硅微陀螺儀信號反饋及誤差校正電路研究.pdf

1、硅微陀螺儀是一種新型的MEMS慣性傳感器，與傳統(tǒng)的陀螺儀相比具有體積小、重量輕、易于數(shù)字化、可批量生產(chǎn)、功耗低等優(yōu)點，其在國民經(jīng)濟和國防軍事領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。因此，研究硅微陀螺儀測控技術(shù)對提高陀螺儀精度具有重要意義。本論文在目前的工藝水平下，從測控電路的角度以FPGA為核心研制了硅微陀螺儀閉環(huán)檢測、正交誤差校正以及頻率調(diào)諧系統(tǒng)，減小了陀螺儀輸出信號的誤差與漂移，提高微機械陀螺儀的穩(wěn)定性與高精度。主要研究內(nèi)容:
　　(1

2、)硅微陀螺儀驅(qū)動模態(tài)的建模與分析
　　在硅微陀螺的驅(qū)動測控電路中分別采用鎖相環(huán)(PLL)控制系統(tǒng)實現(xiàn)驅(qū)動頻率的實時跟蹤和自動增益控制(AGC)系統(tǒng)提供穩(wěn)定驅(qū)動振動幅值。構(gòu)建雙閉環(huán)驅(qū)動模型，通過仿真驗證驅(qū)動模態(tài)的可行性。根據(jù)仿真設(shè)計了驅(qū)動模態(tài)的閉環(huán)測控電路系統(tǒng)，通過最終的實驗驗證方案的正確性和實用性。
　　(2)正交誤差校正系統(tǒng)設(shè)計與分析
　　分析了正交誤差的產(chǎn)生原因，通過在結(jié)構(gòu)上增加正交校正電極，利用負剛度效應(yīng)抑制正交

3、誤差的方法。根據(jù)理論分析構(gòu)建了正交校正的控制模型，并對正交系統(tǒng)進行仿真分析，通過仿真結(jié)果可以驗證正交系統(tǒng)可以消除正交誤差，通過消除耦合誤差陀螺輸出信號中的正交分量。最后進行正交誤差的實驗測試，通過實驗結(jié)果可以看到零偏穩(wěn)定性得到明顯的改善。
　　(3)檢測模態(tài)的閉環(huán)檢測
　　硅微陀螺儀信號檢測方式有開環(huán)檢測和閉環(huán)檢測兩種方法。闡述了開環(huán)檢測的原理、并進行了仿真分析。同時在閉環(huán)檢測的優(yōu)勢上，利用力反饋閉環(huán)檢測，對系統(tǒng)進行仿真分析

4、，驗證閉環(huán)檢測對陀螺儀性能的影響。實驗驗證了閉環(huán)檢測回路明顯的提高了陀螺儀的精度和應(yīng)用可靠性上。
　　(4)陀螺儀模態(tài)匹配的分析
　　分析了模態(tài)匹配的必要性，并利用負剛度效應(yīng)實現(xiàn)模態(tài)匹配。在頻率調(diào)諧回路中通過正交信號的輔助功能，實現(xiàn)模態(tài)匹配，使得陀螺儀驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)頻差在一定的范圍內(nèi)。通過仿真及實驗驗證了方案的可行性，并且明顯的提高了機械靈敏度，改善了系統(tǒng)信噪比。
　　(5)電路數(shù)字化設(shè)計方法
　　設(shè)計了硅微

5、陀螺儀的測控電路控制系統(tǒng)。以FPGA為系統(tǒng)核心芯片和信號處理平臺，編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字算法，包括DCO、數(shù)字PI、數(shù)字濾波器和控制等軟件算法。實現(xiàn)了以FPGA和高性能ADC、DAC為核心的硬件測控電路
　　(6)硅微陀螺儀實驗研究
　　完成電路各模塊的調(diào)試，詳細測試了全閉環(huán)情況下的硅微陀螺儀性能，并對所設(shè)計的硅微陀螺儀數(shù)字測控電路進行性能測試，驗證了本文所設(shè)計的軟硬件電路的正確性，采用正交校正、閉環(huán)檢測及頻率調(diào)諧技術(shù)后，陀螺靜態(tài)