硅微陀螺仪模态匹配控制电路研究

摘要

硅微振动式陀螺仪作为一种MEMS惯性传感器，经过二十多年的研究发展，其性能目前已经基本可以满足中低端导航、制导要求，随着研究的不断深入，如何进一步提升和挖掘MEMS陀螺仪的精度成为研究热点。硅微振动式陀螺仪有两个工作模态，驱动模态和检测模态，根据其工作原理可知在检测模态谐振频率等于驱动模态谐振频率时，陀螺仪具有最大的机械灵敏度，而机械灵敏度又与检测模态的品质因数Q值正相关。因此，实现模态匹配可以充分发挥检测模态高Q值对机械灵敏度的放大作用，从而进一步提升硅微陀螺仪灵敏度。 本文针对一种双质量块解耦硅微振动式陀螺仪设计了基于FPGA的模态匹配控制电路，实现了包含闭环驱动、闭环正交校正、闭环检测以及模态匹配控制的测控电路。 首先，在引入双质量块硅微陀螺仪结构的基础上，介绍了基于锁相环(PLL)和自增益幅度控制(AGC)的闭环驱动方案；分析了正交误差产生的原因，并介绍了基于刚度抵消的正交校正控制方案；引入闭环检测控制方案；分析了基于负刚度效应的频率调谐机理：在检测模态频率调谐梳齿上加载一定的调谐电压，检测模态谐振频率相应降低，从而实现模态匹配。 其次，根据检测模态幅频响应特性，分析了前向式激励-校准模态匹配和反馈式激励-校准模态匹配两种控制方案。在开环条件下，对两种模态匹配控制方案的关键参数如何影响模态匹配结果进行了分析。利用平均分析法，对两种模态匹配控制方案的稳定性进行了分析，为后续实验的参数设计提供了参考。在simulink环境下建立了模态匹配控制回路仿真模型，并对理论分析结果进行了验证。 然后，根据所提出的模态匹配控制方案，设计了与闭环驱动、闭环正交校正以及闭环检测兼容的模态匹配控制方案，包括前向式和反馈式两种激励-校准法。并根据控制系统需求，对FPGA主控芯片、ADC以及DAC进行了选型。 最后，分别在低Q值硅微陀螺仪和高Q值硅微陀螺仪上实现了前向式和反馈式激励-校准模态匹配控制方案，并对所设计电路的性能进行测试。实验结果表明，在模态匹配后，硅微陀螺仪的性能得以显著提升，验证了本文所设计的软硬件电路的正确性，达到预期目标。

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