CN106441359B - 一种高精度的微机械陀螺现场模态匹配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度的微机械陀螺现场模态匹配方法，该方法包括检测模态电容‑电压转换、零偏路信号和正交路信号提取、双路信号控制、平衡力产生、调谐信号产生五个步骤。本发明利用正交误差与角速度的相位特性来实现调谐，通过控制算法自动调节检测模态的谐振频率，能使两个振动模态实现谐振频率匹配。本发明无需手动施加调谐信号，由于工作在闭环控制环路中，能够快速高精度调谐，并且该算法与常规的力平衡控制环路相兼容，对外界角速度输入具有鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及微机械陀螺，尤其涉及一种高精度的微机械陀螺现场模态匹配方法。
背景技术
微机械陀螺具有体积小、功耗低、可批量生产等特点，在工业和民用领域有着广泛的应用前景。近几年来，微机械陀螺的性能指标不断提高，显示出了高精度应用的潜力，如惯性导航单元。
微机械陀螺又叫科氏振动陀螺，是基于两个振动模态的能量交换机制，即驱动模态和振动模态。通常的，两个模态的谐振频率设计为相等。这样，模态匹配陀螺利用品质因数放大效应能大大抑制***检测噪声。为了实现高检测分辨率，两个模态的谐振频率通常设计为相等。然而，工艺偏差和工作环境的温度波动都将不可避免地导致模态分离。
为了解决这个问题，全球的高校和研究机构都在设计开发一种模态调谐技术，并取得了一些成果。其中，有文献通过后加工方法，如多晶硅沉淀、激光整形，通过改变质量块的质量来调整谐振频率。也有文献利用了静电弹簧效应来改变弹性系数，在平行板电容上易于实现。除此之外，有文献基于正交信号在模态匹配状态下达到最大值这一现象，提出了一种模态调谐方法。然而，由于工作在开环下，调谐耗时过长，尤其是在高品质因数的情况下。残余正交误差的相位信息也能被用于实现模态匹配，但是当有角速度输入时此方法会失败。也有报道一种基于模糊和神经网络算法的实时模态匹配方法，其最大的不足是需要对每个器件进行额外的测试，这对批量制造而言非常不合需求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种高精度的微机械陀螺现场模态匹配方法。
本发明的技术方案如下：
高精度的微机械陀螺现场模态匹配方法是在常规力平衡控制环路的基础上对正交路输出进行闭环控制，将控制力作为调谐信号，施加于检测模态可调谐的微机械陀螺的调谐结构上，调整微机械陀螺检测模态的谐振频率，使检测模态的谐振频率相等于驱动模态的谐振频率，实现两个振动模态的频率匹配。
一种高精度的微机械陀螺现场模态匹配方法的具体步骤如下：
1)检测模态电容-电压转换模块检测可调谐微机械陀螺由于角速度输入或驱动耦合产生的振动信号，将该振动信号转换成可测量的电压信号，输出到零偏路信号和正交路信号提取模块，同时完成载波调制。
2)零偏路信号和正交路信号提取模块对检测模态电容-电压转换模块输出的电压信号提取零偏路信号与正交路信号，提取方法是通过载波解调、正交双路解调与滤波，得到零偏路信号和正交路信号，将两者输出到双路信号控制模块。
3)双路信号控制模块根据零偏路信号和正交路信号提取模块输出的零偏路信号和正交路信号产生零偏路输出和正交路输出，零偏路输出进入到平衡力产生模块，正交路输出进入到平衡力产生模块和调谐信号产生模块。
4)平衡力产生模块利用双路信号控制模块提供的零偏路输出和正交路输出，进行双路信号调制，相加产生平衡力，输出到微机械陀螺的平衡力输入端。
5)调谐信号产生模块对双路信号控制模块的正交路输出进行控制，根据得到的控制算法的输出产生调谐电压，输出到微机械陀螺的调谐信号输入端。
进一步的，所述双路信号控制模块产生零偏路输出和正交路输出的步骤为：将双路信号提取模块输出的零偏路信号和正交路信号分别与参考值进行对比，得到误差信号，将误差信号通过控制算法控制到零，从而将双路信号自动地控制到参考值。
进一步的，所述调谐信号产生模块对正交路输出进行控制的步骤为：将正交路输出与参考值进行对比，得到误差信号，将误差信号通过控制算法控制到零，从而将正交路输出自动地控制到参考值。
本发明公开了一种高精度的微机械陀螺现场模态匹配装置，包括检测模态电容-电压转换模块、零偏路信号和正交路信号提取模块、双路信号控制模块、平衡力产生模块、调谐信号产生模块、检测模态可调谐的微机械陀螺，所述的检测模态电容-电压转换模块与检测模态可调谐的微机械陀螺相连，零偏路信号和正交路信号提取模块与检测模态电容-电压转换模块的输出端相连，零偏路信号和正交路信号提取模块的零偏路信号和正交路信号与双路信号控制模块相连，双路信号控制模块的零偏路输出和正交路输出与平衡力产生模块相连，平衡力产生模块与检测模态可调谐的微机械陀螺的平衡力输入端相连，调谐信号产生模块与双路信号控制模块的正交路输出相连，调谐信号产生模块与检测模态可调谐的微机械陀螺的调谐信号输入端相连。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
