專利名稱：用于硅微機(jī)械陀螺的零偏穩(wěn)定性提升方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅微機(jī)械陀螺領(lǐng)域，具體涉及一種用于硅微機(jī)械陀螺的零偏穩(wěn)定性提升方法及裝置。
背景技術(shù)：
微機(jī)械陀螺是測(cè)量物體相對(duì)慣性空間旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的裝置，是慣性制導(dǎo)系統(tǒng)必不可少的角速度敏感元件，微機(jī)械陀螺的輸出信號(hào)經(jīng)放大、校正、功率放大后，用于驅(qū)動(dòng)載體或平臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定控制和導(dǎo)航控制。微機(jī)械陀螺的微結(jié)構(gòu)采用體硅或表面硅加工工藝制作而成，通過將驅(qū)動(dòng)端的振動(dòng)利用哥氏力效應(yīng)耦合到敏感端來檢測(cè)角速度。如圖I所示，硅微機(jī)械陀螺一般由支撐梁和質(zhì)量塊組成，多采用靜電驅(qū)動(dòng)、電容檢測(cè)的形式。硅微機(jī)械陀螺包括兩個(gè)工作模態(tài)驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)。質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)靜電力的作用下沿驅(qū)動(dòng)軸方向(X軸)做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，稱為驅(qū)動(dòng)模態(tài)；當(dāng)沿著角速度輸入方向(Z軸) 存在角速度信號(hào)時(shí)，由哥氏力效應(yīng)產(chǎn)生的哥氏力使得檢測(cè)質(zhì)量塊在檢測(cè)軸方向(y軸)產(chǎn)生振動(dòng)，稱為檢測(cè)模態(tài)。檢測(cè)模態(tài)敏感電容變化量與輸入角速度成正比，通過C-V轉(zhuǎn)化后即可通過測(cè)量該電壓信號(hào)從而獲得輸入角速度的信息，兩個(gè)模態(tài)都可以采用質(zhì)量-彈簧-阻尼的二階系統(tǒng)建模。圖I中，cs為檢測(cè)模態(tài)的阻尼、cd為驅(qū)動(dòng)模態(tài)的阻尼、ks為檢測(cè)模態(tài)的剛度、kd為驅(qū)動(dòng)模態(tài)的剛度?？紤]驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)采用同一質(zhì)量塊，硅微機(jī)械陀螺的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為
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為圖I中所示質(zhì)量塊的質(zhì)量。C= ~為系統(tǒng)的阻尼矩陣，
Lc,- S」
Cxx為驅(qū)動(dòng)模態(tài)的阻尼、Cyy為檢測(cè)模態(tài)的阻尼、Cyx、Cxy分別表示兩模態(tài)交叉耦合阻尼；
~] Jc
K=::為系統(tǒng)的剛度矩陣,kxx為驅(qū)動(dòng)模態(tài)的剛度、kyy為檢測(cè)模態(tài)的剛度、kyx、kxy分
JcVX ^yy _
別表示兩模態(tài)交叉耦合剛度；Ωζ為輸入的角速度信號(hào).,F 二 *為系統(tǒng)作用力。
/>■_當(dāng)硅微機(jī)械陀螺的Z軸有角速度輸入時(shí)，檢測(cè)模態(tài)受到一個(gè)動(dòng)態(tài)機(jī)械耦合，驅(qū)動(dòng)模態(tài)受驅(qū)動(dòng)力作用做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，簡(jiǎn)諧振動(dòng)的諧振頻率為ωχ，則驅(qū)動(dòng)模態(tài)位移x(t)為X (t) = X0Cos (ω xt)(A2)式(A2)中，Xtl為硅微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振幅；t為時(shí)間參數(shù)。