专利名称：用于硅微机械陀螺的零偏稳定性提升方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及硅微机械陀螺领域，具体涉及一种用于硅微机械陀螺的零偏稳定性提升方法及装置。
背景技术：
微机械陀螺是测量物体相对惯性空间旋转运动的装置，是惯性制导系统必不可少的角速度敏感元件，微机械陀螺的输出信号经放大、校正、功率放大后，用于驱动载体或平台执行机构进行稳定控制和导航控制。微机械陀螺的微结构采用体硅或表面硅加工工艺制作而成，通过将驱动端的振动利用哥氏力效应耦合到敏感端来检测角速度。如图I所示，硅微机械陀螺一般由支撑梁和质量块组成，多采用静电驱动、电容检测的形式。硅微机械陀螺包括两个工作模态驱动模态和检测模态。质量块在驱动静电力的作用下沿驱动轴方向(X轴)做简谐振动，称为驱动模态；当沿着角速度输入方向(Z轴) 存在角速度信号时，由哥氏力效应产生的哥氏力使得检测质量块在检测轴方向(y轴)产生振动，称为检测模态。检测模态敏感电容变化量与输入角速度成正比，通过C-V转化后即可通过测量该电压信号从而获得输入角速度的信息，两个模态都可以采用质量-弹簧-阻尼的二阶系统建模。图I中，cs为检测模态的阻尼、cd为驱动模态的阻尼、ks为检测模态的刚度、kd为驱动模态的刚度。考虑驱动模态和检测模态采用同一质量块，硅微机械陀螺的系统动力学方程为
Γ. C9Ir^I「I ^IrxI [O I Γλ- IfIm ., + - 5 I + ' / =2mQs. + ；(Al)
W Lc" cv,.JW Lb ^jbJ L-1 0JbJ LfV_ '式(Al)中，m为图I中所示质量块的质量。C= ~为系统的阻尼矩阵，
Lc,- S」
Cxx为驱动模态的阻尼、Cyy为检测模态的阻尼、Cyx、Cxy分别表示两模态交叉耦合阻尼；
~] Jc
K=::为系统的刚度矩阵,kxx为驱动模态的刚度、kyy为检测模态的刚度、kyx、kxy分
JcVX ^yy _
别表示两模态交叉耦合刚度；Ωζ为输入的角速度信号.,F 二 *为系统作用力。
/>■_当硅微机械陀螺的Z轴有角速度输入时，检测模态受到一个动态机械耦合，驱动模态受驱动力作用做简谐振动，简谐振动的谐振频率为ωχ，则驱动模态位移x(t)为X (t) = X0Cos (ω xt)(A2)式(A2)中，Xtl为硅微机械陀螺驱动模态的振幅；t为时间参数。将式(A2)代入式(Al)，定义Fy = 0，则检测模态动力学方程为 my + Cj.' + A..:,.V, = ItnX^coflx sin(<y/) - X0(t)xca sin(<y,/) - kJC'、cos(<y'./) (A3)式(A3)中，右端第一项(2mXQcoxQzSin(coxt))表示哥氏力信号；右端第二项(-XtlCO xcyxsin(coxt))表不与哥氏力同相的偏移误差信号；右端第三项(-kyxXQcos(coxt))表示与哥氏力信号正交的误差信号，即正交耦合误差。式(A3)中涉及的字母参数的含义与式(Al)中相同。忽略偏移误差信号的影响，只考虑正交耦合误差的影响。则可将式(A3)简化表述为
权利要求
1.一种用于硅微机械陀螺的零偏稳定性提升方法，其特征在于其实施步骤如下 1)实时获取硅微机械陀螺因耦合刚度导致的正交耦合误差幅值； 2)将所述正交耦合误差幅值作为控制量，闭环反馈控制输入到硅微机械陀螺检测电极的静电刚度调整电压，当环境因素发生变化时通过所述静电刚度调整电压的变化量修正硅微机械陀螺的耦合刚度的改变量，从而保持硅微机械陀螺耦合刚度保持不变、提升硅微机械陀螺的零偏稳定性。
2.根据权利要求I所述的用于硅微机械陀螺的零偏稳定性提升方法，其特征在于，所述步骤I)的详细步骤包括 I. I)实时获取娃微机械陀螺输出的检测信号与驱动信号； I. 2)将所述检测信号放大并根据所述驱动信号进行解调； I. 3)将解调得到的解调结果低通滤波，剔除高频信号得到正交耦合误差； 1.4)将所述正交耦合误差经PID控制得到正交耦合误差幅值。
3.根据权利要求I或2所述的用于硅微机械陀螺的零偏稳定性提升方法，其特征在于，所述步骤2)的详细步骤包括 2.I)将所述步骤I)得到的正交耦合误差幅值进行反相； 2.2)将反相的正交耦合误差幅值作为控制量，闭环反馈控制输入到硅微机械陀螺检测电极的静电刚度调整电压，通过所述静电刚度调整电压的变化量修正硅微机械陀螺的耦合刚度因环境因素发生的改变量。
