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一种 硅微陀螺自动模态匹配控制结构和方法

阅读：997发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种硅微陀螺自动模态匹配控制结构和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种基于检测模态闭环硅微陀螺的自动模态匹配控制结构和方法，通过在检测模态闭环结构中加入双频信号，利用检测模态幅频响应关于其自身谐振频率具有对称性，而相频响应关于-90° 相移具有对称性，并通过双频同相解调和加法器以及PI 控制器生成调谐控制电压，再利用调谐梳齿的电容变间隙设计的静电刚度调谐效应，使得硅微陀螺检测模态谐振频率和驱动模态谐振频率完全相等，从而实现了自动模态匹配控制，有效提升硅微陀螺检测模态的机械检测灵敏度和硅微陀螺精度。，下面是一种硅微陀螺自动模态匹配控制结构和方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种硅微陀螺自动模态匹配控制结构，包括检测模态闭环硅微陀螺(06)、第一双频信号发生器(03)、第二双频信号发生器(07)、第一同相解调器(08)、第二同相解调器(09)、第一增益模块(10)、第二增益模块(11)和比例积分控制器(12)，
其中检测模态闭环硅微陀螺(06)包括顺序级联的硅微陀螺检测模态(01)、前向检测模块(02)、控制器(04)和力矩器(05)，科氏力与力矩器(05)的输出加和后输入到硅微陀螺检测模态(01)，硅微陀螺检测模态(01)的输出经过前向检测模块(02)、控制器(04)和力矩器(05)反馈给硅微陀螺检测模态(01)；
第一双频信号发生器(03)产生标准调幅信号，该标准调幅信号的载波频率为硅微陀螺驱动模态谐振频率，从而该标准调幅信号包含与驱动模态谐振频率等间距的双频信号f＝f1+f2＝Acos[(ωx-Δω)t]+Acos[(ωx+Δω)t]，该双频信号作为扰动信号，与前向检测模块(02)的输出加和后，输入到控制器(04)；
第二双频信号发生器(07)产生与第一双频信号发生器(03)输出的双频信号具有相同频率和相同相位的两路信号f’1＝A’cos[(ωx-Δω)t]和f’2＝A’cos[(ωx+Δω)t]，作为控制器(04)的输出的解调参考信号；
第一同相解调器(08)用于将第二双频信号发生器(07)的一路输出信号f’1和控制器(04)的输出进行同相解调，获得ωx-Δω频点上的振幅响应；
第二同相解调器(09)用于将第二双频信号发生器(07)的另一路输出信号f’2和控制器(04)的输出进行同相解调，获得ωx+Δω频点上的振幅响应；
第一增益模块(10)用于对第一同相解调器(08)的输出进行增益放大，第二增益模块(11)用于对第二同相解调器(09)的输出进行增益放大；
比例积分控制器(12)用于将第一增益模块(10)和第二增益模块(11)的输出加和后进行比例积分控制，并输出调谐电压，所述调谐电压输入到硅微陀螺检测模态(01)的电容变间隙形式的调谐电极上。
2.按照权利要求1所述的结构，其中检测模态闭环硅微陀螺是Sigma Delta检测模态闭环硅微陀螺。
3.按照权利要求1所述的结构，其中所述第一同相解调器(08)和第二同相解调器(09)通过混频器加低通滤波器实现。
4.按照权利要求1所述的结构，其中所述标准调幅信号是低频正弦信号与驱动模态信号混频产生的。
5.一种硅微陀螺自动模态匹配控制方法，包括：
顺序级联硅微陀螺检测模态(01)、前向检测模块(02)、控制器(04)和力矩器(05)构成检测模态闭环硅微陀螺，科氏力与力矩器(05)的输出加和后输入到硅微陀螺检测模态(01)，硅微陀螺检测模态(01)的输出经过前向检测模块(02)、控制器(04)和力矩器(05)反馈给硅微陀螺检测模态(01)；
产生标准调幅信号，该标准调幅信号的载波频率为硅微陀螺驱动模态谐振频率，从而该标准调幅信号包含了与驱动模态谐振频率等间距的双频信号f＝f1+f2＝Acos[(ωx-Δω)t]+Acos[(ωx+Δω)t]，该双频信号作为扰动信号，与前向检测模块(02)的输出加和后，输入到控制器(04)；
产生与所述双频信号具有相同频率和相同相位的两路输出信号f’1＝A’cos[(ωx-Δω)t]和f’2＝A’cos[(ωx+Δω)t]，作为控制器(04)的输出的解调参考信号；
将一路输出信号f’1和控制器的输出进行同相解调，获得ωx-Δω频点上的振幅响应，并进行增益放大；
将另一路输出信号f’2和控制器的输出进行同相解调，获得ωx+Δω频点上的振幅响应，并进行增益放大；
将增益放大后的两路输出加和后进行比例积分控制，并输出调谐电压，所述调谐电压输入到硅微陀螺检测模态(01)的电容变间隙形式的调谐电极上。
6.按照权利要求5所述的方法，其中检测模态闭环硅微陀螺是Sigma Delta检测模态闭环硅微陀螺。
7.按照权利要求5所述的方法，其中同相解调是通过混频加低通滤波实现的。
8.按照权利要求1所述的方法，其中标准调幅信号是低频正弦信号与驱动模态信号混频产生的。

