CN109084742A - 基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法 - Google Patents

基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法 Download PDF

Info

Publication number
CN109084742A
CN109084742A CN201810618988.6A CN201810618988A CN109084742A CN 109084742 A CN109084742 A CN 109084742A CN 201810618988 A CN201810618988 A CN 201810618988A CN 109084742 A CN109084742 A CN 109084742A
Authority
CN
China
Prior art keywords
frequency
gyroscope
resonance frequency
phase angle
sensed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810618988.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109084742B (zh
Inventor
李宏生
詹超
贾佳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN201810618988.6A priority Critical patent/CN109084742B/zh
Publication of CN109084742A publication Critical patent/CN109084742A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109084742B publication Critical patent/CN109084742B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5776—Signal processing not specific to any of the devices covered by groups G01C19/5607 - G01C19/5719

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

本发明针对低品质因数、小频差的硅微机械陀螺仪最优解调相角易受外界温度影响的问题，利用驱动谐振频率与温度之间的线性关系，提出了基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，并在FPGA中实现了该补偿方法。该方法不需要增加额外的元器件，且便于参数调整。

Description

基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法
技术领域
本发明涉及硅微机械陀螺仪领域，特别是涉及一种基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法。
背景技术
硅微机械陀螺仪是基于哥氏效应来测量敏感轴的输入角速度，它是MEMS技术和惯性技术相结合的产物。相比于传统陀螺仪，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、易于集成化、可批量生产等特点，这使得它在军用和民用领域都有广阔的应用前景。
美国的Drapper实验室在1988年研制出了第一个硅微机械陀螺仪，此后，随着在MEMS加工工艺以及微电子工艺上不断取得的技术突破，陀螺仪精度大大提高，使得很多研究成果转化为产品被应用到不同领域。现阶段，在陀螺测控***中运用数字电路的灵活性，实现一些较为复杂的控制算法，在提升陀螺仪测量精度上发挥越来越大的作用。
硅微陀螺的加工材料薄硅片是热敏材料，温度对其机械尺寸和材料弹性模量都有影响，当温度发生变化时，不仅结构尺寸要变性，材料的弹性模量也会发生巨大变化。这些变化体现在对陀螺谐振频率和品质因数等关键参数上，由于检测模态相位与陀螺谐振频率和品质因数有关，检测模态相位决定了最优解调相角。
然而，现有技术中品质因数低、频差小的硅微陀螺仪的最优解调相角易受外界温度影响。
发明内容
发明目的：本发明的目的是针对现有技术中品质因数低、频差小的硅微陀螺仪的最优解调相角易受外界温度影响的问题，提供一种基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，包括以下步骤：
S1：在-40～60℃的温度范围内，硅微机械陀螺仪数字测控***工作在稳定状态，对陀螺仪驱动谐振频率f进行提取；
S2：在-40～60℃的温度范围内，硅微机械陀螺仪数字测控***工作在稳定状态，对陀螺仪检测模态相位进行提取；
S3：将步骤S2得到的驱动谐振频率f和检测模态相位进行分段线性拟合，建立两者之间的关系模型；
S4：将步骤S3得到的关系模型中的检测模态相位转化为延时计数值N，驱动谐振频率f转换为FPGA中的驱动谐振量化频率F，得到驱动谐振量化频率F与延时计数值N之间的F-N模型，F-N模型用于表征不同温度下通过延时补偿的解调相角；在FPGA中实现F-N模型，并将其嵌入到陀螺仪测控电路中，实现解调相角的最优补偿。
进一步，所述步骤S1中，通过以下方法得到驱动谐振频率f：陀螺仪驱动模态采用锁相环保证其工作在谐振状态，硅微机械陀螺仪数字测控***稳定时，将锁相环中压控振荡器的频率通过串口进行采集，得到驱动谐振频率f。
进一步，所述步骤S2中，通过以下方法得到检测模态相位令初始解调相角为零，对检测通道进行同相和正交解调，利用解调出的哥氏信号和正交误差信号来计算检测模态相位表示为：
式(1)中，Ac1为第一次测量的哥氏信号，Aq1为第一次测量的正交误差信号，Ac2为第二次测量的哥氏信号，Aq2为第二次测量的正交误差信号。
进一步，所述步骤S3中，关系模型通过式(2)得到：：
