柵結構微機械陀螺的高精度高穩(wěn)定性研究.pdf

1、微機械陀螺是一種基于硅微機械加工技術的測試角速度或者角位移的慣性傳感器，與傳統(tǒng)的機械轉子式陀螺、光學陀螺相比，具有體積小、功耗低、可靠性高、可批量生產等優(yōu)點，在民用與軍用領域有著廣泛的應用前景。經過二十多年的發(fā)展，微機械陀螺的性能指標不斷提高，顯現出在高精度測量領域的應用潛力。本文以實現高精度高穩(wěn)定性的柵結構微機械陀螺為根本目標，從器件特性測量、電容檢測方法、系統(tǒng)噪聲分析和模態(tài)匹配算法等四個方面進行了深入地研究。
　　本研究主要內

2、容包括：⑴對微機械陀螺的器件特性測量方法進行了系統(tǒng)地研究。比較分析了測量諧振頻率與品質因子的三種常規(guī)方法，包括模態(tài)掃頻方案、振動衰減曲線方案和PLL-AGC控制環(huán)路方案。通過原理說明、數值仿真等手段來探討三種方法各自的優(yōu)缺點及其適用場景。進一步地，針對高Q陀螺的測試需求，提出了一種改進的振動衰減曲線方案，有效解決了常規(guī)方案中陀螺起振過慢與測量電路易飽和的問題：在陀螺起振階段，利用PLL閉環(huán)控制對諧振頻率進行快速測量，同時利用AGC閉環(huán)控

3、制使陀螺能夠快速起振并且有效地限制了振動位移，再利用振動衰減曲線實現對品質因子的高精度測量。對真空環(huán)境下陀螺的驅動模態(tài)進行測試，實驗結果表明驅動模態(tài)的諧振頻率為1515.9 Hz，品質因子為9177，且測試結果有較好的重復性，測量誤差僅為0.05％。⑵提出了一種自校準的變面積電容檢測方法。該方法中的檢測電容為 TEB（Triangular-electrode base）電容，由矩形電極與三角形電極交疊構成，利用其與運動位移的非線性關系能

4、夠精確地并且魯棒性地測量簡諧振動的幅度和相位信息。理論分析指出，TEB方法中的電容檢測信號同時包含了一次諧波分量與二次諧波分量，通過兩個諧波分量的幅度商來表征運動幅度，通過兩個諧波分量的相位差來表征運動相位，那么，測得的運動幅度和運動相位對包括載波幅度、初始檢測電容、處理電路的增益與相位等系統(tǒng)參數的波動具有魯棒性，即實現了自校準功能。實驗測試發(fā)現，與常規(guī)方法相比，TEB方法的測量結果對系統(tǒng)參數波動的魯棒性提高了95%，與理論相一致。該技

5、術基于一種簡單的結構，能夠廣泛應用于各類基于電容檢測的微機械諧振式器件，如諧振式加速度計和科氏振動陀螺。進一步地，提出了一種基于新型的TEB電容檢測方法的微機械陀螺驅動環(huán)路控制系統(tǒng)。實驗結果表明，驅動模態(tài)能夠實現高精度的簡諧振動，其幅度穩(wěn)定度與相位穩(wěn)定度分別為34 ppm與30 ppm，此外，陀螺系統(tǒng)的零偏穩(wěn)定性有了1.6倍的性能改善，大氣下的Allan方差結果為1.6°/h。⑶提出了一種基于改進的機電幅度調制（MEAM）技術的驅動環(huán)路

6、控制方案。理論分析指出，驅動環(huán)路中處理電路的相位延遲會導致陀螺輸出端的正交誤差信號泄露到角速度檢測信號，即IQ耦合問題。在新型的MEAM方法中，通過將驅動模態(tài)的諧振頻率調制到載波信號頻率上，使得電容檢測電路輸出的檢測電壓信號包含了一個恒定頻率的有用分量。此時，即便驅動諧振頻率發(fā)生改變，由信號處理電路引入的相位延遲也是一個恒定量，改善了陀螺系統(tǒng)對器件結構參數波動或者環(huán)境溫度波動的魯棒性。進一步地，通過搭建Simulink仿真模型證明了ME

