部分都采用了线振动结构。

图1为典型的硅微机械陀螺仪组成结构示意图，在理想的陀螺结构中，存在陀螺***的动力方程为：

$\left[\begin{array}{c}{m}_x\stackrel{\·\·}{x}\\ m_y\stackrel{\·\·}{y}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{c}_{\mathrm{xx}}& 0\\ 2m_c{\mathrm{\Ω}}_z& c_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}\\ \stackrel{\·}{y}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{k}_{\mathrm{xx}}& 0\\ 0& k_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{dx}}\\ 0\end{array}\right]---\left(A1\right)$

式(A1)中，x为驱动模态位移；c_xx，c_yy，k_xx，k_yy分别为驱动和检测模态的等效阻尼和等效刚度；F_dx＝F_dsin(ω_dt)为驱动轴向结构所受驱动力；m_x和m_y分别为驱动和检测轴向结构等效质量；Ω_z为输入角速率；y为检测轴向结构位移；m_y为哥式质量；为了保证驱动模态得到最大振动幅值，有ω_d＝ω_x。而在实际应用过程中，由于加工过程中产生的误差，导致陀螺结构中包含了耦合刚度，耦合阻尼等不理想因素，则在式(A1)中加入不理想因素有：

$\left[\begin{array}{c}{m}_x\stackrel{\·\·}{x}\\ m_y\stackrel{\·\·}{y}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{c}_{\mathrm{xx}}& c_{\mathrm{xy}}\\ c_{\mathrm{yx}}+2m_c{\mathrm{\Ω}}_z& c_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}\\ \stackrel{\·}{y}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}{k}_{\mathrm{xx}}& k_{\mathrm{xy}}\\ k_{\mathrm{yx}}& k_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{dx}}\\ 0\end{array}\right]---\left(A2\right)$

式(A2)中，c_xy，k_xy，c_yx，k_yx分别为驱动模态耦合到检测模态的耦合阻尼和耦合刚度，检测模态耦合到驱动模态的耦合阻尼和耦合刚度。通常情况下，陀螺结构封装均采用真空形式，所以式(A2)中耦合阻尼c_xy和c_yx项均很小。而相比之下耦合刚度的影响很大，无角速率输入时，耦合刚度产生的等效输入角速度为哥式同相信号的数十甚至数百倍，在实际工程化过程中绝大多数的结构都存在正交误差。由于正交耦合刚度的产生原因为加工得到的弹性主轴方向与设计主轴方向存在夹角β_Qx，则有：

$\left[\begin{array}{cc}{k}_{\mathrm{xx}}& k_{\mathrm{xy}}\\ k_{\mathrm{yx}}& k_{\mathrm{yy}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{k}_x{\cos }^2{\mathrm{\β}}_Q+k_y{\sin }^2{\mathrm{\β}}_Q& k_x\sin {\mathrm{\β}}_Q\cos {\mathrm{\β}}_Q-k_y\cos {\mathrm{\β}}_Q\sin {\mathrm{\β}}_Q\\ k_x\sin {\mathrm{\β}}_Q\cos {\mathrm{\β}}_Q-k_y\sin {\mathrm{\β}}_Q\cos {\mathrm{\β}}_Q& k_{x}s{\mathrm{in}}^2{\mathrm{\β}}_Q+k_y{\cos }^2{\mathrm{\β}}_Q\end{array}\right]---\left(A3\right)$

式(A3)中，k_x和k_y分别为驱动模态和检测模态的设计刚度。进一步比较上式可知：

$k_{\mathrm{xy}}=k_{\mathrm{yx}}=\frac{k_x-k_y}{2}\sin 2{\mathrm{\β}}_Q---\left(A4\right)$

从式(A4)中可知k_yx和k_xy相等。

目前检测通道中提取哥式信号大都采用相敏解调方法，该方法在实施过程中会由于电路元器件参数匹配误差等原因引入一定的解调相角误差，以至于部分正交信号被误提取为哥式信号继而影响陀螺性能。因此，从根本上消除产生正交误差的耦合刚度是减小正交误差对陀螺性能影响、提高陀螺静态性能的有效方法。

发明内容

发明目的：为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种静态性能好的硅微机械线振动式陀螺及其正交误差刚度校正方法，减小陀螺结构受加工误差的影响，以提高陀螺性能，实现在较大校正范围内可自动对不同的陀螺个体进行正交校正。