4.根据权利要求3所述的用于硅微机械陀螺的零偏稳定性提升方法，其特征在于，所述步骤2. 2)中控制输入到硅微机械陀螺检测电极的静电刚度调整电压具体是指通过式(A17)控制输入硅微机械陀螺检测电极的静电刚度调整电压； VDC = 24. 98-1. 249*Vde5(A17) 式(A17)中，VDC为最终输出的静电刚度调整电压，Vde5为正交耦合误差幅值。
5.一种用于硅微机械陀螺的零偏稳定性提升装置，其特征在于包括用于获取硅微机械陀螺的正交耦合误差幅值的正交误差幅值获取单元(I)和用于根据正交耦合误差幅值向硅微机械陀螺检测电极输出静电刚度调整电压的静电刚度调整控制单元(2)，所述静电刚度调整控制单元(2)将正交误差幅值获取单元(I)输出的正交耦合误差幅值作为控制量闭环反馈控制输入到硅微机械陀螺检测电极的静电刚度调整电压，当环境因素发生变化时所述静电刚度调整控制单元(2)通过所述静电刚度调整电压的变化量修正硅微机械陀螺的耦合刚度的改变量，从而保持硅微机械陀螺的耦合刚度不变、提升硅微机械陀螺的零偏稳定性。
6.根据权利要求5所述的用于硅微机械陀螺的零偏稳定性提升装置，其特征在于所述正交误差幅值获取单元(I)包括放大器(11)、乘法器(12)、滤波器(13)和PID控制器(14)，所述放大器(11)的输入端与硅微机械陀螺的检测信号输出端相连，所述乘法器(12)的一个输入端与放大器(11)相连，所述乘法器(12)的另一个输入端与娃微机械陀螺的驱动信号输出端相连，所述乘法器(12)的输出端通过滤波器(13)和PID控制器(14)相连，所述PID控制器(14)的输出端与静电刚度调整控制单元(2)相连；所述放大器(11)实时获取硅微机械陀螺输出的检测信号并进行放大后输出给乘法器(12)，所述乘法器(12)实时根据硅微机械陀螺输出的驱动信号对所述放大器(11)放大后的检测信号进行解调，所述乘法器(12)将所述解调结果依次通过滤波器(13)、PID控制器(14)得到正交耦合误差幅值，所述PID控制器(14)将正交耦合误差幅值输出至静电刚度调整控制单元(2)。
7.根据权利要求5或6所述的用于硅微机械陀螺的零偏稳定性提升装置，其特征在于所述静电刚度调整控制单元(2)包括依次相连的反相器(21)和DC-DC模块(22)，所述正交误差幅值获取单元(I)通过反相器(21)与DC-DC模块(22 )的输入端相连，所述DC-DC模块(22)的电压输出端与硅微机械陀螺(4)的检测电极相连；所述反相器(21)将反相的正交耦合误差幅值输入DC-DC模块(22)，所述DC-DC模块(22)根据输入的控制量闭环反馈控制输入到硅微机械陀螺检测电极的静电刚度调整电压，所述DC-DC模块(22)通过控制静电刚度调整电压的变化量修正硅微机械陀螺的耦合刚度因环境因素发生的改变量来提升硅微机械陀螺的零偏稳定性。
8.根据权利要求7所述的用于硅微机械陀螺的零偏稳定性提升装置，其特征在于，所述DC-DC模块(22)通过式(A17)控制输入硅微机械陀螺检测电极的静电刚度调整电压； VDC = 24. 98-1. 249*Vde5(A17) 式(A17)中，VDC为最终输出的静电刚度调整电压，Vde5为正交耦合误差幅值。
全文摘要
本发明公开了一种用于硅微机械陀螺的零偏稳定性提升方法及装置，方法步骤如下1)实时获取硅微机械陀螺检测信号的正交耦合误差幅值；2)将正交耦合误差幅值作为控制量，闭环反馈控制输入硅微机械陀螺检测电极的静电刚度调整电压，当环境因素发生变化时通过静电刚度调整电压的变化量修正硅微机械陀螺的耦合刚度因环境因素发生的改变量；装置包括用于获取硅微机械陀螺检测信号的正交耦合误差幅值的正交误差幅值获取单元和用于向硅微机械陀螺输出静电刚度调整电压的静电刚度调整控制单元。本发明能够显著提升硅微机械陀螺的零偏稳定性和检测精度，具有调整实时性好、驱动电压小、效率高、成本低、功耗小、使用简便等优点。
文档编号G01C19/5684GK102759365SQ20121024051
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月12日 优先权日2012年7月12日
发明者侯占强, 刘学, 吴学忠, 张旭, 肖定邦, 胡小平, 苏剑彬, 陈志华 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学