基于FPGA的硅微机械陀螺仪滑模控制研究

摘要

微机械陀螺是采用微机械加工技术制造、用于测量物体旋转角度或角速度的一种惯性传感器,具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等优点,在国防军事和国民经济等领域都有着重要的应用价值。微机械陀螺大多是基于科里奥利效应的振动式陀螺,工作时需要对其驱动模态的振动状态进行精确控制,以提高陀螺性能。因此,高性能控制电路是微机械陀螺研究的重要内容。
　　目前微机械陀螺驱动模态的控制大多采用自动增益控制(Automatic Generation Control,AGC)、锁相环(Phase Locked Loop,PLL)、自激振荡等控制方法。这些方法实现较简单、技术比较成熟,但是控制精度较低、抗干扰能力不强,易受到外界干扰、测量精度难以提高;另外,目前普遍采用的模拟控制方法,具有噪声大、灵活性差、调试复杂等缺点使其难以满足高精度应用场合。针对以上问题,本文以电磁式微机械陀螺仪为对象,深入开展其数字化控制电路的研究,提出以滑模控制(Sliding Mode Control,SMC)算法为核心的数字化闭环控制系统,建立微机械陀螺动力学模型,完成滑模控制器、硬件电路和控制逻辑设计,搭建测试平台,完成微机械陀螺仪闭环控制系统测试。论文的主要研究内容如下:
　　①调研微机械陀螺仪控制系统的国内外研究现状,对现有的典型控制方法的原理、优点和缺点进行分析,调研滑模控制的研究和发展现状,针对微机械陀螺仪的控制要求和现有技术的不足,确定了本文的主要研究内容;
　　②分析微机械陀螺仪的工作原理,建立了其驱动模态和敏感模态的动力学模型,根据微机械陀螺仪对控制系统的要求,提出以SMC为核心的微机械陀螺仪数字化闭环控制系统;
　　③研究了机械陀螺仪滑模控制算法,通过设计切换面、趋近律和控制策略,完成滑模控制器的设计,利用matlab-Simulink建立了陀螺滑膜控制系统仿真模型,对系统性能进行了仿真分析;
　　④研究了闭环控制系统硬件电路和控制逻辑设计,完成了以FPGA为核心的控制系统设计;
　　⑤搭建微机械陀螺仪控制系统的测试平台,完成了前置放大和信号调理电路、模数和数模转换各个模块及控制系统总体调试和测试。测试结果表明:振幅信号能够快速收敛到参考信号,频率平均值为14040.87Hz,频率的标准差为0.038Hz,频率波动范围为±0.1Hz,较好的实现了陀螺闭环控制。