硅微機械陀螺儀數字化靜電補償與調諧技術研究和實驗.pdf

1、隨著MEMS技術的高速發(fā)展，硅微機械陀螺儀越來越受到人們的關注。硅微機械陀螺儀是一種測量角速度的微型傳感器，具有體積小、重量輕、低功耗、低成本以及易于實現大批量生產等突出優(yōu)點，其已被廣泛應用于軍民領域。但由于受加工工藝的限制，目前硅微機械陀螺儀的精度還比較低，制約其精度的一個重要因素是實際加工與理論設計之間存在各種誤差，如彈性梁尺寸偏差、非對稱性誤差、殘余應力、正交耦合誤差等，這些都影響著硅微陀螺整體性能的提高。在現有加工工藝水平下，采

2、用閉環(huán)檢測、正交剛度校正、頻率調諧等靜電技術，結合靈活的數字補償方法，能有效提高硅微機械陀螺儀的性能。
　　本文以提高硅微機械陀螺儀性能為目的，針對課題組自主研制的具有檢測反饋、正交校正以及頻率調諧功能的雙質量線振動全解耦硅微機械陀螺儀結構開展數字補償與調諧技術的研究。主要研究工作及創(chuàng)新點如下:
　　1、硅微機械陀螺儀驅動模態(tài)數字域閉環(huán)系統(tǒng)設計與實現
　　基于數字控制系統(tǒng)設計方法，通過頻率修正的雙線性變換推導出了陀螺驅

3、動模態(tài)的離散模型，構建了鎖相環(huán)相位控制和自動增益幅度控制的數字化控制模型，給出了相位控制和幅度控制的穩(wěn)定性條件。仿真和實驗結果表明，陀螺數字閉環(huán)驅動系統(tǒng)穩(wěn)定速度快、穩(wěn)態(tài)精度高、環(huán)境適應性強。
　　2、硅微機械陀螺儀檢測模態(tài)閉環(huán)控制技術研究
　　針對模態(tài)匹配狀態(tài)下陀螺檢測模型近似為一階慣性環(huán)節(jié)的特點，提出采用PI控制和相位超前環(huán)節(jié)相結合的數字串聯校正器，實現模態(tài)匹配狀態(tài)下的閉環(huán)控制，建立了與實際數字檢測電路完全對應的數?；旌戏?/p>

4、真系統(tǒng)，驗證了設計的有效性。對陀螺數字測控系統(tǒng)分別進行了開環(huán)檢測和閉環(huán)檢測模式下的性能測試，相比于開環(huán)檢測工作方式，閉環(huán)檢測下陀螺標度因數的性能得到明顯提升，工作帶寬由6Hz拓展到93Hz。
　　3、硅微機械陀螺儀正交校正技術研究
　　針對硅微機械陀螺儀正交校正的結構方案，提出了正交力校正和正交剛度校正兩種數字校正實現方法，設計了相應的閉環(huán)控制系統(tǒng)，分別進行了頻域和時域仿真，驗證了兩種校正方法的可行性。在陀螺數字控制系統(tǒng)中實

5、現了兩種校正方式并進行了實驗對比，結果表明，正交校正明顯提升了陀螺性能，正交剛度校正的效果優(yōu)于正交力校正。
　　4、硅微機械陀螺儀模態(tài)頻率自匹配技術研究
　　基于數字測控系統(tǒng)的靈活性，結合陀螺模態(tài)調節(jié)結構的特點，提出了基于正交耦合信號相頻特性的頻率自匹配、基于低頻調制激勵的頻率自匹配以及基于BP神經網絡的頻率自匹配三種模態(tài)頻率匹配方法;分別進行了理論分析、仿真驗證以及實驗測試。結果表明，三種方法均能實現溫度范圍-40℃到60

6、℃的模態(tài)頻率自匹配，模態(tài)頻差變化分別小于1Hz、0.5Hz和0016Hz。
　　5、硅微機械陀螺儀數字解調算法分析與優(yōu)化
　　針對硅微機械陀螺儀信號處理對解調方法與算法的要求，設計和實現了乘法解調、最小均方解調、傅里葉解調、全相位FFT解調以及同步積分解調五種數字解調算法，在進行適當算法優(yōu)化的基礎上，從仿真和在FPGA電路實時運行兩方面，比較了它們的啟動速度、抗噪聲能力、硬件資源使用率及實時解調精度，最終以同步積分解調作為硅

7、微機械陀螺儀數字測控系統(tǒng)的解調算法，為提升陀螺信號處理效率與精度提供了保證。
　　6、數字化靜電補償與調諧技術測試試驗
　　參照國產微機械陀螺測試細則，分別對硅微機械陀螺儀在“開環(huán)檢測、正交閉環(huán)、模態(tài)不匹配”（模式1），“開環(huán)檢測、正交閉環(huán)、模態(tài)匹配”（模式2）和“閉環(huán)檢測、正交閉環(huán)、模態(tài)匹配”（模式3）三種工作模式下進行了測試試驗與性能對比;結果顯示工作在模式3下的硅微機械陀螺儀綜合性能指標最優(yōu):相比于模式1，零偏穩(wěn)定性由

8、15.13°/h提升到1.3°/h，角度隨機游走由2.63°/h√Hz提升到1.32°h/√Hz;相比于模式2，工作范圍由±100°/s增大到±400°/s，標度因數非線性度由649ppm減小到21ppm，帶寬由5Hz擴展到90Hz。試驗結果表明，檢測閉環(huán)有效提升了標度因數特性，拓展了工作范圍和帶寬;模態(tài)匹配有效提升了機械靈敏度，從而提高了穩(wěn)定性，降低了噪聲。
　　本文的工作為提升硅微機械陀螺儀的性能提供了一條有效技術途徑，對后續(xù)