阅读说明：本技术 一种加快微机电陀螺零偏稳定时间的方法 (Method for accelerating zero-offset stabilization time of micro-electromechanical gyroscope ) 是由 崔健 赵前程 闫桂珍 林龙涛 于 2019-02-26 设计创作，主要内容包括：本发明的目的是用于加快微机电陀螺零偏稳定时间的方法,该方法通过对陀螺的正交误差进行主动抑制,同时配合陀螺谐振频率信息对零位输出进行补偿,将影响陀螺上电后热漂移的主要影响参数进行有效抑制,可以显著加快微机电陀螺的零偏稳定时间。(The invention aims to provide a method for accelerating zero offset stabilization time of a micro-electro-mechanical gyroscope.)

一种加快微机电陀螺零偏稳定时间的方法

技术领域

本发明涉及了一种用于加快微机电陀螺零偏稳定时间的方法，采用陀螺正交误差主动抑制以及谐振频率补偿，属于微机电惯性传感器技术领域。

背景技术

微机电陀螺是用微电子工艺加工的特征尺寸在微米量级的器件，用于测量载体的角速度，其体积小、成本低、适于批量加工及易与ASIC集成，有着广泛的应用前景和迫切的市场需求，目前已成功应用于汽车、消费类电子等工业、民用领域以及制导武器等军用领域。

微机电振动式陀螺基于科里奥利力原理工作，通常有两个模态：驱动模态和敏感模态。正常工作时，通过自动增益控制环路使陀螺在驱动模态方向上做恒幅振动，当沿陀螺的敏感轴有角速率输入时，会在敏感模态方向上产生一个正比于外界角速率输入的科里奥利力(简称科氏力)，陀螺振动质量块在该科氏力作用下沿检测轴向振动，其位移变化可以通过电容拾取结构变为电容变化，再通过微小电容读出电路将电容变化量转换为电压变化量，最后通过同步解调以获得角速率信息。

零偏稳定性是指在无外界角速率输入条件下，陀螺在一段时间内的零位波动情况，通常用这段时间内零位值的标准差来衡量，是反映陀螺精度等级的重要参数。评价陀螺零偏稳定性的另一个重要指标是稳定时间。根据“IEEE Standard for Inertial SensorTerminology.IEEE Std 528-2001”定义，稳定时间指陀螺上电后，从何时起能够达到陀螺所标定的零偏稳定性指标。微机电陀螺的稳定时间由两部分组成，一是陀螺测控电路的环路稳定时间，另一个是陀螺达到热平衡的时间。前者主要由控制环路的稳定时间来决定，通常在百毫秒量级，可忽略不计；后者是由于微机电陀螺对温度及环境应力非常敏感，在上电后，测控电路发热，会传递到陀螺敏感结构，造成陀螺参数发生缓变，进而使零位输出产生热漂移，是影响陀螺零位稳定时间的主要因素。

为了加快微机电陀螺零位稳定时间，通常采用温度补偿的方法，即在陀螺表头附近安装温度传感器实时测量环境温度信息。该方法的优点是简单易行，其缺点是由于温度梯度的存在，温度传感器所获取的温度并不能真实反映陀螺表头的实际温度值，这会导致补偿效果变差。针对此问题文献：陈怀，张嵘，周斌，陈志勇，.微机械陀螺仪温度特性及补偿算法研究[J].传感器技术，2004，(10)；满海鸥，肖定邦，吴学忠，陈志华，侯占强，.硅微陀螺模态频率温度特性的研究[J].传感技术学报，2009，(8)；凤瑞，裘安萍，施芹，苏岩，.双质量硅微机械陀螺固有频率温度特性研究[J].南京理工大学学报，2013，(1)等分析了陀螺的驱动轴相位、频率与温度的关系，指出驱动轴谐振频率与温度成近似线性关系，因此可利用频率信息进行温度补偿，克服了外置温度传感器与陀螺表头温度不完全一致的缺点。但由于陀螺上电后的零位受正交误差、谐振频率、解调相位误差等影响，因此单一谐振频率或者温度传感器输出并不能完全解决陀螺上电后的热漂移特性，补偿效果有限，不能显著加快稳定时间。