7、AM方法的正確性與有效性。最后，對工作在大氣環(huán)境下的模態(tài)分離28 Hz的微機械陀螺進行了實驗驗證。測試結果表明，與常規(guī)方案比較，在新型的MEAM方案控制下陀螺系統(tǒng)的零偏穩(wěn)定性與噪聲性能分別改善了2.4倍與1.4倍，大氣下Allan方差分析的零偏穩(wěn)定性為0.9°/h，角度隨機游走為0.068°/√h。⑷在力平衡檢測環(huán)路上，通過解析推導得到了陀螺輸入到輸出的傳遞函數，并將其分解為兩個單位負反饋系統(tǒng)，有效地降低了環(huán)路分析與設計的復雜性。進一步

8、地，結合理論分析與數值仿真工具，分別對模態(tài)匹配陀螺、近似模態(tài)匹配陀螺與模態(tài)分離陀螺三種情況進行了研究，能夠有效地指導環(huán)路參數的優(yōu)化過程，使系統(tǒng)滿足穩(wěn)定性、暫態(tài)響應特性和帶寬的要求。⑸在力平衡檢測環(huán)路上，對限制微機械陀螺系統(tǒng)檢測精度的主要噪聲源進行了深入的研究。在模態(tài)分離/模態(tài)匹配、高 Q/低 Q等不同情況下，比較分析了機械熱噪聲、后端電路噪聲與前端電路噪聲等三類噪聲源對陀螺系統(tǒng)輸出總噪聲的影響。此外，通過對照實驗驗證了理論分析的正確性，

9、指出：降低模態(tài)頻率差與增大驅動模態(tài)振動位移是改善陀螺系統(tǒng)檢測精度的最直接有效的方法。測試結果表明，模態(tài)頻率最接近（Δf=10 Hz）的陀螺＃3性能最佳：驅動位移信號的幅度穩(wěn)定度為18 ppm，相位穩(wěn)定度為0.00017°（1σ）；在±500°/s范圍內陀螺系統(tǒng)的非線性度為0.04%；真空環(huán)境下1小時零偏數據的標準差為5.5°/h，Allan方差分析得到的零偏穩(wěn)定性和角度隨機游走分別為0.3°/h和0.025°/√h。⑹提出了一種新型的微

10、機械陀螺模態(tài)匹配算法。與文獻中報道的模態(tài)匹配技術相比，該算法具有調諧速率快（<1 s）、調諧精度高（＜0.01 Hz）、對環(huán)境角速度輸入不敏感的突出優(yōu)勢，并且與常規(guī)的力平衡檢測環(huán)路相兼容，幾乎不增加陀螺系統(tǒng)的復雜性?；趯δB(tài)匹配陀螺特性的分析，總結了新型模態(tài)匹配算法的調諧程序，并利用周期平均法對控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)解進行了理論推導，證明了該算法能夠最終消除兩個振動模態(tài)的諧振頻率差。然后，通過數值仿真工具對模態(tài)匹配算法進行了驗證，并提出了用I

11、ref斜坡緩變替代Iref階躍跳變的改進方案，能夠降低調諧過程中由于角速度檢測信號的瞬態(tài)響應誤差超出陀螺量程從而導致系統(tǒng)閉環(huán)失敗的風險。最后，在基于FPGA的數字化陀螺系統(tǒng)上對新型模態(tài)匹配算法進行了驗證。實驗結果表明該算法有效地消除了初始模態(tài)頻率差，實現了模態(tài)匹配狀態(tài)。此外，在靜止、恒定轉速與正弦轉速等不同環(huán)境下的測試則驗證了新型模態(tài)匹配算法對環(huán)境角速度輸入不敏感的特征，與理論相一致。由 Allan方差分析結果可知，模態(tài)匹配陀螺的零偏穩(wěn)