[0001] 本发明涉及硅微机械陀螺领域，具体涉及一种基于力平衡闭环控制的硅微机械陀螺性能提升方法及装置。

[0002] 硅微机械陀螺一般由支撑梁和质量块组成，多采用静电驱动、电容检测的形式。硅微机械陀螺包括两个模态：驱动模态和检测模态。质量块在驱动静电力的作用下沿驱动轴方向(x轴)做简谐振动，称为驱动模态；当沿着角速度输入方向(z轴)存在角速度信号时，由哥氏力效应产生的哥氏力使得检测质量块在检测轴方向(y轴)产生振动，称为检测模态。检测模态检测电容变化量与输入角速度成正比，通过C-V转化后即可通过测量该电压信号从而获得输入角速度的信息。考虑驱动和检测模态采用同一质量块，硅微机械陀螺的系统动力学方程为：

[0003] 式(1)

[0004] 式(1)中，m为质量块的质量，cxx、cyy是驱动和检测模态的阻尼系数；斜对角线元素cxy、cyx是两个模态的耦合阻尼系数；kxx、kyy是驱动和检测模态的刚度系数；斜对角线元素kxy、kyx是两个模态的耦合刚度系数；x、y是驱动和检测模态的位移；ΩZ是输入角速度；Fx、Fy是两个模态的外部作用力。

[0005] 当硅微机械陀螺Z轴有角速度输入时，检测模态受到一个动态机械耦合，驱动模态受驱动力作用做简谐振动，谐振频率为ωd，幅值为X0。则驱动模态位移x(t)为：

[0006] x(t)＝X0cos(ωdt) 式(2)

[0007] 将式(2)代入式(1)，则检测模态动力学方程为：

[0008] 式(3)

[0009] 式(3)中，右侧的四项中，第一项表示哥氏力信号；第二项表示与哥氏力同相的阻尼耦合误差信号，与耦合阻尼相关；第三项表示与哥氏力信号正交的误差信号，即正交耦合误差，与耦合刚度相关。通常情况下，正交耦合误差比同相阻尼耦合信号的幅值大几个数量级。

[0010] 现有技术硅微机械陀螺检测模态主要采用开环同步解调角速度信号。但是，由于加工精度以及制造误差，微陀螺结构存在着各种耦合误差，导致弹性刚度主轴与设计主轴发生偏离，产生模态耦合误差。造成陀螺在无角速度输入时，仍对敏感端施加了较大的振动力信号，严重影响前置运放的增益设置，大大降低敏感输出的信噪比。同时因为移相器的精度限制，导致存在相位差，无法完全消除正交误差，严重影响了微机械陀螺测控性能的提升，制约着高性能微机械陀螺的发展。

[0034] 本实施例基于力平衡闭环控制的硅微机械陀螺性能提升方法的实施步骤如下：

[0035] 1)将硅微机械陀螺的一次解调单元输出的检测信号依次进行放大、根据驱动信号进行二次解调、滤波、PID控制得到正交耦合误差信号幅值，将正交耦合误差信号幅值调制到驱动信号得到正交耦合误差信号；

[0036] 2)将硅微机械陀螺的一次解调单元输出的驱动信号进行90°移相得到驱动正交信号，将硅微机械陀螺的一次解调单元输出的检测信号依次进行放大、根据驱动正交信号进行二次解调、滤波和PID控制得到哥氏力信号的幅值，将哥氏力信号的幅值经低通滤波器后作为最终检测信号输出，同时将哥氏力信号的幅值调制到驱动正交信号得到哥氏力信号；

[0037] 3)将正交耦合误差信号和哥氏力信号叠加，并与输入偏置直流电压一起加载到硅微机械陀螺的检测电极。

[0038] 本实施例中，步骤3)中将叠加后的信号与输入硅微机械陀螺的偏置直流电压一起加载到硅微机械陀螺的检测电极的详细步骤如下：将叠加后得到的信号直接与输入硅微机械陀螺检测电极正极的直流偏置电压一起加载到检测电极的正极，同时将叠加后得到的信号经反相后与输入硅微机械陀螺检测电极负极的直流偏置电压一起加载到检测电极的负极。

[0039] 如果只考虑正交耦合误差的影响，忽略阻尼耦合信号的影响，可将式(3)简化表述为：

[0040] 式（4)

[0041] 本实施例中将正交耦合误差信号和哥氏力信号叠加实现的力平衡控制实际上是一个负反馈控制，用来抵消作用到检测质量块上的力(包括输入角速度信号产生的哥氏力信号和正交耦合误差)，从而保持敏感元件(质量块)维持在原有位置不变。

