硅微陀螺儀測控系統(tǒng)數(shù)字化技術研究.pdf

1、隨著對微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的深入研究和取得的進展，以及目前市場對低成本、高可靠性以及微型化角速率傳感器的需求，硅微機械陀螺儀己成為過去近二十年內(nèi)廣泛研究和發(fā)展的主題。并且預測在今后幾年內(nèi)，硅微機械陀螺儀將會成為又一種成熟的硅微慣性敏感器件，廣泛應用于諸多領域。對硅微機械陀螺儀的研究，可以加速和促進我國對新型慣性測量元件的應用，這在高新技術日益發(fā)展的今天有十分重要的研究意義。 目前對硅微振動陀螺儀測控技術的研究主要是采用模

2、擬電路的方法，在實際應用中，常常是要測量多個軸的角速度，它們一般組成微慣性測量單元(MIMU)的形式，用模擬電路來實現(xiàn)則十分復雜，相互干擾嚴重，現(xiàn)在的微機械傳感器朝著智能化的方向發(fā)展，要實現(xiàn)這些都要求采用數(shù)字技術，另外數(shù)字電路不容易受環(huán)境溫度的影響，抗干擾能力強，系統(tǒng)功能更改靈活。針對此本文展開了對微機械陀螺儀數(shù)字化技術的研究，研究的主要內(nèi)容如下： (1)研究了DDS和PWM兩種陀螺儀數(shù)字驅(qū)動方式，提出了采用不對稱規(guī)則采樣算法

3、進行PWM驅(qū)動的方法。 硅微機械振動陀螺儀要能工作，就要使它的諧振器被驅(qū)動，研究了兩種數(shù)字化的驅(qū)動方式，一種是直接數(shù)字頻率合成(DDS)驅(qū)動，一種是脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動，詳細地研究了DDS驅(qū)動和PWM驅(qū)動的原理，對于DDS是這種直接輸出正弦波的驅(qū)動方式，詳細地給出了如何設定幅值，頻率和相位的方法，對于PWM這種間接形式，論述了各種驅(qū)動采樣算法。針對DDS驅(qū)動和PWM驅(qū)動，驅(qū)動反饋控制的方式有三種：調(diào)節(jié)直流電壓、調(diào)節(jié)交流電壓、

4、同時調(diào)節(jié)直流電壓和交流電壓，在每一種方式中都具體討論了DDS和PWM的硬件實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)形式。 對于本系統(tǒng)而言，比較方便的實現(xiàn)方式是采用微處理器來實現(xiàn)上述算法，PWM驅(qū)動相對于DDS驅(qū)動在這種方式中采用的器件更少，實現(xiàn)閉環(huán)驅(qū)動更容易。PWM閉環(huán)驅(qū)動的大部分工作都是依靠軟件程序在微處理器中運行來實現(xiàn)，最后只是在輸出引腳上表現(xiàn)出高低電平，而DDS驅(qū)動在發(fā)出正弦波形就需要外部有一個集成電路，因為相位累加器的工作頻率一般要求幾十MHz至幾

5、百MHz，這顯然不是靠純軟件能實現(xiàn)的，相應地閉環(huán)控制算法也離不開此集成電路的配合，實現(xiàn)起來自然沒有純軟件那么靈活。因此本系統(tǒng)采用PWM方式作為硅微機械陀螺儀的驅(qū)動方式。在各種PWM驅(qū)動算法當中，不對稱規(guī)則采樣算法具有易實現(xiàn)，諧波干擾少的優(yōu)點，因此在本系統(tǒng)中采用不對稱規(guī)則采樣算法來進行PWM驅(qū)動。 (2)比較了各種檢測驅(qū)動速度的算法，提出了采用整流濾波實現(xiàn)驅(qū)動速度檢測的方法；提出了增益控制算法，實現(xiàn)了驅(qū)動速度反饋控制；提出了陀螺