技术方案：为了更好的实现上述目的，本发明提供了一种硅微机械线振动式陀螺，包括陀螺结构、陀螺测控电路和陀螺封装，具体地：

所述的陀螺结构包括驱动轴向结构、检测轴向结构、耦合刚度模块和正交校正负刚度产生结构；

所述的驱动轴向结构包括驱动激励结构、驱动质量和驱动位移提取结构，所述的驱动轴向结构用于保证哥式质量在驱动方向的稳定振动，为哥式力的产生提供必要条件；其中，所述的驱动激励结构用于将外接电压转化为静电力，所述驱动激励结构包括驱动固定梳齿和驱动活动梳齿；所述的驱动质量包括驱动框架和第一哥式质量；所述驱动框架用于连接驱动活动梳齿、驱动模态支撑梁和哥式质量，所述驱动活动梳齿分散排布在驱动框架上用于增大电容面积提高单位面积的静电力转换效率，所述驱动模态支撑梁用于连接锚点和驱动框架并起支撑作用，驱动框架产生的位移为XM，所述哥式质量用于产生哥式效应；所述的驱动位移提取结构用于将驱动框架位移XM转换为驱动电容信号XV输出，所述的驱动位移提取结构包括驱动检测固定梳齿和驱动检测活动梳齿；

所述的检测轴向结构由检测质量和检测位移提取结构组成，用于提取由哥式力产生的检测模态位移；

所述的耦合刚度模块由驱动模态耦合到检测模态的耦合刚度和检测模态耦合到驱动模态的耦合刚度组成，属于陀螺设计过程中的非理想因素，由加工误差产生；

所述的正交校正负刚度产生机构包括四组正交校正负刚度产生梳齿，所述正交校正负刚度产生梳齿沿哥式质量的中心框架两边交叉对称排列，用于产生静电负刚度以抵消耦合刚度。

所述的陀螺测控电路包括驱动闭环回路、检测回路和正交校正闭环回路；所述的驱动闭环回路用于保证所述驱动轴向结构沿驱动方向恒幅度振动且振动频率为驱动模态固有谐振频率；所述的检测回路用于将检测电容变化量YV一部分调节为YSE输出，另一部分以驱动激励信号XS为基准解调并滤波后作为陀螺输出。

具体的，所述的检测回路包括前级放大接口、次级放大器、哥式解调器和低通滤波器，其中，所述前级放大接口用于将检测电容变化量YV转化为电压信号并进行初步放大；所述次级放大器将前级放大接口输出信号进一步放大，并输出信号YSE；所述哥式解调器以驱动激励信号XS为基准解调YSE得到哥氏信号和二倍频信号；所述低通滤波器包含第一低通滤波器和第二滤波器，其中，第一滤波器用于滤除解调器输出的二倍频信号以得到纯净的哥氏信号幅值，第二低通滤波器用于输出低通滤波作为陀螺仪最终输出。

所述的耦合刚度模块包括驱动模态耦合到检测模态的耦合刚度k_yx和检测模态耦合到驱动模态的耦合刚度k_xy，其中，所述的k_yx可将驱动框架位移XM转换为耦合力FXQ施加到检测质量上；所述的k_xy可将检测框架位移YM转换为耦合力FYQ施加到驱动质量上。

所述的正交校正负刚度产生梳齿包含第一固定梳齿、第二固定梳齿、第三固定梳齿、第四固定梳齿和哥式质量，其中，第一固定梳齿和第二固定梳齿之间导通，第三固定梳齿和第四固定梳齿之间导通；所述的正交校正负刚度产生梳齿采用不等间距设计以产生静电负刚度；所述的正交校正负刚度产生机构在校正驱动模态耦合到检测模态的耦合刚度k_yx的同时可校正检测模态耦合到驱动模态的耦合刚度k_xy。

所述的正交校正闭环回路包括驱动位移放大器、正交解调器、正交低通滤波器、比较器、正交校正基准、正交校正控制器和信号转换装置，其中，所述的驱动位移放大器在不改变驱动位移XV的前提下将XV放大，以满足解调基准信号的幅值需求；所述正交解调器将检测通道中次级放大器的输出信号中的正交信号提取，产生二倍频信号和正交误差幅值信号；所述正交低通滤波器将二倍频信号滤掉，只保留正交幅值信号；所述比较器将正交幅值信号和所述正交校正基准比较，产生比较结果；所述正交校正控制器根据所述比较结果产生控制信号；所述信号转换装置包括直流装置、反相器、第一缓冲器和第二缓冲器，用于将控制信号转换后产生QS信号送至正交校正负刚度产生机构将控制信号转换后产生QS信号送至正交校正负刚度产生机构。

本发明进一步提出了一种硅微机械线振动式陀螺正交误差刚度校正方法，包括如下步骤：

(1)实时获取检测通道中正交信号幅值；

(2)将步骤(1)所述正交信号幅值作为控制量，通过比较其与基准信号关系得到相应的正交校正控制信号；

(3)将步骤(2)所述正交校正控制信号进行转换，送入陀螺结构，和其中的正交校正负刚度产生机构配合产生静电负刚度，所述静电负刚度可以平衡正交耦合刚度；由此，所述正交校正负刚度产生机构可同时消除驱动模态耦合到检测模态的耦合刚度k_yx和检测模态耦合到驱动模态的耦合刚度k_xy。