[0042] 假设Fy表示闭环反馈力，且

[0043] Fy＝kyxX0cos(ωdt)-2mX0ωxΩZsin(ωdt) 式(5)[0044] 则有：

[0045] 式(6)

[0046] 式(6)则说明微陀螺系统的检测模态达到了力平衡，即硅微机械陀螺的检测模态所受作用力的合力为零，因此检测模态的输出为零，检测质量块保持在原有位置不变。

[0047] 因此，本实施例针对现有技术硅微机械陀螺开环检测时带宽和检测范围受到模态固有频率裂解的限制、无法消除正交误差过大对前置运放增益的限制和同步解调中由于相位变化产生的零偏漂移的问题，本实施例基于式(5)出发，利用一次解调单元输出的驱动信号与检测信号中的正交误差成分同相同频的关系，利用驱动信号解调一次解调单元输出的检测信号，经放大、低通滤波、PID控制后得到正交耦合误差信号幅值，再将正交耦合误差信号幅值与驱动信号做乘法调制得到正交耦合误差信号；同时本实施例利用一次解调单元获取的驱动信号与检测信号中的哥氏力信号成分正交同频的关系，将硅微机械陀螺的一次解调单元输出的驱动信号进行90°移相得到驱动正交信号，利用驱动正交信号解调一次解调单元输出的检测信号，经放大、低通滤波、PID控制后得到哥氏力信号的幅值，再将哥氏力信号的幅值与驱动正交信号做乘法调制得到哥氏力信号，通过哥氏力信号和正交耦合误差信号叠加后得到的信号与输入硅微机械陀螺的偏置直流电压一起加载到硅微机械陀螺的检测电极实现闭环力平衡控制。力平衡闭环控制实际上是一个负反馈控制，利用力平衡控制环路检测提取出微陀螺输出信号的同相成分(哥氏力信号)和正交成分(正交耦合误差信号)并反馈作用到检测电极，从而抵消作用到检测质量块上的作用力，包括哥氏力以及耦合作用力等，从而保持检测元件维持在原有位置不变，能够有效避免正交误差大、特征参数漂移等对微陀螺性能的影响，同时消除同步解调中相位差带来的零偏。

[0048] 如图1所示，硅微机械陀螺的检测模态的位移x被转换为电容c后，通过电荷放大器(kcv)转化为电压输出，一次解调单元的带通滤波器K1的中心频率为ωd(驱动模态固有频率)用于增大信噪比。本实施例中的力平衡闭环环路包括哥氏力同相平衡环路与耦合误差正交平衡环路，检测电压经带通滤波后被分为对应哥氏力同相平衡环路与耦合误差正交平衡环路的两路信号：一路依次进行放大、根据驱动信号进行二次解调、滤波(KL(s))、PID控制(K2(s))得到正交耦合误差信号幅值yq(t)，正交耦合误差信号幅值yq(t)通过调制构建正交反馈电压(uq)；另一路依次进行放大、根据驱动信号进行二次解调、滤波K2(s)、PID控制(K3(s))得到哥氏力信号的幅值yi(t)，哥氏力信号的幅值yi(t)通过调制构建同相反馈电压成分(ui)，正交反馈电压(uq)和同相反馈电压成分(ui)两个反馈电压被叠加从而获得反馈电压，经过电压-静电力转换器(kvf)产生反馈平衡静电力(Ff)，同时哥氏力信号的幅值(yi(t))经过低通滤波器调整幅值和带宽后的输出作为微陀螺的最终输出(yo(t))。

[0049] 如图2所示，本实施例基于力平衡闭环控制的硅微机械陀螺性能提升装置包括：放大器31，用于将硅微机械陀螺1的一次解调单元2输出的检测信号进行放大得到放大检测信号；正交耦合误差信号获取单元32，用于根据一次解调单元2输出的驱动信号和放大器31输出的放大检测信号获取正交耦合误差信号；哥氏力信号获取单元33，用于根据一次解调单元2输出的驱动信号和放大器31输出的放大检测信号获取哥氏力信号；加法器34，用于将正交耦合误差信号获取单元32输出的正交耦合误差信号和哥氏力信号获取单元33输出的哥氏力信号叠加；电压输出单元35，用于将加法器34的输出反馈到硅微机械陀螺1的检测电极；正交耦合误差信号获取单元32包括依次相连的第一解调乘法器321、第一滤波器322、第一PID控制器323、第一调制乘法器324，第一解调乘法器321的输入端分别与放大器31的输出端、一次解调单元2的驱动信号输出端相连，第一调制乘法器324的输入端分别与第一PID控制器323、一次解调单元2的驱动信号输出端相连；哥氏力信号获取单元33包括依次相连的第二解调乘法器331、第二滤波器332、第二PID控制器333、第二调制乘法器334、90°移相器335，90°移相器335的输入端与一次解调单元2的驱动信号输出端相连，第二解调乘法器331的输入端分别与放大器31的输出端、90°移相器335的输出端相连，第二调制乘法器334的输入端分别与第二PID控制器333、90°移相器335的输出端相连；加法器34的输入端分别与第一调制乘法器324的输出端、第二调制乘法器334的输出端相连，第二PID控制器333通过一个低通滤波器36将硅微机械陀螺1的最终检测信号输出。