说明书全文

一种硅微陀螺自动模态匹配控制结构和方法

技术领域

[0001] 本发明属于硅微陀螺闭环控制技术，具体涉及一种基于检测模态闭环硅微陀螺自动模态匹配控制结构和方法。

背景技术

[0002] 硅微陀螺作为角速率传感器，广泛应用于消费电子、工业控制、汽车应用以及飞机的备份仪表、微小型无人机的组合导航系统、平台稳定控制、制导应用等。硅微陀螺由两个工作模态组成，分别为驱动模态和检测模态。硅微陀螺一般工作在非模态匹配模式，即驱动模态和检测模态的谐振频率并不相等，导致检测模态工作在驱动模态谐振频率上，而非自身谐振频率，从而检测模态的机械灵敏度并未充分发挥出来。如何通过技术手段，实现驱动模态和检测模态谐振频率的精确匹配，使得检测模态跟驱动模态一样，都工作在谐振状态，最大程度地提高检测模态的机械灵敏度，进而提高硅微陀螺的信噪比和精度，已经成为硅微陀螺性能提升的关键技术。

[0003] 为了实现模态匹配，可以在结构设计上，将检测模态谐振频率和驱动模态谐振频率设置的完全相等，硅微陀螺检测模态工作在开环模式。该方法的问题是，加工工艺的不一致性会导致驱动模态和检测模态谐振频率并不完全相等；或者即便恰好相等，也会因为应力、温变等的影响使得硅微陀螺不能保持全工作状态完全精准模态匹配。而且这种方式导致硅微陀螺的带宽几乎为零，使得硅微陀螺不具有可用性。

[0004] 常规的检测模态闭环硅微陀螺包括了硅微陀螺检测模态、前向检测模块、控制器和力矩器。其具体的实现形式有很多种，包括了Sigma Delta检测模态闭环、解调调制检测模态闭环和其它检测模态闭环。检测模态闭环硅微陀螺一方面可将硅微陀螺检测模态的位移伺服到平衡位置附近，使得检测模态的刻度系数正比于力矩器，提供了刻度系数的线性度；另一方面驱动模态和检测模态的频率差异损失了机械检测灵敏度，衰减了陀螺的性能。基于检测模态闭环硅微陀螺，利用检测模态电容变间隙设计的静电刚度调谐效应，通过闭环控制电路来实现检测模态和驱动模态谐振频率的精确匹配，成为提高检测模态闭环硅微陀螺机械灵敏度的有效手段。

发明内容

[0005] 鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种硅微陀螺自动模态匹配控制结构和方法，以实现硅微陀螺驱动模态和检测模态的自动模态匹配控制，有效提升硅微陀螺检测模态的机械检测灵敏度和硅微陀螺精度。