基本原理为通过驱动闭环回路激励驱动模态，使驱动模态以固定幅值振动在其谐振频率点上；在检测通道内提取信号后经驱动位移信号(与哥氏信号相位正交)解调得到正交信号幅值；将正交信号幅值与基准信号比较后将比较结果送入正交校正控制器；控制器输出信号经电压调整模块输出至陀螺结构中的正交刚度校正梳齿，并产生静电负刚度以校正产生正交误差的耦合刚度。

具体地，步骤(1)的具体步骤为：

实时获取驱动位移提取结构的输出信号XV和检测位移提取结构的输出信号YV，所述驱动位移信号应于驱动框架位移同频同相；

将驱动位移提取结构的输出信号XV幅值进行调节使其幅值适合作为解调基准，得到XSE，在所述处理过程中其频率和相位不变；

将检测位移提取结构的输出信号YV幅值进行调节使其幅值适合被解调，得到YSE，在所述处理过程中其频率和相位不变；

将XSE作为基准解调YSE；

将上述解调结果经低通滤波器滤除解调后的高频信号，继而得到正交信号幅值。

步骤(2)的具体步骤为：

将所述步骤(1)得到的正交信号幅值与正交校正基准比较进行判断；

将上述判断结果送入正交校正控制器，进一步得到正交控制信号；

将所述正交控制信号输入至信号转换装置，以获得正交校正负刚度产生机构的有正交校正控制信号。

步骤(3)的具体步骤为：

产生的静电负刚度与结构原有的正交耦合刚度叠加后得到新的耦合刚度，继而产生新的正交误差信号；

根据所述步骤(1)和步骤(2)的结果，重新调整正交校正控制信号，最终使正交信号幅度与正交校正基准相等；

将上述中正交校正基准设为0，则***稳定后正交校正负刚度即可完全消除正交耦合刚度。

有益效果：本发明用于硅微机械线振动式陀螺正交误差刚度校正，能有效减小陀螺结构中由于加工误差而引起的正交误差，与现有技术相比，其具有下述优点：

(1)本发明利用驱动位移信号和正交信号频率相等相位相同的特征，以相敏解调方法为基础提取正交信号幅度，采用正交校正闭环控制方法，以静电负刚度抵消结构耦合刚度，可同时大幅度减小驱动模态耦合到检测模态的耦合刚度和检测模态耦合到驱动模态的耦合刚度；

(2)采用本发明的方法后，硅微机械陀螺性能可明显提高；

(3)本发明具有实时性好、效率高、成本低、体积小、功耗小、使用简便等优点，同时在较大校正范围内可自动对不同的陀螺个体进行正交校正，很适用于陀螺的工程化批量生产；

(4)本发明针对不同陀螺个体正交耦合刚度不同的实际情况，提出了正交校正自动控制***，该***可在校正范围内根据不同的正交耦合刚度进行自动校正，在陀螺工程化生产中具有很高的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明陀螺结构整体示意图；

图2为陀螺结构和测控电路连接示意图；

图3为结构耦合刚度作用示意图；

图4为正交校正负刚度产生机构示意图；

图5为检测开环回路框架结构示意图；

图6为正交校正闭环回路框架结构示意图；

图7为信号转换装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明所述方法，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读本发明后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，一种硅微机械线振动式陀螺，包括陀螺结构1、陀螺测控电路2和陀螺封装3，用于校正硅微机械线振动式陀螺的正交误差。陀螺结构1由驱动轴向结构11、检测轴向结构12、耦合刚度模块13和正交校正负刚度产生机构14组成，如如图2所示。

驱动轴向结构11包括驱动激励结构111、驱动质量112和驱动位移提取结构113，驱动轴向结构11用于保证哥式质量在驱动方向的稳定振动。其中，驱动激励结构111用于将外接电压转化为静电力，其包括驱动固定梳齿和驱动活动梳齿；驱动质量112包括驱动框架和哥式质量；所述驱动框架用于连接驱动活动梳齿、驱动模态支撑梁和哥式质量，驱动活动梳齿分散排布在驱动框架上用于增大电容面积提高单位面积的静电力转换效率，驱动模态支撑梁用于连接锚点和驱动框架并起支撑作用，驱动框架产生的位移为XM，所述哥式质量用于产生哥式效应；驱动位移提取结构113用于将驱动框架位移XM转换为驱动电容信号XV输出，驱动位移提取结构113包括驱动检测固定梳齿和驱动检测活动梳齿。

检测轴向结构12由检测质量121和检测位移提取结构122组成，用于提取由哥式力产生的检测模态位移。

耦合刚度模块13由驱动模态耦合到检测模态的耦合刚度131和检测模态耦合到驱动模态的耦合刚度132组成，如图3所示。其中，所述的k_yx131可将驱动框架位移XM转换为耦合力FXQ施加到检测质量121上；所述的k_xy132可将检测框架位移YM转换为耦合力FYQ施加到驱动质量121上。