[0050] 本实施例中，电压输出单元35包括第一加法器351、反相器352和第二加法器353，第一加法器351的输入端、反相器352的输入端均与加法器34的输出端相连，第一加法器351的输出端与硅微机械陀螺1的检测电极正极相连，第二加法器353的输出端通过反相器352与硅微机械陀螺1的检测电极负极相连。

[0051] 如图3所示，放大器31采用运算放大器OP4177实现，本实施例中将OP4177芯片的2号引脚作为放大器31的输入端(输入信号为Vde1)，1号引脚作为放大器31的输出端(输出信号为Vde2)。其中，2号引脚通过33K电阻和隔离电容与一次解调单元2的检测信号输出端相连，1号引脚分别与第一解调乘法器321和第二解调乘法器331的输入端相连。

[0052] 如图4所示，90°移相器335采用运算放大器OP4177实现，本实施例中将OP4177芯片的13号引脚作为90°移相器335的输入端，14号引脚作为90°移相器335的输出端。其中，13号引脚通过0.1uF电容和100K的电阻与一次解调单元2的驱动信号输出端(输出信号为VHDrive)相连、并通过一个5.1M的电阻并联470pF的电容与输出引脚14相连。12号引脚作为另一输入脚与GND地信号相连，14号引脚作为放大器输出引脚输出驱动正交信号(VDrive)。

[0053] 如图5所示，第一解调乘法器321基于乘法器AD633实现，乘法器AD633的1号引脚与一次解调单元2的驱动信号输出端(输出信号为VHDrive)相连，乘法器AD633的7号引脚与放大器31的输出端(输出信号为Vde2)相连，乘法器AD633的5号引脚则输出解调后的信号Vde3。第二解调乘法器331与第一解调乘法器321的电路结构相同，其区别点仅仅为1号引脚通过0.1uF隔离电容与90°移相器335的驱动正交信号输出端(输出信号为Vdrive)相连，在此不再赘述。

[0054] 如图6所示，第一滤波器322采用两级运算放大器OP4177芯片实现，本实施例中将第一级OP4177芯片的3号引脚作为第一滤波器322的输入端(输入信号为Vde3)，第二级OP4177芯片的14号引脚作为第一滤波器322的输出端(输出信号为Vde4)。其中，第一级OP4177芯片的3号引脚通过2.2K电阻与第一解调乘法器321的输出端相连，第二级OP4177芯片的14号引脚与第一PID控制器323的输入端相连。第二滤波器332与第一滤波器322的电路结构相同，在此不再赘述。

[0055] 如图7所示，第一PID控制器323基于运算放大器OP4177实现，本实施例中将OP4177芯片的13号引脚作为第一PID控制器323的输入端(输入信号为Vde4)，14号引脚作为第一PID控制器323的输出端(输出信号为Vde5)，12号引脚连接地。其中，13号引脚与第一滤波器322的输出端(14号引脚)相连，14号引脚与第一调制乘法器324的输入端相连。第二PID控制器333与第一PID控制器323的电路结构相同，在此不再赘述。

[0056] 如图8所示，第一调制乘法器324基于乘法器AD633实现，本实施例中将AD633芯片的1号引脚(输入信号为VHdrive)和7号引脚(输入信号为Vde5)作为第一调制乘法器324的输入端，5号引脚作为第一调制乘法器324的输出端(输出信号为Vqua)。其中，1号引脚通过0.1uF隔离电容与一次解调单元2的驱动信号输出端(输出信号为VHdrive)相连，7号引脚与第一PID控制器323的输出端相连，5号引脚与加法器34的输入端相连。
第二调制乘法器334与第一调制乘法器324的电路结构相同，其区别点仅仅为1号引脚通过0.1uF隔离电容与90°移相器335的驱动正交信号输出端(输出信号为Vdrive)相连，第二调制乘法器334的输出端输出的信号为VBalance Rate，在此不再赘述。