[0006] 按照本发明的一个方面，提供一种硅微陀螺自动模态匹配控制结构，包括检测模态闭环硅微陀螺、第一双频信号发生器、第二双频信号发生器、第一同相解调器、第二同相解调器、第一增益模块、第二增益模块和比例积分控制器，

[0007] 其中检测模态闭环硅微陀螺包括了顺序级联的硅微陀螺检测模态、前向检测模块、控制器和力矩器。科氏力与力矩器的输出加和后输入到硅微陀螺检测模态，硅微陀螺检测模态的输出经过前向检测模块、控制器和力矩器反馈给硅微陀螺检测模态；

[0008] 第一双频信号发生器产生标准调幅信号，该标准调幅信号的载波频率为硅微陀螺驱动模态谐振频率，从而该标准调幅信号包含了与驱动模态谐振频率等间距的双频信号f＝f1+f2＝Acos[(ωx-Δω)t]+Acos[(ωx+Δω)t]，该双频信号作为扰动信号，与前向检测模块的输出加和后，输入到控制器；

[0009] 第二双频信号发生器产生与第一双频信号发生器输出的双频信号具有相同频率和相同相位的两路信号f’1＝A’cos[(ωx-Δω)t]和f’2＝A’cos[(ωx+Δω)t]，作为控制器的输出的解调参考信号；

[0010] 第一同相解调器用于将第二双频信号发生器的一路输出f’1和控制器的输出进行同相解调，获得ωx-Δω频点上的振幅响应；

[0011] 第二同相解调器用于将第二双频信号发生器的另一路输出f’2和控制器的输出进行同相解调，获得ωx+Δω频点上的振幅响应；

[0012] 第一增益模块用于对第一同相解调器的输出进行增益放大，其增益为K(2ωx+Δω)/(2ωx)，第二增益模块用于对第二同相解调器的输出进行增益放大，其增益为K(2ωx-Δω)/(2ωx)，其中K为任意增益系数；

[0013] 比例积分控制器用于将第一增益模块和第二增益模块的输出加和后进行比例积分控制，并输出调谐电压，输入到硅微陀螺检测模态的电容变间隙形式的调谐电极上。

[0014] 在本发明的所述结构中，检测模态闭环硅微陀螺是Sigma Delta检测模态闭环硅微陀螺。

[0015] 在本发明的所述结构中，所述第一同相解调器和第二同相解调器可通过混频器加低通滤波器实现。

[0016] 在本发明的所述结构中，所述标准调幅信号是低频正弦信号与驱动模态信号混频产生的。

[0017] 按照本发明的另一个方面，提供一种硅微陀螺自动模态匹配控制方法，包括：

[0018] 顺序级联硅微陀螺检测模态、前向检测模块、控制器和力矩器构成检测模态闭环硅微陀螺，科氏力与力矩器的输出加和后输入到硅微陀螺检测模态，硅微陀螺检测模态的输出经过前向检测模块、控制器和力矩器反馈给硅微陀螺检测模态；

[0019] 产生标准调幅信号，该标准调幅信号的载波频率为硅微陀螺驱动模态谐振频率，从而该标准调幅信号包含了与驱动模态谐振频率等间距的双频信号f＝f1+f2＝Acos[(ωx-Δω)t]+Acos[(ωx+Δω)t]，该双频信号作为扰动信号，与前向检测模块的输出加和后，输入到控制器；

[0020] 产生与所述双频信号具有相同频率和相同相位的两路信号f’1＝A’cos[(ωx-Δω)t]和f’2＝A’cos[(ωx+Δω)t]，作为控制器的输出的解调参考信号；

[0021] 将一路输出f’1和控制器的输出进行同相解调，获得ωx-Δω频点上的振幅响应，并进行增益放大，其增益为K(2ωx+Δω)/(2ωx)；

[0022] 将另一路输出f’2和控制器的输出进行同相解调，获得ωx+Δω频点上的振幅响应，并进行增益放大，其增益为K(2ωx-Δω)/(2ωx)，K为任意增益系数；