正交校正负刚度产生机构14包括四组正交校正负刚度产生梳齿，正交校正负刚度产生梳齿沿哥式质量的中心框架两边交叉对称排列，用于产生静电负刚度以抵消耦合刚度。

陀螺测控电路2包括驱动闭环回路21、检测回路22和正交校正闭环回路23；驱动闭环回路21用于保证所述驱动轴向结构11沿驱动方向恒幅度振动且振动频率为驱动模态固有谐振频率；检测回路22用于将检测电容变化量YV一部分调节为YSE输出，另一部分以驱动激励信号XS为基准解调并滤波后作为陀螺输出。

其中，检测回路22包括前级放大接口221、次级放大器222、哥式解调器223和低通滤波器，其中，前级放大接口221用于将检测电容变化量YV转化为电压信号并进行初步放大；次级放大器222将前级放大接口221输出信号进一步放大，并输出信号YSE；所述哥式解调器223以驱动激励信号XS为基准解调YSE得到哥氏信号和二倍频信号；低通滤波器包含第一低通滤波器224和第二滤波器225，其中，第一滤波器224用于滤除解调器输出的二倍频信号以得到纯净的哥氏信号幅值，第二低通滤波器225用于输出低通滤波作为陀螺仪最终输出，如图5所示。

如图4所示，正交校正负刚度产生梳齿包括第一固定梳齿141、第二固定梳齿142、第三固定梳齿143、第四固定梳齿144和哥式质量，其中，第一固定梳齿(141)和第二固定梳齿(142)之间导通，第三固定梳齿(143)和第四固定梳齿(144)之间导通；所述的正交校正负刚度产生梳齿采用不等间距设计以产生静电负刚度；所述的正交校正负刚度产生机构14在校正驱动模态耦合到检测模态的耦合刚度k_yx131的同时可校正检测模态耦合到驱动模态的耦合刚度k_xy132。

如图6所示，正交校正闭环回路23包括驱动位移放大器231、正交解调器232、正交低通滤波器233、比较器234、正交校正基准235、正交校正控制器236和信号转换装置237，其中，驱动位移放大器231在不改变驱动位移XV的前提下将XV放大，以满足解调基准信号的幅值需求；正交解调器232将检测通道中次级放大器222的输出信号中的正交信号提取，产生二倍频信号和正交误差幅值信号；正交低通滤波器233将二倍频信号滤掉，只保留正交幅值信号；比较器234将正交幅值信号和正交校正基准235比较，产生比较结果；正交校正控制器236根据所述比较结果产生控制信号；信号转换装置237包括直流装置2371、反相器2372、第一缓冲器2373和第二缓冲器2374，用于将控制信号转换后产生QS信号送至正交校正负刚度产生机构14，其输出信号为QS包含了V_qkl1和V_qkl2。

对于正交校正负刚度产生机构14，如图4所示，其固定梳齿板141、142、143、144与哥式质量之间形成的8个平行板电容，当质量块向驱动轴和检测轴方向有位移x和y时，则上述电容可用矩阵形式表达：

$\left[\begin{array}{cccc}{C}_{\mathrm{ql}1s}& C_{\mathrm{ql}2s}& C_{\mathrm{ql}3s}& C_{\mathrm{ql}4s}\\ C_{\mathrm{ql}1x}& C_{\mathrm{ql}2x}& C_{\mathrm{ql}3x}& C_{\mathrm{ql}4x}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{\mathrm{\λ}{y}_{q0}-y}& \frac{1}{y_{q0}-y}\\ \frac{1}{y_{q0}+y}& \frac{1}{\mathrm{\λ}{y}_{q0}+y}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}{x}_{q0}-x& 0& 0& x_{q0}+x\\ 0& x_{q0}+x& x_{q0}-x& 0\end{array}\right]---\left(A5\right)$

式(A5)中，C_ql1s，C_ql2s，C_ql3s，C_ql4s分别为第一固定梳齿141、第二固定梳齿142、第三固定梳齿143和第四固定梳齿144与哥式质量产生的上板电容；C_ql1x，C_ql2x，C_ql3x，C_ql4x分别为第一固定梳齿141、第二固定梳齿142、第三固定梳齿143、第四固定梳齿144与哥式质量产生的下板电容；梳齿重叠部分沿x方向的长度为x_q0；梳齿长间距为λy_q0；短间距为y_q0；h为梳齿厚度；ε₀为真空介电常数。通过对上述电容进行平行板电容静电力分析，可得下面方程：