[0057] 如图9所示，加法器34基于运算放大器OP4177芯片实现，本实施例中将OP4177芯片的13号引脚作为加法器34的输入端(输入信号为Vqua和VBalance Rate)，14号引脚作为加法器34的输出端，12号引脚连接地。其中，13号引脚分别通过16K电阻与第二调制乘法器334的输出端(输出信号为VBalance Rate)相连、通过10K电阻与第一调制乘法器324的输出端(输出信号为Vqua)相连，14号引脚(输出信号为VBalance)分别与第一加法器351的输入端、反相器352的输入端相连。

[0058] 如图10所示，反相器352基于运算放大器OP4177实现，本实施例中将OP4177芯片的9号引脚作为反相器352的输入端(输入信号为VBalance)、8号引脚作为反相器352的输出端(输出信号为VBalance-)，10号引脚连接地。其中，9号引脚通过10K电阻与加法器34的输出端(输出信号为VBalance)相连，8号引脚(输出信号为VBalance-)与第二加法器353的输入端相连。

[0059] 如图11所示，第二加法器353基于RC网络实现，反相器352的8号引脚(输出信号为VBalance-)依次经一个10K电阻、0.1uF隔离电容与检测电极的负极相连；硅微机械陀螺1的检测载波Fdetect经一个220pF隔离电容以及0.1uF电容后与检测电极的负极相连；硅微机械陀螺1的直流偏置电压Vp经一个100K的电阻后与检测电极的负极相连。第一加法器351的电路结构与第二加法器353相同，其不同点为10K电阻连接的是加法器34的14号引脚(输出信号为VBalance)，而不是反相器352的8号引脚(输出信号为VBalance-)，在此不再赘述。

[0060] 本实施例基于力平衡闭环控制的硅微机械陀螺性能提升装置的工作步骤如下：

[0061] 1)将硅微机械陀螺1的一次解调单元2输出的检测信号依次经过放大器31进行放大、第一解调乘法器321根据驱动信号进行二次解调、第一滤波器322进行滤波、第一PID控制器323进行PID控制得到正交耦合误差信号幅值，最后由第一调制乘法器324将正交耦合误差信号幅值调制到驱动信号得到正交耦合误差信号；

[0062] 2)90°移相器335将硅微机械陀螺的一次解调单元输出的驱动信号进行90°移相得到驱动正交信号，将硅微机械陀螺1的一次解调单元2输出的检测信号依次经过放大器31进行放大、第二解调乘法器331根据驱动正交信号进行二次解调、第二滤波器332进行滤波、第二PID控制器333进行PID控制得到哥氏力信号的幅值，最后由第二调制乘法器334将哥氏力信号的幅值经低通滤波器36后作为最终检测信号输出，同时将哥氏力信号的幅值调制到驱动正交信号得到哥氏力信号；

[0063] 3)通过加法器34将正交耦合误差信号和哥氏力信号叠加，然后通过电压输出单元35叠加后得到的信号与输入硅微机械陀螺1的偏置直流电压一起加载到硅微机械陀螺1的检测电极实现闭环力平衡控制，即通过第一加法器351将叠加后得到的信号直接与输入硅微机械陀螺1的检测电极正极的直流偏置电压一起加载到检测电极的正极，同时通过反相器352将叠加后得到的信号经反相后，通过第二加法器353与输入硅微机械陀螺1的检测电极负极的直流偏置电压一起加载到检测电极的负极。本实施例通过正交耦合误差信号获取单元32和哥氏力信号获取单元33分别得到同相成分信号(哥氏力信号)以及正交成分信号(正交耦合误差信号)，两个信号经加法器34叠加后获得反馈信号，通过电压输出单元35将反馈信号与直流偏置电压一起加载至硅微机械陀螺1的检测电极上，产生的反馈平衡静电力抵消掉正交耦合误差作用力信号和哥氏力信号，通过闭环控制实现检测模态的力平衡，包括哥氏力同相信号平衡和正交耦合信号平衡，本实施例从全新角度开展硅微机械陀螺性能提升方法研究，能有效避免正交误差、特征参数漂移等对微陀螺性能的影响，同时消除同步解调中相位差带来的零偏，较好的解决了现有采用外围控制电路消除误差所存在的问题。

[0064] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。