1)本发明工作在闭环控制环路中，能够快速高精度调谐。
2)本发明具有角速度检测模式和调谐模式两种工作模式，对外界角速度输入具有鲁棒性。
3)本发明可在不增加硬件成本的基础上提高微机械陀螺***的稳定性。
附图说明
图1是本发明中的微机械陀螺现场模态匹配方法原理图。
图中，可调谐微机械陀螺1指的是检测模态可调谐的微机械陀螺，信号检测模块2指的是检测模态电容-电压转换模块，双路信号提取模块3指的是零偏路信号和正交路信号提取模块。
图2是本发明中的双路信号控制示意图。
图3是本发明中的平衡力产生示意图。
图4是本发明中的调谐信号产生示意图。
具体实施方式
如图1所示，微机械陀螺现场模态匹配方法的步骤如下：
1)检测模态电容-电压转换模块是指检测可调谐微机械陀螺由于角速度输入或驱动耦合产生的振动信号，将该振动信号转换成可测量的电压信号，零偏路信号和正交路信号提取模块，同时完成载波调制。对于位移检测方式而言，检测的电压信号反映了位移信息，对于速度检测方式而言，检测的电压信号反映了速度信息。载波信号在具体实施时可通过坐标旋转数字计算机算法或是直接数字式频率合成等方法来产生。
2)零偏路信号和正交路信号提取模块对检测模态电容-电压转换模块输出的电压信号提取零偏路信号与正交路信号，提取方法是通过载波解调、正交双路解调与滤波，得到零偏路信号和正交路信号，将两者输出到双路信号控制模块。
3)双路信号控制模块根据零偏路信号和正交路信号提取模块输出的零偏路信号和正交路信号，通过控制算法产生零偏路输出和正交路输出。零偏路输出进入到平衡力产生模块，正交路输出进入到平衡力产生模块和调谐信号产生模块。
4)平衡力产生模块利用双路信号控制模块提供的零偏路输出和正交路输出，进行双路信号调制，相加产生平衡力，输出到微机械陀螺的平衡力输入端。
5)调谐信号产生模块对正交路输出进一步进行控制，根据得到的控制算法的输出产生调谐电压，输出到微机械陀螺的调谐信号输入端。
本发明具备两种工作模式：当使用常规力平衡控制环路来检测外界角速度输入时，为角速度检测模式，调谐信号产生模块不工作；当使用所述微机械陀螺现场模态匹配方法来实现模态匹配时，为调谐模式，调谐信号产生模块开始工作。
如图2所示，所述双路信号控制模块是将如步骤3)所述的零偏路信号和正交路信号，分别与参考值进行对比，得到误差信号，将误差信号通过控制器控制到零，从而将双路信号自动地控制到参考值。具体实施时控制算法可采用比例-积分控制的方式。角速度检测模式下，两个参考值都设置为零；调谐模式下，零偏路信号的参考值设置为非零，正交路信号的参考值设置为零。仅在角速度检测模式下将正交路输出实时存储在寄存器中，该正交路输出具有一个典型值。
如图3所示，所述平衡力产生模块是将如步骤4)所述的零偏路输出和正交路输出，进行双路信号调制，相加产生平衡力。用于调制的双路信号在具体实施时可通过坐标旋转数字计算机算法或是直接数字式频率合成等方法来产生两路相互正交的信号。
如图4所示，所述调谐信号产生模块是将如步骤5)所述的正交路输出与参考值进行对比，得到误差信号，将误差信号通过控制器控制到零，从而将正交路输出自动地控制到参考值。具体实施时控制算法可采用比例-积分控制的方式。调谐模式下，正交路输出的参考值设置为正交路输出的典型值。
Claims (3)
1.一种高精度的微机械陀螺现场模态匹配方法，其特征在于方法的具体步骤如下：
1）检测模态电容-电压转换模块检测可调谐微机械陀螺由于角速度输入或驱动耦合产生的振动信号，将该振动信号转换成可测量的电压信号，输出到零偏路信号和正交路信号提取模块，同时完成载波调制；
2）零偏路信号和正交路信号提取模块对检测模态电容-电压转换模块输出的电压信号提取零偏路信号与正交路信号，提取方法是通过载波解调、正交双路解调与滤波，得到零偏路信号和正交路信号，将两者输出到双路信号控制模块；
3）双路信号控制模块根据零偏路信号和正交路信号提取模块输出的零偏路信号和正交路信号产生零偏路输出和正交路输出，零偏路输出进入到平衡力产生模块，正交路输出进入到平衡力产生模块和调谐信号产生模块；
4）平衡力产生模块利用双路信号控制模块提供的零偏路输出和正交路输出，进行双路信号调制，相加产生平衡力，输出到微机械陀螺的平衡力输入端；
5）调谐信号产生模块对双路信号控制模块的正交路输出进行控制，根据得到的控制算法的输出产生调谐电压，输出到微机械陀螺的调谐信号输入端。
2.根据权利要求1所述的一种高精度的微机械陀螺现场模态匹配方法，其特征在于所述双路信号控制模块产生零偏路输出和正交路输出的步骤为：将零偏路信号和正交路信号分别与参考值进行对比，得到误差信号，将误差信号通过控制算法控制到零，从而将双路信号自动地控制到参考值。
3.根据权利要求1所述的一种高精度的微机械陀螺现场模态匹配方法，其特征在于所述调谐信号产生模块对正交路输出进行控制的步骤为：将正交路输出与参考值进行对比，得到误差信号，将误差信号通过控制算法控制到零，从而将正交路输出自动地控制到参考值。
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