式(2)中，i＝1,2,3，表示线性分段数；表示驱动谐振频率f对应的检测模态相位ai和bi为步骤S3中分段线性拟合的第i段的系数，fi-1为为第i段频率区间的起始频率，fi为第i段频率区间的终止频率。
进一步，所述步骤S4中，F-N模型表示为：
式(3)中，j＝1,2,3，表示线性分段数；N(F)为驱动谐振量化频率F对应的延时计数值，也即F-N模型；A为角度与弧度之间转换常系数，B为FPGA***的输入时钟频率，C是与寄存器位数有关的常数，aj和bj为通过原始数据拟合得到的第j段的系数，Fj-1为第j段频率区间的起始频率，Fj为第j段频率区间的终止频率。
有益效果：本发明针对低品质因数、小频差的硅微机械陀螺仪最优解调相角易受外界温度影响的问题，利用驱动谐振频率与温度之间的线性关系，提出了基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，并在FPGA中实现了该补偿方法。该方法不需要增加额外的元器件，且便于参数调整。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中方法所针对的***的框图；
图2为本发明具体实施方式中硅微机械陀螺仪驱动谐振频率提取电路的原理框图；
图3为本发明具体实施方式中的硅微机械陀螺仪解调相角提取原理框图；
图4为本发明具体实施方式中的基于驱动谐振频率的最优解调相角实现原理框图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，包括以下步骤：
S1：在-40～60℃的温度范围内，硅微机械陀螺仪数字测控***工作在稳定状态，对陀螺仪驱动谐振频率f进行提取；
S2：在-40～60℃的温度范围内，硅微机械陀螺仪数字测控***工作在稳定状态，对陀螺仪检测模态相位进行提取；
S3：将步骤S2得到的驱动谐振频率f和检测模态相位进行分段线性拟合，建立两者之间的关系模型；
S4：将步骤S3得到的关系模型中的检测模态相位转化为延时计数值N，驱动谐振频率f转换为FPGA中的驱动谐振量化频率F，得到驱动谐振量化频率F与延时计数值N之间的F-N模型，F-N模型用于表征不同温度下通过延时补偿的解调相角；在FPGA中实现F-N模型，并将其嵌入到陀螺仪测控电路中，实现解调相角的最优补偿。如图4所示。
如图1所示，本方法最终基于FPGA实现，嵌入到陀螺测控***的数字电路中。陀螺测控***包括陀螺表头、C/V转换电路、同步积分解调电路、AD/DA转换电路、FPGA数字处理平台以及相关的电源及配置电路。其中，FPGA数字平台是控制***的核心模块，驱动控制模块、相位补偿模块、解调基准模块以及串口模块均在此实现。驱动控制模块由基于自动增益控制来保证幅度稳定，基于锁相环控制使得陀螺驱动模态稳定后工作在谐振频率上；相位补偿模块根据实验所建立的模型来实现，其输入为驱动控制模块中的陀螺驱动谐振频率，输出为延时计数值；解调基准模块根据输入的延时计数值，使得检测输出的解调基准方波产生一定延迟来调整相位，达到调整解调相角的目的；串口模块将需要采集的数据输出到上位机。
步骤S1中，通过以下方法得到驱动谐振频率f：陀螺仪驱动模态采用锁相环保证其工作在谐振状态，硅微机械陀螺仪数字测控***稳定时，将锁相环中压控振荡器的频率通过串口进行采集，得到驱动谐振频率f。
如图2所示，陀螺驱动谐振频率提取是通过锁相环技术实现的，锁相环由三部分组成：鉴相器、环路滤波器和压控振荡器，所述锁相环在本发明的测控***中具体实现为：
同步积分解调电路实现鉴相器作用，PI控制器实现环路滤波，压控振荡器由直接数字频率合成(DDS)技术实现。
实现驱动频率提取的原理为：由于Vds与Vd之间存在一个的相位差，当驱动信号频率与陀螺谐振频率相同时，***采用正弦信号作为驱动信号，Vds通过同步积分解调电路后，得到关于此相位差的值为：
设置Vref＝0，所以锁相环稳定时，会得到pha＝0，此时即驱动频率与陀螺谐振频率相同。Vm为驱动检测幅度大小，DDS的基准频率为f0，控制器输出Δf，则陀螺谐振频率f可以表示为：
f＝f0+Δf (A2)
由于DDS是在FPGA中进行实现的，能够很容易将得到的谐振频率f通过串口传输到上位机进行采集。
如图3所示，令θ＝0，可得正交通道输出为：
式中，Aq、Ac由上位机通过串口采集得到，所以为已知量。Ayq、Ayc分别为哥氏力和正交力引起的检测模态响应，无法得到确定值，所以为未知量。由于驱动回路采用了AGC方案，***稳定时，陀螺振幅不变，耦合到检测模态引起的正交力大小理论上不会随温度发生改变，所以可认为Ayq大小也不变。
假设在Δt时间内，温度变化很小，引起检测模态相位变化可以忽略，对检测模态施加两个大小不同的哥氏力Fc1、Fc2，检测模态哥氏响应分别为Ayc1、Ayc2，正交响应不发生变化。正交通道和哥氏通道在不同哥氏力下测量值为：
式中，Aq1为第一次测量的正交误差信号，Aq2为第二次测量的正交误差信号，为检测模态相位，Ayq正交力引起的检测模态响应。
式中，Ayc1、Ayc2分别为施加不同哥氏力下通过串口采集到的哥氏信号大小，Ac1为第一次测量的哥氏信号，Ac2为第二次测量的哥氏信号，为检测模态相位，Ayq正交力引起的检测模态响应。
步骤S2中，通过以下方法得到检测模态相位令初始解调相角为零，对检测通道进行同相和正交解调，利用解调出的哥氏信号和正交误差信号来计算检测模态相位表示为：
式(1)中，Ac1为第一次测量的哥氏信号，Aq1为第一次测量的正交误差信号，Ac2为第二次测量的哥氏信号，Aq2为第二次测量的正交误差信号。
步骤S3中，关系模型通过式(2)得到：：
式(2)中，i＝1,2,3，表示线性分段数；表示驱动谐振频率f对应的检测模态相位ai和bi为步骤S3中分段线性拟合的第i段的系数，fi-1为为第i段频率区间的起始频率，fi为第i段频率区间的终止频率。
步骤S4中，F-N模型表示为：
式(3)中，j＝1,2,3，表示线性分段数；N(F)为驱动谐振量化频率F对应的延时计数值，也即F-N模型；A为角度与弧度之间转换常系数，B为FPGA***的输入时钟频率，C是与寄存器位数有关的常数，aj和bj为通过原始数据拟合得到的第j段的系数，Fj-1为第j段频率区间的起始频率，Fj为第j段频率区间的终止频率。