6、初始驅(qū)動頻率控制方法。 硅微機械陀螺儀的性能和驅(qū)動運動的穩(wěn)定性是直接相關的，本系統(tǒng)采用閉環(huán)驅(qū)動。研究了各種檢測驅(qū)動速度的算法，整流濾波法、平方包絡法、正交包絡法，對本系統(tǒng)而言整流濾波法的實現(xiàn)最為有效。針對DDS驅(qū)動和PWM驅(qū)動，驅(qū)動反饋控制的方式有三種：調(diào)節(jié)直流電壓、調(diào)節(jié)交流電壓、同時調(diào)節(jié)直流電壓和交流電壓，在每一種方式中都具體討論了DDS和PWM的硬件實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)形式。除了硬件結(jié)構(gòu)形式外還要有軟件調(diào)節(jié)算法來配合，首先給出了基本

7、的增益控制算法，然后對它進行改進，以減小陀螺反饋控制環(huán)路的振蕩，提高動態(tài)性能，增益控制算法對DDS驅(qū)動和PWM驅(qū)動都是一樣適用。陀螺儀工作一段時間后，它的諧振點會變化，為了保持陀螺儀工作性能不因此而降低，對陀螺儀的驅(qū)動頻率進行控制，使陀螺儀工作在諧振狀態(tài)。 (3)提出了采用同步采樣技術進行二次解調(diào)的方法，并用FPGA來產(chǎn)生相應的采樣脈沖。陀螺儀經(jīng)過一次解調(diào)之后，得到的信號含有有用信號和正交信號，它們是同頻率的，這個頻率等于驅(qū)動

8、信號的頻率，但相位相差90°，針對此本文提出了同步采樣的技術對它進行二次解調(diào)來得到角速度信息，這樣大大減小了計算量。同步采樣法在抑制正交信號的同時，提取出了有用信號。還分析了同步采樣法對緩變趨勢項，不同頻率的正弦信號，隨機白噪聲等干擾的抑制作用，對于除了正交信號以外的各種干擾，同步采樣檢測的作用相當于一個窄帶的濾波器，對這些信號實現(xiàn)的有效抑制。同步采樣檢測要求產(chǎn)生相應的同步采樣脈沖，本文分析了乘法器實現(xiàn)，鎖相環(huán)實現(xiàn)和FPGA實現(xiàn)的方式，

9、數(shù)字系統(tǒng)中一般都有FPGA器件，因此本系統(tǒng)采用了FPGA實現(xiàn)，不用增加任何硬件開銷，另外，F(xiàn)PGA實現(xiàn)還能起到輔助移相的作用。在同步采樣算法中要求有濾波器環(huán)節(jié)，考慮到本系統(tǒng)是一個實時系統(tǒng)，對各種濾波器結(jié)構(gòu)進行了分析，級聯(lián)形式的無限脈沖響應濾波器的計算量最小，實時性能最好，最適合本系統(tǒng)。 (4)探索了用欠采樣技術進行硅微陀螺一次解調(diào)及相應的后續(xù)數(shù)字化的技術途徑。為了實現(xiàn)更高的數(shù)字化，對采用欠采樣技術進行一次解調(diào)進行了理論分析。在

10、滿足載波整數(shù)分頻得到參考采樣信號的情況下，從理論上證明了欠采樣方式等效于對沒有載波的原始信號進行采樣，兩者得到的數(shù)據(jù)對于后續(xù)的數(shù)字信號處理器而言是一樣的。本文對欠采樣理論在硅微機械陀螺儀中的應用的具體技術進行了探索：用欠采樣技術一次解調(diào)后的信號要進行前端濾波，為了使DSP的負擔減輕，提出了在FPGA中進行濾波的方案，在實現(xiàn)濾波算法時，采用了分布式算法(DA算法)以減少對FPGA的資源消耗。在信號進入DSP中還要進行二次解調(diào)才能得到所需信

11、息，可以采用乘法解調(diào)或自適應解調(diào)，它們一般需要相互正交的參考信號，采用了希爾伯特算法來實現(xiàn)這個功能。 (5)設計開發(fā)了基于PWM驅(qū)動和同步采樣檢測的硅微陀螺數(shù)字測控系統(tǒng)，并進行了實驗驗證。 根據(jù)前面研究的技術，采用了PWM驅(qū)動和同步采樣檢測相結(jié)合設計，選用了高性能的DSP芯片和FPGA芯片制作了硬件電路。在陀螺儀系統(tǒng)上采用了嵌入式操作系統(tǒng)為框架來組織各個模塊軟件。在主機上采用虛擬儀器軟件開發(fā)了一個觀測采集程序。對系統(tǒng)