將式(A2)代入式(Al)，定義Fy = 0，則檢測(cè)模態(tài)動(dòng)力學(xué)方程為 my + Cj.' + A..:,.V, = ItnX^coflx sin(<y/) - X0(t)xca sin(<y,/) - kJC'、cos(<y'./) (A3)式(A3)中，右端第一項(xiàng)(2mXQcoxQzSin(coxt))表示哥氏力信號(hào)；右端第二項(xiàng)(-XtlCO xcyxsin(coxt))表不與哥氏力同相的偏移誤差信號(hào)；右端第三項(xiàng)(-kyxXQcos(coxt))表示與哥氏力信號(hào)正交的誤差信號(hào)，即正交耦合誤差。式(A3)中涉及的字母參數(shù)的含義與式(Al)中相同。忽略偏移誤差信號(hào)的影響，只考慮正交耦合誤差的影響。則可將式(A3)簡(jiǎn)化表述為
權(quán)利要求
1.一種用于硅微機(jī)械陀螺的零偏穩(wěn)定性提升方法，其特征在于其實(shí)施步驟如下 1)實(shí)時(shí)獲取硅微機(jī)械陀螺因耦合剛度導(dǎo)致的正交耦合誤差幅值； 2)將所述正交耦合誤差幅值作為控制量，閉環(huán)反饋控制輸入到硅微機(jī)械陀螺檢測(cè)電極的靜電剛度調(diào)整電壓，當(dāng)環(huán)境因素發(fā)生變化時(shí)通過所述靜電剛度調(diào)整電壓的變化量修正硅微機(jī)械陀螺的耦合剛度的改變量，從而保持硅微機(jī)械陀螺耦合剛度保持不變、提升硅微機(jī)械陀螺的零偏穩(wěn)定性。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于硅微機(jī)械陀螺的零偏穩(wěn)定性提升方法，其特征在于，所述步驟I)的詳細(xì)步驟包括 I. I)實(shí)時(shí)獲取娃微機(jī)械陀螺輸出的檢測(cè)信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)； I. 2)將所述檢測(cè)信號(hào)放大并根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)； I. 3)將解調(diào)得到的解調(diào)結(jié)果低通濾波，剔除高頻信號(hào)得到正交耦合誤差； 1.4)將所述正交耦合誤差經(jīng)PID控制得到正交耦合誤差幅值。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的用于硅微機(jī)械陀螺的零偏穩(wěn)定性提升方法，其特征在于，所述步驟2)的詳細(xì)步驟包括 2.I)將所述步驟I)得到的正交耦合誤差幅值進(jìn)行反相； 2.2)將反相的正交耦合誤差幅值作為控制量，閉環(huán)反饋控制輸入到硅微機(jī)械陀螺檢測(cè)電極的靜電剛度調(diào)整電壓，通過所述靜電剛度調(diào)整電壓的變化量修正硅微機(jī)械陀螺的耦合剛度因環(huán)境因素發(fā)生的改變量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于硅微機(jī)械陀螺的零偏穩(wěn)定性提升方法，其特征在于，所述步驟2. 2)中控制輸入到硅微機(jī)械陀螺檢測(cè)電極的靜電剛度調(diào)整電壓具體是指通過式(A17)控制輸入硅微機(jī)械陀螺檢測(cè)電極的靜電剛度調(diào)整電壓； VDC = 24. 98-1. 249*Vde5(A17) 式(A17)中，VDC為最終輸出的靜電剛度調(diào)整電壓，Vde5為正交耦合誤差幅值。
5.一種用于硅微機(jī)械陀螺的零偏穩(wěn)定性提升裝置，其特征在于包括用于獲取硅微機(jī)械陀螺的正交耦合誤差幅值的正交誤差幅值獲取單元(I)和用于根據(jù)正交耦合誤差幅值向硅微機(jī)械陀螺檢測(cè)電極輸出靜電剛度調(diào)整電壓的靜電剛度調(diào)整控制單元(2)，所述靜電剛度調(diào)整控制單元(2)將正交誤差幅值獲取單元(I)輸出的正交耦合誤差幅值作為控制量閉環(huán)反饋控制輸入到硅微機(jī)械陀螺檢測(cè)電極的靜電剛度調(diào)整電壓，當(dāng)環(huán)境因素發(fā)生變化時(shí)所述靜電剛度調(diào)整控制單元(2)通過所述靜電剛度調(diào)整電壓的變化量修正硅微機(jī)械陀螺的耦合剛度的改變量，從而保持硅微機(jī)械陀螺的耦合剛度不變、提升硅微機(jī)械陀螺的零偏穩(wěn)定性。