Claims (5)

1.基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：在-40～60℃的温度范围内，硅微机械陀螺仪数字测控***工作在稳定状态，对陀螺仪驱动谐振频率f进行提取；
S2：在-40～60℃的温度范围内，硅微机械陀螺仪数字测控***工作在稳定状态，对陀螺仪检测模态相位进行提取；
S3：将步骤S2得到的驱动谐振频率f和检测模态相位进行分段线性拟合，建立两者之间的关系模型；
S4：将步骤S3得到的关系模型中的检测模态相位转化为延时计数值N，驱动谐振频率f转换为FPGA中的驱动谐振量化频率F，得到驱动谐振量化频率F与延时计数值N之间的F-N模型，F-N模型用于表征不同温度下通过延时补偿的解调相角；在FPGA中实现F-N模型，并将其嵌入到陀螺仪测控电路中，实现解调相角的最优补偿。
2.根据权利要求1所述的基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，其特征在于：所述步骤S1中，通过以下方法得到驱动谐振频率f：陀螺仪驱动模态采用锁相环保证其工作在谐振状态，硅微机械陀螺仪数字测控***稳定时，将锁相环中压控振荡器的频率通过串口进行采集，得到驱动谐振频率f。
3.根据权利要求1所述的基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，其特征在于：所述步骤S2中，通过以下方法得到检测模态相位令初始解调相角为零，对检测通道进行同相和正交解调，利用解调出的哥氏信号和正交误差信号来计算检测模态相位表示为：
式(1)中，Ac1为第一次测量的哥氏信号，Aq1为第一次测量的正交误差信号，Ac2为第二次测量的哥氏信号，Aq2为第二次测量的正交误差信号。
4.根据权利要求1所述的基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，其特征在于：所述步骤S3中，关系模型通过式(2)得到：：
式(2)中，i＝1,2,3，表示线性分段数；表示驱动谐振频率f对应的检测模态相位ai和bi为步骤S3中分段线性拟合的第i段的系数，fi-1为为第i段频率区间的起始频率，fi为第i段频率区间的终止频率。
5.根据权利要求1所述的基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，其特征在于：所述步骤S4中，F-N模型表示为：
式(3)中，j＝1,2,3，表示线性分段数；N(F)为驱动谐振量化频率F对应的延时计数值，也即F-N模型；A为角度与弧度之间转换常系数，B为FPGA***的输入时钟频率，C是与寄存器位数有关的常数，aj和bj由权利要求1中步骤S1和步骤S2中提取得到的f和拟合线段的第j段的系数，Fj-1为第j段频率区间的起始频率，Fj为第j段频率区间的终止频率。
CN201810618988.6A 2018-06-15 2018-06-15 基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法 Active CN109084742B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810618988.6A CN109084742B (zh) 2018-06-15 2018-06-15 基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810618988.6A CN109084742B (zh) 2018-06-15 2018-06-15 基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109084742A true CN109084742A (zh) 2018-12-25
CN109084742B CN109084742B (zh) 2022-04-26