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cccc}{F}_{x{C}_{\mathrm{ql}1s}}& F_{x{C}_{\mathrm{ql}2s}}& F_{x{C}_{\mathrm{ql}3s}}& F_{x{C}_{\mathrm{ql}4s}}\\ F_{x{C}_{\mathrm{ql}1x}}& F_{x{C}_{\mathrm{ql}2x}}& F_{x{C}_{\mathrm{ql}3x}}& F_{x{C}_{\mathrm{ql}4x}}\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}\frac{\∂C_{\mathrm{ql}1s}}{\∂x}& \frac{\∂C_{\mathrm{ql}2s}}{\∂x}& \frac{\∂C_{\mathrm{ql}3s}}{\∂x}& \frac{\∂C_{\mathrm{ql}4s}}{\∂x}\\ \frac{\∂C_{\mathrm{ql}1x}}{\∂x}& \frac{\∂C_{\mathrm{ql}2x}}{\∂x}& \frac{\∂C_{\mathrm{ql}3x}}{\∂x}& \frac{\∂C_{\mathrm{ql}4x}}{\∂x}\end{array}\right]V_{\mathrm{qkl}}^2\\ =\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}h}{2}\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{\mathrm{\λ}{y}_{q0}-y}& \frac{1}{y_{q0}-y}\\ \frac{1}{y_{q0}+y}& \frac{1}{\mathrm{\λ}{y}_{q0}+y}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}-V_{\mathrm{qkl}1}^2& 0& 0& V_{\mathrm{qkl}2}^2\\ 0& V_{\mathrm{qkl}1}^2& -V_{\mathrm{qkl}2}^2& 0\end{array}\right]\end{array}---\left(A6\right)$

$\begin{array}{c}\left[\begin{array}{cccc}{F}_{x{C}_{\mathrm{ql}1s}}& F_{x{C}_{\mathrm{ql}2s}}& F_{x{C}_{\mathrm{ql}3s}}& F_{x{C}_{\mathrm{ql}4s}}\\ F_{x{C}_{\mathrm{ql}1x}}& F_{x{C}_{\mathrm{ql}2x}}& F_{x{C}_{\mathrm{ql}3x}}& F_{x{C}_{\mathrm{ql}4x}}\end{array}\right]=\frac{1}{2}\left[\begin{array}{cccc}\frac{\∂C_{\mathrm{ql}1s}}{\∂x}& \frac{\∂C_{\mathrm{ql}2s}}{\∂x}& \frac{\∂C_{\mathrm{ql}3s}}{\∂x}& \frac{\∂C_{\mathrm{ql}4s}}{\∂x}\\ \frac{\∂C_{\mathrm{ql}1x}}{\∂x}& \frac{\∂C_{\mathrm{ql}2x}}{\∂x}& \frac{\∂C_{\mathrm{ql}3x}}{\∂x}& \frac{\∂C_{\mathrm{ql}4x}}{\∂x}\end{array}\right]\\ =\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}h}{2}\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{\mathrm{\λ}{y}_{q0}-y}& \frac{1}{y_{q0}-y}\\ \frac{1}{y_{q0}+y}& \frac{1}{\mathrm{\λ}{y}_{q0}+y}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}-V_{\mathrm{qkl}1}^2& 0& 0& V_{\mathrm{qkl}2}^2\\ 0& V_{\mathrm{qkl}1}^2& -V_{\mathrm{qkl}2}^2& 0\end{array}\right]\end{array}---\left(A6\right)$

式(A6)中V_qkl1和V_qkl2分别为固定梳齿141、142和143、144上施加的电压。式(A6)描述的是各电容在x轴方向上的受力，式(A7)描述的是各电容在y轴方向上的受力。分别取上述两个矩阵所有元素的和，则该值为一个方向上的合力，考虑到校正梳齿个数n_q，则在x和y轴方向上受力之和有：

$\begin{array}{c}{F}_{x{C}_{\mathrm{ql}}}=n_q\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(F_{x{C}_{\mathrm{qlis}}}+F_{x{C}_{\mathrm{qlix}}})=\\ \frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}h{n}_q(V_{\mathrm{qkl}2}^2-2V)}{2}(\frac{1}{\mathrm{\λ}{y}_{q0}-y}-\frac{1}{y_{q0}-y}+\frac{1}{y_{q0}+y}-\frac{1}{\mathrm{\λ}{y}_{q0}+y})\end{array}---\left(A8\right)$