发明内容

本发明的目的是用于加快微机电陀螺零偏稳定时间的方法，该方法通过对陀螺的正交误差进行主动抑制，同时配合陀螺谐振频率信息对零位输出进行补偿，将影响陀螺上电后热漂移的主要影响参数进行有效抑制，可以显著加快微机电陀螺的零偏稳定时间。

具体地，开环工作方式下的高真空封装的微机电陀螺的标度因数可以表达为式(1)，

其中，δ为与结构和前置电路相关的常数，k_sd为正交刚度，R为陀螺驱动闭环控制幅度，ω_nd为驱动频率，ω_ns为驱动模态谐振频率，Δω为两模态谐振频率的差值，θ为解调相位误差，K_d为解调增益。将式(1)对温度求导，同时考虑到两模态的谐振频率温度变化有较好的一致性，可得到标度因数的温度灵敏度如式(2)所示

式(2)说明影响陀螺零位输出热漂移的主要参数有正交误差、驱动振动幅度、模态频差、谐振频率、解调增益以及解调相位误差θ。由于采用闭环驱动，驱动幅度稳定性很高，数字电路中解调增益恒定，所以(2)以简化为(3)式。

由于采用高真空封装，陀螺有较高的Q值，因此陀螺敏感模态带来的相位误差可以忽略。此外常温上电后，温升一般在5摄氏度以内，温变范围小，所以频差变化不大。所以可以推定，影响陀螺上电零偏稳定时间的主要因素是正交刚度以及驱动模态的谐振频率。

因此为实现加快微机电陀螺零偏稳定性，本发明采取以下技术方案。采用基于闭环静电负刚度调节的正交刚度抑制和陀螺谐振频率补偿的方法，其特征在于：获取微机电陀螺的正交误差幅度，通过负反馈闭环控制回路设计，产生正交刚度抑制电压并施加到微机电陀螺耦合刚度抑制电极上，将正交刚度完全抵消；再通过微机电陀螺驱动频率与零位输出间的拟合系数对零位输出进行补偿，实现加快微机电陀螺零偏稳定时间。

所述微机电陀螺的驱动频率为驱动模态闭环控制下，陀螺在驱动模态方向上的振动频率。

所述微机电陀螺的正交误差幅度为驱动模态闭环控制下，没有角速率输入时，陀螺在敏感模态方向上的前置电路输出交流电压幅度。

所述微机电陀螺耦合刚度抑制电极为设计的耦合刚度抑制结构的电极。

所述微机电陀螺驱动频率与零位输出间的拟合系数是指陀螺上电后，采集一段时间的零位输出与驱动频率信息，将零位输出与驱动频率信息进行最小二乘多项式拟合得到的系数。

本发明由于采取以上技术方案，避免了采用单一参数进行陀螺上电零位补偿所带来的温度迟滞以及拟合不精确等缺点，抑制了陀螺上电后的零位热漂移，加快了陀螺零偏稳定时间，提高了陀螺零偏稳定性。

附图说明

图1为本发明所适用的微机电陀螺结构示意图。

图2为耦合刚度抑制结构示意图。

图3为微机电陀螺闭环驱动控制环路示意图。

图4为正交刚度抑制控制环路示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明所适用的微机电陀螺结构1一般由驱动结构3，复合谐振结构5、驱检拾取结构6、敏感拾取结构4以及耦合抑制结构11构成。振动拾取结构4和6通常采用差分式电容式结构，主要有梳齿型电容结构和平行板型电容结构。2、7、8、10分别为驱动结构3、敏感拾取结构7、驱检拾取结构6和耦合抑制结构11的金属引出电极。复合谐振结构5产生振动，其位移变化量被驱检拾取结构6以及敏感拾取结构4获取，驱检拾取结构6以及敏感拾取结构4将获取到的位移变化量转变为电容变化量，并通过电极8和电极7输出。