[0023] 将增益放大后的两路输出加和后进行比例积分控制，并输出调谐电压，输入到硅微陀螺检测模态的电容变间隙形式的调谐电极上。

[0024] 在本发明的所述方法中，检测模态闭环硅微陀螺是Sigma Delta检测模态闭环硅微陀螺。

[0025] 在本发明的所述方法中，同相解调是通过混频加低通滤波实现的。

[0026] 在本发明的所述方法中，其中标准调幅信号是低频正弦信号与驱动模态信号混频产生的。

[0027] 本发明充分利用检测模态幅值响应关于检测模态谐振频率的近似对称特性，而相位关于-90°对称的特性，当检测模态谐振频率等于驱动模态谐振频率时，频率为ωx+Δω扰动信号的同相振幅响应与频率为ωx-Δω扰动信号的同相振幅响应会等大反向，从而实现通过后端的加法器相加结果为零，使得检测模态谐振频率严格等于驱动模态谐振频率。

[0028] 本发明提到的双频信号幅值响应的增益调节，是为了拟补检测模态幅频响应关于检测模态谐振频率的些微差异。其中频率为(ωx+Δω)扰动信号的幅值响应增益设定为K(2ωx-Δω)/(2ωx)，其中频率为(ωx-Δω)扰动信号的幅值响应增益设定为K(2ωx+Δω)/(2ωx),其中K为任意增益系数。附图说明

[0029] 图1是检测模态闭环硅微陀螺的功能框图；

[0030] 图2是本发明检测模态闭环硅微陀螺的自动模态匹配控制结构的功能框图。

具体实施方式

[0031] 为了更清楚地理解本发明的目的、技术方案及优点，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

[0032] 本发明提出的基于检测模态闭环硅微陀螺的自动模态匹配控制结构和方法，通过在检测模态闭环结构中加入双频信号，利用检测模态幅频响应关于其自身谐振频率具有对称性，而相频响应关于-90°相移具有对称性，并通过双频同相解调和加法器以及PI控制器生成调谐控制电压，再利用调谐梳齿的电容变间隙设计的静电刚度调谐效应，使得硅微陀螺检测模态谐振频率和驱动模态谐振频率完全相等，从而实现了自动模态匹配控制，并且该模态匹配控制不随外部环境的变化，比如温变、振动、冲击等，而失配。

[0033] 图1是检测模态闭环硅微陀螺的功能框图。图2是本发明检测模态闭环硅微陀螺的自动模态匹配控制结构的功能框图。

[0034] 如图所示，本发明的一种硅微陀螺自动模态匹配控制结构，包括检测模态闭环硅微陀螺06、第一双频信号发生器03、第二双频信号发生器07、第一同相解调器08、第二同相解调器09、第一增益模块10、第二增益模块11和比例积分控制器12。

[0035] 其中检测模态闭环硅微陀螺06包括顺序级联的硅微陀螺检测模态01、前向检测模块02、控制器04和力矩器05。科氏力与力矩器05的输出加和后输入到硅微陀螺检测模态01，硅微陀螺检测模态01的输出经过前向检测模块02、控制器04和力矩器05反馈给硅微陀螺检测模态01。

[0036] 第一双频信号发生器03产生标准调幅信号，该标准调幅信号的载波频率为硅微陀螺驱动模态谐振频率，从而该标准调幅信号包含了与驱动模态谐振频率等间距的双频信号f＝f1+f2＝Acos[(ωx-Δω)t]+Acos[(ωx+Δω)t]，该双频信号作为扰动信号，与前向检测模态02的输出加和后，输入到控制器04。

[0037] 第二双频信号发生器07产生两路与第一双频信号发生器03输出的双频信号具有相同频率和相同相位的两路信号f’1＝A’cos[(ωx-Δω)t]和f’2＝A’cos[(ωx+Δω)t]，作为控制器04的输出的解调参考信号。