$\begin{array}{c}{F}_{y{C}_{\mathrm{ql}}}=n_q\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}(F_{y{C}_{\mathrm{qlis}}}+F_{y{C}_{\mathrm{qlix}}})\\ =\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{0}h{n}_q}{2}(\frac{(x_{q0}+x)V_{\mathrm{qkl}2}^2+(x_{q0}-x)V_{\mathrm{qkl}1}^2}{{(\mathrm{\λ}{y}_{q0}-y)}^2}+\frac{(x_{q0}-x)V_{\mathrm{qkl}2}^2+(x_{q0}+x)V_{\mathrm{qkl}1}^2}{{(y_{q0}-y)}^2}\\ -\frac{(x_{q0}+x)V_{\mathrm{qkl}2}^2+(x_{q0}-x)V_{\mathrm{qkl}1}^2}{{(y_{q0}+y)}^2}-\frac{(x_{q0}-x)V_{\mathrm{qkl}2}^2+(x_{q0}+x)V_{\mathrm{qkl}1}^2}{{({\mathrm{\λy}}_{q0}+y)}^2})\end{array}---\left(A9\right)$

在上述两式的左右两边分别对x和y求偏导后取反，则可得到这两个力

在驱动和检测轴的刚度矩阵：

$k_q=\left[\begin{array}{cc}{k}_{\mathrm{qxx}}& k_{\mathrm{qxy}}\\ k_{\mathrm{qyx}}& k_{\mathrm{qyy}}\end{array}\right]=-\frac{n_q{\mathrm{\ϵ}}_{0}h}{{y_{q0}}^2}\left[\begin{array}{cc}0& (1-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^2})({V_{\mathrm{qkl}1}}^2-{V_{\mathrm{qkl}2}}^2)\\ (1-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^2})({V_{\mathrm{qkl}1}}^2-{V_{\mathrm{qkl}2}}^2)& \frac{2x_{q0}}{y_{q0}}(1+\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^3})({V_{\mathrm{qkl}1}}^2+{V_{\mathrm{qkl}2}}^2)\end{array}\right]---\left(A10\right)$

在上式中，副对角线元素为耦合校正刚度，且两个耦合刚度相等，结合式(A4)，当k_qxy+k_xy＝0时，有k_qyx+k_yx＝0，则检测和驱动模态的耦合刚度可被同时校正，代入相关等式后有：

$\frac{k_x-k_y}{2}\sin 2{\mathrm{\β}}_{\mathrm{Qx}}=\frac{n_q{\mathrm{\ϵ}}_{0}h}{{y_{q0}}^2}(1-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^2})({V_{\mathrm{qkl}1}}^2-{V_{\mathrm{qkl}2}}^2)---\left(A11\right)$

本实施例为进一步简化控制***，令：

V_qkl1＝V_qD+V_qc      (A12)

V_qkl2＝v_qD-V_qc      (A13)

式中，V_qD为固定电压；V_qc为控制电压。则根据式(A11)，有：

$k_{\mathrm{qxy}}=k_{\mathrm{qyx}}=-\frac{4n_q{\mathrm{\ϵ}}_{0}h}{{y_{q0}}^2}(1-\frac{1}{{\mathrm{\λ}}^2})V_{\mathrm{qD}}{V}_{\mathrm{qc}}---\left(A14\right)$

式(A14)中，只有V_qc为变量，可通过控制该变量以达到对正交耦合刚度进行控制的目的。

在所述正交校正负刚度产生机构的基础上，本实施例的步骤如下：

1)实时获取检测通道中正交信号幅值：所述正交信号包含在检测位移提取结构122的输出信号YV中，其与驱动框架位移XM同频同相。以驱动位移信号为基准可通过相敏解调方式得到正交信号幅值；

2)正交校正信号控制：在得到步骤1)所述正交信号幅值后，将其与正交校正基准235在比较器234中进行比较，比较结果送入由PI控制电路组成的正交校正控制器236中并产生控制信号V_qc，再经过信号转换装置237处理后得到信号QS，并输出至正交校正负刚度产生机构14；

3)负刚度的产生及耦合刚度的消除：步骤2)所述QS信号包括V_qkl1和V_qkl2，经过正交校正闭环***处理，可在极短时间内以静电负刚度抵消耦合刚度，并使***达到稳定状态；

4)正交误差消除后陀螺哥式信号的获取：在上述三个步骤的基础上，检测通道内的正交信号已几乎被抑制，可通过相敏解调方式获取哥式信号。

本实施例中包含多种电路形式，凡是满足上述步骤，且可在电路中实现(包括模拟电路、数字电路等)的装置均在本实施例范围之内。本实施例中，

步骤1)的详细步骤包括：

1.1)正交解调基准信号的获取：驱动框架位移信号XM经驱动位移提取结构结构113后得到XV信号，该过程不改变频率和相位信息，所以XV与正交信号依然同频同相。XV经驱动位移放大器231进一步放大后得到XSE信号(该过程同样不改变信号频率和相位)，该信号连接至正交解调器232解调基准端，用于正交信号的解调基准；

1.2)正交信号的幅值获取：YV信号经过检测回路的前级放大接口221和次级放大器222的放大后得到YSE，所述信号包含了正交信号幅值信息，连接至正交解调器232的输入端。经正交解调器232处理后得到含有驱动频率二倍频信号和正交信号幅值，再经正交低通滤波器233的处理滤掉二倍频信号既得正交信号幅值；