Family

ID=64839617

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810618988.6A Active CN109084742B (zh) 2018-06-15 2018-06-15 基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109084742B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111435091A (zh) * 2019-01-14 2020-07-21 中国科学院微电子研究所 自适应相位对准模块和方法、及振动式陀螺仪测控电路
CN115127534A (zh) * 2022-09-01 2022-09-30 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种基于载波调制的石英陀螺正弦波相位检测补偿方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102109345A (zh) * 2010-12-13 2011-06-29 谢元平 微机械陀螺数字信号处理方法与装置
CN103822623A (zh) * 2014-03-03 2014-05-28 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 一种振动式硅微机械陀螺正交误差闭环补偿电路
CN104362929A (zh) * 2014-12-09 2015-02-18 哈尔滨工业大学 机电伺服***谐振在线识别及动态抑制方法
CN107238381A (zh) * 2017-05-23 2017-10-10 东南大学 用于模态匹配状态硅微机械陀螺仪带宽拓展数字校正方法
CN107389979A (zh) * 2017-06-28 2017-11-24 东南大学 基于谐振频率的硅微谐振式加速度计在线温度补偿方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102109345A (zh) * 2010-12-13 2011-06-29 谢元平 微机械陀螺数字信号处理方法与装置
CN103822623A (zh) * 2014-03-03 2014-05-28 中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心 一种振动式硅微机械陀螺正交误差闭环补偿电路
CN104362929A (zh) * 2014-12-09 2015-02-18 哈尔滨工业大学 机电伺服***谐振在线识别及动态抑制方法
CN107238381A (zh) * 2017-05-23 2017-10-10 东南大学 用于模态匹配状态硅微机械陀螺仪带宽拓展数字校正方法
CN107389979A (zh) * 2017-06-28 2017-11-24 东南大学 基于谐振频率的硅微谐振式加速度计在线温度补偿方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王玉朝等: "真空封装硅微陀螺品质因数的标定", 《光学精密工程》 *
盛平等: "基于锁相解调的硅微谐振陀螺检测电路研究", 《舰船电子工程》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111435091A (zh) * 2019-01-14 2020-07-21 中国科学院微电子研究所 自适应相位对准模块和方法、及振动式陀螺仪测控电路
CN115127534A (zh) * 2022-09-01 2022-09-30 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种基于载波调制的石英陀螺正弦波相位检测补偿方法
CN115127534B (zh) * 2022-09-01 2022-11-18 中国船舶重工集团公司第七0七研究所 一种基于载波调制的石英陀螺正弦波相位检测补偿方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN109084742B (zh) 2022-04-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2021227013A1 (zh) 固态谐振陀螺自校准方法及***
US8156805B2 (en) MEMS inertial sensor with frequency control and method
CN110108266B (zh) 基于机械vco锁相环的陀螺实时自动闭环模态匹配方法
CN109084742A (zh) 基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法
CN106289217B (zh) 一种半球谐振陀螺高可靠起振***及方法
CN114383590B (zh) 速率积分陀螺的相位误差辨识和补偿方法
US11305981B2 (en) Dual-output microelectromechanical resonator and method of manufacture and operation thereof
CN102435774A (zh) 一种电容式微机械加速度计温度补偿***及其方法
CN113532409B (zh) 一种高精度数字mems陀螺控制***及方法
CN115127533B (zh) 一种基于谐振陀螺振型旋转调制下的误差拟合补偿方法
CN109211275A (zh) 一种陀螺仪的零偏温度补偿方法
CN106885563A (zh) 一种防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路
CN108489512A (zh) 一种半球谐振陀螺标度因数的补偿标定方法及装置
CN107463085A (zh) 一种CPT原子钟伺服控制SoC
CN207218667U (zh) 一种卫星导航时间修正装置
CN109141479A (zh) 一种***级加速度计温度补偿方法
CN109029498B (zh) 一种用于振环硅微陀螺仪模态互易的数字测控***
CN206378139U (zh) 一种正交偏置自消除的微机械陀螺仪
CN114858191A (zh) 一种全角半球谐振陀螺检测电极误差标定方法
CN102692221B (zh) 微固体模态陀螺闭环驱动与科氏力检测电路
CN104180919B (zh) 基于微谐振器的高精度温度测量***
CN206593664U (zh) 一种防电学振荡的微机械陀螺仪闭环驱动电路
CN106289209A (zh) 一种适用于宽量程的陀螺仪控制方法和控制***
CN107576992B (zh) 一种重力梯度仪自标定方法及离心梯度补偿方法
CN110988760B (zh) 一种Mx型铯光泵磁力仪的数字化信号检测***

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant