一种微机电陀螺的幅频控制驱动电路系统

1.本发明属于微机电领域，特别是一种微机电陀螺的幅频控制驱动电路系统。


背景技术：

2.微机电陀螺是一种通过科里奥利效应实现角速度检测的传感器，其加工材料为单晶硅，采用成熟的微机电技术加工。与传统陀螺仪相比，微机电陀螺具有体积小、重量轻、功耗小、成本低以及可以大规模加工等优点。因此，微机电陀螺是陀螺仪发展的未来方向，在陀螺仪领域中占据重要地位。
3.微机电陀螺通常被分为驱动模态和检测模态两个工作模态。当驱动模态以稳定的频率和幅值保持振荡且微机电陀螺在敏感方向旋转时，检测模态会因为科里奥利效应产生相应的位移。因此，检测模态位移可以被敏感并用于角速度检测。在实际的应用中，大多数的微机电陀螺通常只采用了稳幅驱动电路，陀螺驱动模态只是以稳定的幅值振动，而频率会随着环境温度等因素的变化而产生漂移，导致陀螺的温度性能较差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种微机电陀螺的幅频控制驱动电路系统，以实现陀螺驱动模态的稳幅稳频振荡。
5.实现本发明目的的技术解决方案为：
6.一种微机电陀螺的幅频控制驱动电路系统，包括：
7.信号放大电路，用于将微机电陀螺谐振子的驱动振动信号放大；
8.模数转换电路，用于将信号放大电路放大后的模拟电信号转换为数字信号；
9.数字锁相环电路，用于跟踪驱动模态的相位和频率，产生两路参考正弦信号：同相参考正弦信号和正交参考正弦信号；
10.数字幅值控制电路，用于对模数转换电路的输出信号进行解调和滤波，以控制微机电陀螺谐振子驱动幅值的稳定；由数字锁相环电路产生的同相参考正弦信号用于幅值信息的解调和调制；
11.数字频率控制电路，用于对数字锁相环电路中谐振频率模块产生的谐振频率进行控制，以实现微机电陀螺谐振子驱动谐振频率的稳定；由数字锁相环电路产生的正交参考正弦信号用于调制频率控制信号；
12.加法器，用于将数字幅值控制电路4产生的驱动电压信号与数字频率控制电路5产生的参数调谐电压信号相加，以实现微机电陀螺驱动模态的稳幅稳频闭环控制；
13.数模转换电路，用于输出的数字电信号转换为模拟信号，施加至微机电陀螺驱动模态的驱动电极上。
14.本发明与现有技术相比，其显著优点是：
15.(1)本发明基于数字幅值控制电路、数字频率控制电路可以实现微机电陀螺驱动模态的稳幅稳频控制。
16.(2)本发明采用fpga数字化控制方案，数字锁相环电路、数字幅值控制电路、数字频率控制电路均采用数字电路，具有高稳定性、低成本、易调试和维护的优势。
17.(3)本发明中微机电陀螺驱动电路系统采用参数调谐的方案实现频率闭环控制，不仅具有双向调谐的能力，还能减小外界环境等因素对系统的干扰。
附图说明
18.图1为本发明驱动电路系统框图。
19.图2为本发明驱动电路系统中锁相环电路框图。
20.图3为本发明驱动电路系统中幅值控制电路框图。
21.图4为本发明驱动电路系统中基于参数调谐的频率控制电路框图。
具体实施方式
22.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
23.结合图1，本实施例的一种微机电陀螺的幅频控制驱动电路系统，包括信号放大电路1、模数转换电路2、数字锁相环电路3、数字幅值控制电路4、数字频率控制电路5、加法器6、数模转换电路7；
24.所述信号放大电路1与微机电陀螺驱动模态的检测电极x+、x-相连，用于将微机电陀螺谐振子的驱动振动信号放大。信号放大电路为电荷检测电路，可以检测出微机电陀螺谐振子驱动模态因振动而引起的电极电荷变化。
25.所述模数转换电路2与信号放大电路1相连，用于将信号放大电路1放大后的模拟电信号转换为数字信号；
26.所述数字锁相环电路3与模数转换电路2相连，用于跟踪驱动模态的相位和频率，产生两路参考正弦信号，其相位分别为同相和正交；同相参考正弦信号作用于数字幅值控制电路4，正交参考正弦信号作用于数字频率控制电路5；
27.所述数字幅值控制电路4与模数转换电路2相连，用于对模数转换电路2的输出信号进行解调和滤波，以控制微机电陀螺谐振子驱动幅值的稳定；由数字锁相环电路3产生的同相参考正弦信号用于幅值信息的解调和调制；
28.所述数字频率控制电路5与模数转换电路2相连，用于对数字锁相环电路3中谐振频率模块产生的谐振频率进行控制，以实现微机电陀螺谐振子驱动谐振频率的稳定；由数字锁相环电路3产生的正交参考正弦信号用于调制频率控制信号；
29.所述加法器6分别与数字幅值控制电路4和数字频率控制电路5相连，用于将数字幅值控制电路4产生的驱动电压信号与数字频率控制电路5产生的参数调谐电压信号相加，以实现微机电陀螺驱动模态的稳幅稳频闭环控制；
30.所述数模转换电路7与加法器6相连，用于将电路输出的数字电信号转换为模拟信号，施加至微机电陀螺驱动模态的驱动电极上。
31.进一步的，如图2所示，所述数字锁相环电路3包括第一乘法器、第一低通滤波器、第一pid控制器、谐振频率模块、数字振荡器；所述第一乘法器用于输入信号(数字电信号)与参考信号2cos(ωt)相乘，利用积化和差公式将信号的常数系数转化为1，并且解调频率和相位信息；所述第一低通滤波器用于将相乘后的二倍频信号滤除，保留微机电陀螺驱动
模态的频率和相位信息；所述第一pid控制器将第一低通滤波器的输出信号转换为控制信号；所述谐振频率模块用于输出初始频率变化后的驱动谐振频率；所述数字振荡器用于将控制信号转换为两路相位为同相和正交的参考正弦信号。
32.进一步的，如图3所示，所述数字幅值控制电路4包括第二乘法器、第二低通滤波器、基准幅值模块、第二pid控制器、第三乘法器；所述第二乘法器用于输入信号(数字电信号)与参考信号2sin(ωt)相乘，利用积化和差公式将信号的常数系数转化为1，并且解调振动幅值信息；所述第二低通滤波器用于将相乘后的二倍频信号滤除，保留微机电陀螺驱动模态的振动幅值信息；所述基准幅值模块用于输出振动幅值与参考幅值设定值之间的差值信息；所述第二pid控制器用于将振动幅值的差值信息转换为幅值控制信号；所述第三乘法器用于将幅值控制信号与数字锁相环电路产生的同相参考正弦信号sin(ωt)相乘，调制幅值控制信号，实现驱动模态幅值闭环控制。
33.进一步的，如图4所示，所述数字频率控制电路5包括基准频率模块、第三pid控制器、第四乘法器；所述基准频率模块用于输出驱动模态谐振频率与参考频率设定值之间的差值信息；所述第三pid控制器用于将频率差值信息转换为频率控制信号；所述第四乘法器用于将频率控制信号与数字锁相环电路产生的正交参考正弦信号cos(ωt)相乘，调制频率控制信号，实现驱动模态频率闭环控制。
34.本实施例中，数字锁相环电路3、数字幅值控制电路4、数字频率控制电路5、加法器6都位于同一个fpga芯片内。
35.本实施例中，数字锁相环电路3使用数字解调方式对信号进行解调和滤波，利用pid控制器1产生的相位控制信号控制数字振荡器产生参考正弦信号，参考正弦信号跟踪微机电陀螺驱动模态的频率和相位变化。数字幅值控制电路4使用数字解调方式对信号进行解调和滤波，利用pid控制器2控制微机电陀螺驱动模态的振动幅值稳定在设定值。数字频率控制电路5中先将数字锁相环电路3实时跟踪陀螺驱动模态的谐振频率与参考频率设定值进行实时比较，将比较后的信号输入pid控制器3，pid控制器3输出参数调谐电压的幅值，其与正交参考正弦信号cos(ωt)调制产生相应的交流参数调谐电压。该参数调谐电压与数字幅值控制电路4产生的驱动电压相加后施加到陀螺驱动模态的驱动电极上。因此，尽管外界环境温度变化会导致陀螺驱动模态的谐振频率发生漂移，但通过自动调整反馈的参数调谐电压能使陀螺驱动模态的谐振频率保持不变。
36.施加参数调谐电压时的陀螺驱动运动方程可以表示为：
[0037][0038]
其中m
x
为陀螺驱动模态的等效质量，c
xx
为陀螺驱动模态的阻尼系数，k
xx
为陀螺驱动模态的刚度系数，x为陀螺驱动模态的位移信号，为陀螺驱动模态的振动速度，为陀螺驱动模态的振动加速度，η
vf
为电压-反馈静电力转换系数，fdsin(ωt)为陀螺驱动模态的激励信号，fd为陀螺驱动模态激励信号的幅值，v
pt
cos(ωt)为陀螺驱动模态的参数调谐电压信号，v
pt
为陀螺驱动模态的参数调谐电压幅值，ω为陀螺驱动模态激励信号和参数调谐电压信号的频率，t为时间变量。
[0039]
驱动模态位移信号表示为：
[0040]
x＝-x
p cos(ωt)
[0041]
其中x
p
为驱动模态位移信号的幅值，ω为驱动模态位移信号的频率，t为时间变
量。
[0042]
陀螺驱动模态的运动方程可改写为：
[0043][0044]
因施加了参数调谐电压，陀螺驱动模态的初始谐振频率f
x0
会发生变化，此时陀螺驱动模态的谐振频率表示为：
[0045][0046]
分析可知：通过调整参数调谐电压的幅值v
pt
可以实现双向调整陀螺驱动模态的等效谐振频率，同时其调谐能力也与电压-反馈静电力转换系数η
vf
成正比，且与陀螺振动位移x
p
成反比。

技术特征：
1.一种微机电陀螺的幅频控制驱动电路系统，其特征在于，包括：信号放大电路，用于将微机电陀螺谐振子的驱动振动信号放大；模数转换电路，用于将信号放大电路放大后的模拟电信号转换为数字信号；数字锁相环电路，用于跟踪驱动模态的相位和频率，产生两路参考正弦信号：同相参考正弦信号和正交参考正弦信号；数字幅值控制电路，用于对模数转换电路的输出信号进行解调和滤波，以控制微机电陀螺谐振子驱动幅值的稳定，由数字锁相环电路产生的同相参考正弦信号用于幅值信息的解调和调制；数字频率控制电路，用于对数字锁相环电路中谐振频率模块产生的谐振频率进行控制，以实现微机电陀螺谐振子驱动谐振频率的稳定，由数字锁相环电路产生的正交参考正弦信号用于调制频率控制信号；加法器，用于将数字幅值控制电路产生的驱动电压信号与数字频率控制电路产生的参数调谐电压信号相加，以实现微机电陀螺驱动模态的稳幅稳频闭环控制；数模转换电路，用于输出的数字电信号转换为模拟信号，施加至微机电陀螺驱动模态的驱动电极上。2.根据权利要求1所述的微机电陀螺的幅频控制驱动电路系统，其特征在于，所述数字锁相环电路包括：第一乘法器，用于输入信号与参考信号相乘，利用积化和差公式将信号的常数系数转化为1，并且解调频率和相位信息；第一低通滤波器，用于将相乘后的二倍频信号滤除，保留微机电陀螺驱动模态的频率和相位信息；第一pid控制器，用于将第一低通滤波器的输出信号转换为控制信号；谐振频率模块，用于输出初始频率变化后的驱动谐振频率；数字振荡器，用于将控制信号转换为两路相位为同相和正交的参考正弦信号。3.根据权利要求1所述的微机电陀螺的幅频控制驱动电路系统，其特征在于，所述数字幅值控制电路包括：第二乘法器，用于输入信号与参考信号相乘，利用积化和差公式将信号的常数系数转化为1，并且解调振动幅值信息；第二低通滤波器，用于将相乘后的二倍频信号滤除，保留微机电陀螺驱动模态的振动幅值信息；基准幅值模块，用于输出振动幅值与参考幅值设定值之间的差值信息；第二pid控制器，用于将振动幅值的差值信息转换为幅值控制信号；第三乘法器，用于将幅值控制信号与数字锁相环电路产生的同相参考正弦信号相乘，调制幅值控制信号，实现驱动模态幅值闭环控制。4.根据权利要求1所述的微机电陀螺的幅频控制驱动电路系统，其特征在于，所述数字频率控制电路包括：基准频率模块，用于输出驱动模态谐振频率与参考频率设定值之间的差值信息；第三pid控制器，用于将频率差值信息转换为频率控制信号；第四乘法器，用于将频率控制信号与数字锁相环电路产生的正交参考正弦信号相乘，
调制频率控制信号，实现驱动模态频率闭环控制。5.根据权利要求1或2所述的微机电陀螺的幅频控制驱动电路系统，其特征在于，所述数字锁相环电路产生的陀螺驱动模态的谐振频率为：其中f
x0
为陀螺驱动模态的初始谐振频率，η
vf
为电压-反馈静电力转换系数，v
pt
为陀螺驱动模态的参数调谐电压幅值，k
xx
为陀螺驱动模态的刚度系数，x
p
为驱动模态位移信号的幅值。6.根据权利要求1所述的微机电陀螺的幅频控制驱动电路系统，其特征在于，数字锁相环电路、数字幅值控制电路、数字频率控制电路、加法器位于同一个fpga芯片内。

技术总结
本发明公开了一种微机电陀螺的幅频控制驱动电路系统，包括信号放大电路、模数转换电路、数字锁相环电路、数字幅值控制电路、数字频率控制电路、加法器和数模转换电路；信号放大电路与微机电陀螺驱动模态的检测电极相连；模数转换电路与信号放大电路相连；模数转换电路分别与数字锁相环电路、数字幅值控制电路、数字频率控制电路相连；加法器分别与数字幅值控制电路和数字频率控制电路相连；数模转换电路与加法器相连，且与陀螺驱动模态的驱动电极相连。本发明可以通过参数调谐的方案实现陀螺驱动模态的频率闭环控制，避免因外界环境温度变化使频率发生漂移，实现微机电陀螺驱动模态的稳幅稳频振荡。稳幅稳频振荡。稳幅稳频振荡。


技术研发人员：周怡 翁双玲 周同 苏岩
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.05.24
技术公布日：2023/9/5