1.3)所述的驱动位移放大器231采用高相位精度、低噪声的放大器；

1.4)所述的正交解调器232采用开关解调原理；

1.5)所述的正交低通滤波器233采用二阶低通滤波器。

所述步骤2)的详细步骤包括：

2.1)正交信号幅值与基准的比较：设定正交校正基准235为“0”，将所述步骤1)得到的正交信号幅值与正交校正基准235进行比较，当前者大于后者比较器234输出正值，反之输出幅值；

2.2)正交校正控制信号的产生：正交校正控制器236主要采用PI控制形式且以积分为主，当比较器234输出正值时控制器236为负饱和，反之为正饱和。合理选择PI参数可调节控制器的灵敏度，使之适应控制需求，其控制信号为V_qc；

2.3)QS信号的获取：为了满足式(A12)和式(A13)描述的控制信号形式，在信号转换装置237中加入了反相器2372用于得到-V_qc，再与直流电压发生器2371叠加得到V_qD+V_qc和V_qD-V_qc。为了减小结构中信号对电路的干扰，加入第一缓冲器2373和第二缓冲器2374；

2.4)通过调节直流装置2371中的直流信号V_qD可使一定变化范围的V_qc信号调节正交校正刚度的范围更大。

所述步骤3)的详细步骤包括：

3.1)静电负刚度的产生：根据式(A14)所述，不同的控制信号V_qc可产生对应的静电负刚度；

3.2)静电负刚度对耦合刚度的补偿：在初始状态，耦合刚度还未被校正并处于最大状态，回路中的正交信号幅值为最大，控制信号处于饱和(假设处于正饱和)。则负刚度k_qyx最大，当k_qyx+k_yx＜0时处于过校正状态，则正交信号相位反向，则控制器输出信号反转为负饱和，则k_qyx减小，只有当k_qyx＝k_yx时***处于稳定，控制器输出值可反映耦合刚度的大小。

综合上述实施例，本发明以校正正交耦合刚度为目的，以简单、可靠的正交校正控制器配合正交校正负刚度产生机构达到了消除正交刚度的目的。***可根据陀螺结构的不同耦合刚度系数自动调节控制量，可在现有加工技术基础上大大提高硅微机械陀螺仪的标度因数非线性，改善零偏漂移，减小常值误差，对硅微机械陀螺的工程化生产有重大的实际意义。

Claims (9)

1.一种硅微机械线振动式陀螺，包括陀螺结构(1)、陀螺测控电路(2)和陀螺封装(3)，其特征在于，

所述的陀螺结构(1)包括驱动轴向结构(11)、检测轴向结构(12)、耦合刚度模块(13)和正交校正负刚度产生结构(14)；

所述的驱动轴向结构(11)包括驱动激励结构(111)、驱动质量(112)和驱动位移提取结构(113)，所述的驱动轴向结构(11)用于保证哥式质量在驱动方向的稳定振动；其中，所述的驱动激励结构(111)用于将外接电压转化为静电力，所述驱动激励结构(111)包括驱动固定梳齿和驱动活动梳齿；所述的驱动质量(112)包括驱动框架和哥式质量；所述驱动框架用于连接驱动活动梳齿、驱动模态支撑梁和哥式质量，所述驱动活动梳齿分散排布在驱动框架上用于增大电容面积提高单位面积的静电力转换效率，所述驱动模态支撑梁用于连接锚点和驱动框架并起支撑作用，驱动框架产生的位移为XM，所述哥式质量用于产生哥式效应；所述的驱动位移提取结构(113)用于将驱动框架位移XM转换为驱动电容信号XV输出，所述的驱动位移提取结构(113)包括驱动检测固定梳齿和驱动检测活动梳齿；

所述的检测轴向结构(12)由检测质量(121)和检测位移提取结构(122)组成，用于提取由哥式力产生的检测模态位移；

所述的耦合刚度模块(13)由驱动模态耦合到检测模态的耦合刚度(131)和检测模态耦合到驱动模态的耦合刚度(132)组成；

所述的正交校正负刚度产生机构(14)包括四组正交校正负刚度产生梳齿，所述正交校正负刚度产生梳齿沿哥式质量的中心框架两边交叉对称排列，用于产生静电负刚度以抵消耦合刚度；

所述的陀螺测控电路(2)包括驱动闭环回路(21)、检测回路(22)和正交校正闭环回路(23)；所述的驱动闭环回路(21)用于保证所述驱动轴向结构(11)沿驱动方向恒幅度振动且振动频率为驱动模态固有谐振频率；所述的检测回路(22)用于将检测电容变化量YV一部分调节为YSE输出，另一部分以驱动激励信号XS为基准解调并滤波后作为陀螺输出。

2.根据权利要求1所述的硅微机械线振动式陀螺，其特征在于，所述的检测回路(22)包括前级放大接口(221)、次级放大器(222)、哥式解调器(223)和低通滤波器，其中，所述前级放大接口(221)用于将检测电容变化量YV转化为电压信号并进行初步放大；所述次级放大器(222)将前级放大接口(221)输出信号进一步放大，并输出信号YSE；所述哥式解调器(223)以驱动激励信号XS为基准解调YSE得到哥氏信号和二倍频信号；所述低通滤波器包含第一低通滤波器(224)和第二滤波器(225)，其中，第一滤波器(224)用于滤除解调器输出的二倍频信号以得到纯净的哥氏信号幅值，第二低通滤波器(225)用于输出低通滤波作为陀螺仪最终输出。

3.根据权利要求1所述的硅微机械线振动式陀螺，其特征在于，所述的耦合刚度模块(13)包括驱动模态耦合到检测模态的耦合刚度k_yx(131)和检测模态耦合到驱动模态的耦合刚度k_xy(132)，其中，所述的k_yx(131)可将驱动框架位移XM转换为耦合力FXQ施加到检测质量(121)上；所述的k_xy(132)可将检测框架位移YM转换为耦合力FYQ施加到驱动质量(121)上。

4.根据权利要求1所述的硅微机械线振动式陀螺，其特征在于，所述的正交校正负刚度产生梳齿包含第一固定梳齿(141)、第二固定梳齿(142)、第三固定梳齿(143)、第四固定梳齿(144)和哥式质量，其中，第一固定梳齿(141)和第二固定梳齿(142)之间导通，第三固定梳齿(143)和第四固定梳齿(144)之间导通；所述的正交校正负刚度产生梳齿采用不等间距设计以产生静电负刚度；所述的正交校正负刚度产生机构(14)在校正驱动模态耦合到检测模态的耦合刚度k_yx(131)的同时可校正检测模态耦合到驱动模态的耦合刚度k_xy(132)。

5.根据权利要求1所述的硅微机械线振动式陀螺，其特征在于，所述的正交校正闭环回路(23)包括驱动位移放大器(231)、正交解调器(232)、正交低通滤波器(233)、比较器(234)、正交校正基准(235)、正交校正控制器(236)和信号转换装置(237)，其中，所述的驱动位移放大器(231)在不改变驱动位移XV的前提下将XV放大，以满足解调基准信号的幅值需求；所述正交解调器(232)将检测通道中次级放大器(222)的输出信号中的正交信号提取，产生二倍频信号和正交误差幅值信号；所述正交低通滤波器(233)将二倍频信号滤掉，只保留正交幅值信号；所述比较器(234)将正交幅值信号和所述正交校正基准(235)比较，产生比较结果；所述正交校正控制器(236)根据所述比较结果产生控制信号；所述信号转换装置(237)包括直流装置(2371)、反相器(2372)、第一缓冲器(2373)和第二缓冲器(2374)，用于将控制信号转换后产生QS信号送至正交校正负刚度产生机构(14)。

6.一种硅微机械线振动式陀螺正交误差刚度校正方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)实时获取检测通道中正交信号幅值；

(2)将步骤(1)所述正交信号幅值作为控制量，通过比较其与基准信号关系得到相应的正交校正控制信号；

(3)将步骤(2)所述正交校正控制信号进行转换，送入陀螺结构，和其中的正交校正负刚度产生机构配合产生静电负刚度，所述静电负刚度可以平衡正交耦合刚度。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(1)的具体步骤为：

实时获取驱动位移提取结构的输出信号XV和检测位移提取结构的输出信号YV，所述驱动位移信号应于驱动框架位移同频同相；

将驱动位移提取结构的输出信号XV幅值进行调节使其幅值适合作为解调基准，得到XSE，在所述处理过程中其频率和相位不变；

将检测位移提取结构的输出信号YV幅值进行调节使其幅值适合被解调，得到YSE，在所述处理过程中其频率和相位不变；

将XSE作为基准解调YSE；

将上述解调结果经低通滤波器滤除解调后的高频信号，继而得到正交信号幅值。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(2)的具体步骤为：

将所述步骤(1)得到的正交信号幅值与正交校正基准比较进行判断；

将上述判断结果送入正交校正控制器，进一步得到正交控制信号；

将所述正交控制信号输入至信号转换装置，以获得正交校正负刚度产生机构的有正交校正控制信号。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(3)的具体步骤为：

产生的静电负刚度与结构原有的正交耦合刚度叠加后得到新的耦合刚度，继而产生新的正交误差信号；

根据所述步骤(1)和步骤(2)的结果，重新调整正交校正控制信号，最终使正交信号幅度与正交校正基准相等；

将上述中正交校正基准设为0，则***稳定后正交校正负刚度即可完全消除正交耦合刚度。