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于硅微機(jī)械陀螺的零偏穩(wěn)定性提升裝置，其特征在于所述正交誤差幅值獲取單元(I)包括放大器(11)、乘法器(12)、濾波器(13)和PID控制器(14)，所述放大器(11)的輸入端與硅微機(jī)械陀螺的檢測(cè)信號(hào)輸出端相連，所述乘法器(12)的一個(gè)輸入端與放大器(11)相連，所述乘法器(12)的另一個(gè)輸入端與娃微機(jī)械陀螺的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端相連，所述乘法器(12)的輸出端通過濾波器(13)和PID控制器(14)相連，所述PID控制器(14)的輸出端與靜電剛度調(diào)整控制單元(2)相連；所述放大器(11)實(shí)時(shí)獲取硅微機(jī)械陀螺輸出的檢測(cè)信號(hào)并進(jìn)行放大后輸出給乘法器(12)，所述乘法器(12)實(shí)時(shí)根據(jù)硅微機(jī)械陀螺輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)所述放大器(11)放大后的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，所述乘法器(12)將所述解調(diào)結(jié)果依次通過濾波器(13)、PID控制器(14)得到正交耦合誤差幅值，所述PID控制器(14)將正交耦合誤差幅值輸出至靜電剛度調(diào)整控制單元(2)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的用于硅微機(jī)械陀螺的零偏穩(wěn)定性提升裝置，其特征在于所述靜電剛度調(diào)整控制單元(2)包括依次相連的反相器(21)和DC-DC模塊(22)，所述正交誤差幅值獲取單元(I)通過反相器(21)與DC-DC模塊(22 )的輸入端相連，所述DC-DC模塊(22)的電壓輸出端與硅微機(jī)械陀螺(4)的檢測(cè)電極相連；所述反相器(21)將反相的正交耦合誤差幅值輸入DC-DC模塊(22)，所述DC-DC模塊(22)根據(jù)輸入的控制量閉環(huán)反饋控制輸入到硅微機(jī)械陀螺檢測(cè)電極的靜電剛度調(diào)整電壓，所述DC-DC模塊(22)通過控制靜電剛度調(diào)整電壓的變化量修正硅微機(jī)械陀螺的耦合剛度因環(huán)境因素發(fā)生的改變量來提升硅微機(jī)械陀螺的零偏穩(wěn)定性。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于硅微機(jī)械陀螺的零偏穩(wěn)定性提升裝置，其特征在于，所述DC-DC模塊(22)通過式(A17)控制輸入硅微機(jī)械陀螺檢測(cè)電極的靜電剛度調(diào)整電壓； VDC = 24. 98-1. 249*Vde5(A17) 式(A17)中，VDC為最終輸出的靜電剛度調(diào)整電壓，Vde5為正交耦合誤差幅值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于硅微機(jī)械陀螺的零偏穩(wěn)定性提升方法及裝置，方法步驟如下1)實(shí)時(shí)獲取硅微機(jī)械陀螺檢測(cè)信號(hào)的正交耦合誤差幅值；2)將正交耦合誤差幅值作為控制量，閉環(huán)反饋控制輸入硅微機(jī)械陀螺檢測(cè)電極的靜電剛度調(diào)整電壓，當(dāng)環(huán)境因素發(fā)生變化時(shí)通過靜電剛度調(diào)整電壓的變化量修正硅微機(jī)械陀螺的耦合剛度因環(huán)境因素發(fā)生的改變量；裝置包括用于獲取硅微機(jī)械陀螺檢測(cè)信號(hào)的正交耦合誤差幅值的正交誤差幅值獲取單元和用于向硅微機(jī)械陀螺輸出靜電剛度調(diào)整電壓的靜電剛度調(diào)整控制單元。本發(fā)明能夠顯著提升硅微機(jī)械陀螺的零偏穩(wěn)定性和檢測(cè)精度，具有調(diào)整實(shí)時(shí)性好、驅(qū)動(dòng)電壓小、效率高、成本低、功耗小、使用簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01C19/5684GK102759365SQ20121024051
公開日2012年10月31日 申請(qǐng)日期2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月12日
發(fā)明者侯占強(qiáng), 劉學(xué), 吳學(xué)忠, 張旭, 肖定邦, 胡小平, 蘇劍彬, 陳志華 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)