[0038] 第一同相解调器08用于将第二双频信号发生器07的一路输出f’1和控制器04的输出进行同相解调，获得ωx-Δω频点上的振幅响应。

[0039] 第二同相解调器09用于将第二双频信号发生器07的另一路输出f’2和控制器04的输出进行同相解调，获得ωx+Δω频点上的振幅响应。

[0040] 第一增益模块10用于对第一同相解调器08的输出进行增益放大，其增益为K(2ωx+Δω)/(2ωx)，第二增益模块11用于对第二同相解调器09的输出进行增益放大，其增益为K(2ωx-Δω)/(2ωx)，K为任意增益系数。

[0041] 比例积分控制器12用于将第一增益模块10和第二增益模块11的输出加和后进行比例积分控制，并输出调谐电压，输入到硅微陀螺检测模态01的电容变间隙形式的调谐电极上。

[0042] 下面结合上述内容，举例进行进一步说明。

[0043] 本例中的硅微陀螺的驱动模态谐振频率ωx为10000×2πrad/s，双频信号与驱动模态谐振频率的频率间隙Δω为1000×2πrad/s。第一双频信号发生器03输出的信号由低频的频率间隙Δω信号2cos(1000×2πt)和驱动模态的位移信号sin(10000×2πt)经过相乘产生(即，低频正弦信号与驱动模态信号混频产生)，这种产生方式操作简单，容易实现，其大小为2cos(1000×2πt)sin(10000×2πt)＝sin(11000×2πt)+sin(9000×2πt)。第二双频信号发生器07输出的两路信号，分别为sin(11000×2πt)和sin(9000×2πt)。

[0044] 针对典型的检测模态闭环硅微陀螺06，其结构包括了顺序级联的硅微陀螺检测模态01、前向检测模块02、控制器04和力矩器05。该检测模态闭环硅微陀螺06采用Sigma Delta检测模态闭环控制方式。前向检测模块02通过电荷放大器+可变增益放大器实现，控制器05的输出为脉冲密度信号。

[0045] 基于Sigma Delta检测模态闭环硅微陀螺结构，首先在前向检测模块02后引入环外的第一双频信号发生器03产生的双频信号；其次在控制器05的输出端，通过第一同向解调器08和第二同向解调器09进行该双频信号的同相振幅检测，分别提取检测模态闭环硅微陀螺06对该双频信号的幅值响应；再次对这两个幅值响应通过第一增益模块10和第二增益模块11进行增益调节并相加后，通过PI控制器12生成调谐控制电压；最后将该调谐控制电压输出到调谐梳齿上，利用电容变间隙设计的静电刚度调谐效应，通过调整检测模态的刚度调整检测模态的谐振频率，从而实现检测模态和驱动模态精确的模态匹配。尽管上面以Sigma Delta检测模态闭环硅微陀螺结构为例进行说明，本发明针对其他形式的检测模态闭环硅微陀螺同样适用，比如解调调制检测模态闭环硅微陀螺结构。其中第一同相解调器(08)和第二同相解调器(09)通过混频器加低通滤波器实现，也可以是乘法器加低通滤波器实现。

[0046] 本发明充分利用检测模态幅值响应关于检测模态谐振频率的近似对称特性，而相位关于-90°对称的特性，当检测模态谐振频率等于驱动模态谐振频率时，频率为11000×2πrad/s的双频信号同相振幅响应与频率为9000×2πrad/s的双频信号同相振幅响应，会等大反向，从而实现通过后端的加法器相加结果为零，使得检测模态谐振频率严格等于驱动模态谐振频率。

[0047] 本发明提到的双频信号幅值响应的第一增益模块10和第二增益模块11的增益调节，是为了拟补检测模态幅频响应关于检测模态谐振频率的些微差异。其中频率为11000×2πrad/s双频信号的幅值响应的增益模块1的增益设定为0.95，其中频率为9000×2πrad/s双频信号的幅值响应的增益模块2的增益设定为1.05。

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