图2为一种耦合刚度抑制结构示意图，耦合刚度抑制结构采用压膜梳齿电容结构，梳齿电容动齿端5A，5B位于复合谐振结构5的两侧，定齿端由结构11A和11B组成且11A和11B通过金属走线连接到同一电极10上。定齿端与动齿端交叠长度为L，动齿端5A与定齿端11A组成两个梳齿电容，其极板间距分别为y1和y2，动齿端5B与定齿端11B组成两个梳齿电容，其极板间距分别为y1和y2。实际设计中，通常设计多个梳齿电容组成电容阵列以增大静电负刚度调节范围。

下面列举通过具体实施例对本发明进行更为详细的说明。

如图3和图4所示，本实施例的方法包括以下步骤：

1)设置一个前置读出电路11，使驱检拾取结构6的输出电极8连接前置读出电路11得到驱动振动电压12，再将前置读出电路11的输出端连接模数转换器301，将模数转换器301连接一数字信号处理器400，得到驱动振动电压12的数字量化信号供数字信号处理器400进行数据处理。

2)在数字信号处理器中设置一同相解调器303，一正交解调器304，两滤波器305、306，加法器309和310，两个PID控制器311、312，一正弦波发生器315，一乘法器317。首先，将A/D转换器301输出端同时接入同相解调器303和正交解调器304。然后，将同相解调器303的输出端串联滤波器305得到解调相位误差信号307、将解调相位误差信号307连接加法器322并与相位控制信号309比较得到相位误差信号再送入PID控制器311得到相位控制信号313，将相位控制信号313连接一正弦波发生器315得到驱动相位信号316。同时，将正交解调器304的输出串联滤波器306得到驱动振动信号幅度308，将振动信号幅度308连接加法器323并与振动幅度参考信号310进行比较得到幅度误差信号再送入PID控制器312得到幅度控制信号314。将驱动相位信号316和幅度控制信号314同时连入乘法器317，并将乘法器317的输出端连接D/A转换器318的输入端，最后将D/A转换器318的输出端连接至驱动电极2，构成数字闭环驱动。通过该闭环控制，可以使微机电陀螺1在驱动模态方向上以其固有的谐振频率ω_nd进行恒幅振动。

3)设置另一前置读出电路13，使敏感拾取结构4的输出电极7连接前置读出电路13得到敏感模态振动电压17，再将前置读出电路13的输出端连接另一模数转换器401，将模数转换器401连接至数字信号处理器400，得到敏感模态振动电压17的数字量化信号供数字信号处理器400进行数据处理。

4)在数字信号处理器中设置一同相解调器402，一正交解调器404，两滤波器403、405，加法器409，一个PID控制器410，一补偿单元413。首先，将A/D转换器401输出端同时接入正交解调器402和同相解调器404。然后，将正交解调器402的输出串联滤波器403得到正交误差幅度406，将正交误差幅度406连接加法器409并与控制幅度参考信号409，通常设为零，进行比较得到幅度误差信号再送入PID控制器410得到正交刚度抑制信号412，并将控制器410的输出端连接D/A转换器414的输入端，最后将D/A转换器414的输出端连接至耦合抑制结构电极10，构成正交误差闭环抑制回路。通过该回路控制，可以抵消耦合刚度，抑制敏感结构的正交运动，进而显著减小由正交误差泄露而导致的零位热漂移。

5)将同相解调器404的输出端串联滤波器405得到陀螺零位输出信号408，将零位输出信号408和驱动闭环控制回路中的相位控制信号313同时送入补偿单元411进行多项式补偿。由于相位控制信号313能够反映陀螺驱动谐振频率ω_nd的大小，因此通过补偿单元可以对陀螺零位热漂移中由谐振频率ω_nd的变化带来的影响予以消除，进一步减小零位热漂移。

通过上述方法，利用正交误差闭环抑制回路将正交刚度完全抵消；再通过微机电陀螺驱动频率与零位输出间的拟合系数对零位输出进行补偿，能够显著减小由正交误差泄露以及谐振频率ω_nd的温度变化而导致的零位热漂移，实现加快微机电陀螺零偏稳定时间。

上述各实施例仅是本发明的优选实施方式，在本技术领域内，凡是基于本发明技术方案上的变化和改进，不应排除在本发明的保护范围之外。