阅读说明：本技术 一种用于常压封装mems陀螺仪解调相角补偿的系统和方法 (System and method for demodulating phase angle compensation of normal-pressure packaged MEMS gyroscope ) 是由 李宏生 贾佳 丁徐锴 丁柏会 刘学文 李文凯 于 2020-04-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于常压封装MEMS陀螺仪解调相角补偿的系统和方法,该系统包括陀螺仪闭环驱动模块、检测模态驱动与检测模块、补偿模块、信号检测模块；陀螺仪闭环驱动模块跟踪MEMS陀螺仪的驱动模态谐振频率ω<Sub>x</Sub>并产生ω<Sub>x</Sub>的正弦波信号sinω<Sub>x</Sub>t与sin(2ω<Sub>x</Sub>t),并将sin(2ω<Sub>x</Sub>t)输出至补偿模块与检测模态驱动与检测模块；补偿模块基于sin(2ω<Sub>x</Sub>t)产生解调相角补偿量<Image he="42" wi="70" file="DDA0002470510410000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>并输出至驱动闭环模块以产生相角补偿后的解调正弦波<Image he="62" wi="242" file="DDA0002470510410000012.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>与<Image he="62" wi="262" file="DDA0002470510410000013.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>信号检测模块基于<Image he="62" wi="243" file="DDA0002470510410000014.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>与<Image he="62" wi="247" file="DDA0002470510410000015.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>产生经补偿的哥氏输出信号与正交输出信号,经补偿的哥氏输出信号避免了正交输入信号的干扰。本发明基于陀螺仪力反馈检测梳齿可有效降低正交信号对哥氏信号的干扰,能够提升陀螺仪哥氏信号的噪声性能。(The invention discloses a system and a method for demodulating phase angle compensation of a normal-pressure packaged MEMS gyroscope, wherein the system comprises a gyroscope closed-loop driving module, a detection mode driving and detecting module, a compensating module and a signal detecting module; driving mode resonant frequency omega of gyroscope closed-loop driving module tracking MEMS gyroscope x And produce omega x Sine wave signal sin omega of x t and sin (2 ω) x t) and sin (2 ω) is added x t) outputting to a compensation module and a detection mode driving and detecting module; the compensation module is based on sin (2 omega) x t) generating a demodulation phase angle compensation quantity And output to the driving closed-loop module to generate the phase angle compensated demodulation sine wave And the signal detection module is based on And a compensated coriolis output signal and a quadrature output signal are generated, the compensated coriolis output signal avoiding interference with the quadrature input signal. The invention can effectively reduce the interference of orthogonal signals to the Coriolis signals and can improve the noise performance of the Coriolis signals of the gyroscope based on the force feedback detection comb teeth of the gyroscope.)

一种用于常压封装MEMS陀螺仪解调相角补偿的系统和方法

技术领域

本发明涉及MEMS陀螺仪领域，特别是涉及一种用于常压封装MEMS陀螺仪解调相角补偿的系统和方法。

背景技术

MEMS陀螺仪作为一种利用哥氏效应敏感输入角速度的传感器，是MEMS技术在惯性导航领域的重要应用之一，具有体积小、重量轻、成本低、可批量生产、易于集成等优点，在军用与民用领域均得到了广泛的应用。MEMS陀螺仪具有驱动模态和检测模态两个工作模态，其中，驱动模态实时跟踪驱动模态谐振频率并维持驱动方向上恒定的振幅；检测模态实时检测敏感轴输入角速度引起的模态振动，再利用乘法解调方式获得包含角速度信息的信号。

为了降低MEMS陀螺仪的制造成本，大气常压封装陀螺仪逐渐受到关注。尽管大气常压封装降低了陀螺仪的品质因数，从而引入了较大的检测环节解调相角误差，进而限制了陀螺仪的测量精度。但通过有效解调相角补偿，其性能可得到明显的提升。目前针对大气常压封装陀螺仪检测环节解调相角的补偿通常采用算法补偿，建立解调相角与温度的模型，从而通过检测温度实现解调算法的补偿。该方法依赖于算法模型的准确性与系统输出的重复性，且复杂的算法同样会提升陀螺仪测控系统的复杂度与成本。

发明内容

发明目的：为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于常压封装MEMS陀螺仪解调相角补偿的系统。

本发明还提供一种用于常压封装MEMS陀螺仪解调相角补偿的方法。

技术方案：本发明的用于常压封装MEMS陀螺仪解调相角补偿的系统包括：陀螺仪闭环驱动模块、检测模态驱动与检测模块、补偿模块和信号检测模块；所述陀螺仪闭环驱动模块用于跟踪硅微陀螺仪的驱动模态谐振频率ω_x并产生ω_x的单倍频正弦信号sinω_xt和二倍频正弦信号sin(2ω_xt)，将sinω_xt作为反馈实现陀螺仪闭环驱动，并将sin(2ω_xt)输出至所述检测模态驱动与检测模块和所述补偿模块；所述检测模态驱动与检测模块基于正交输入信号、哥氏输入信号和所述陀螺仪闭环驱动模块输出的二倍频正弦信号sin(2ω_xt)、产生检测模态振动信号，并分别输出至所述补偿模块和所述信号检测模块；所述补偿模块基于所述二倍频正弦信号sin(2ω_xt)和所述检测模态振动信号产生解调相角补偿量并输出至所述陀螺仪闭环驱动模块；所述陀螺仪闭环驱动模块基于ω_x和产生补偿后的第一解调信号和第二解调信号并将和输出至所述信号检测模块；所述信号检测模块基于和所述检测模态振动信号得到经补偿的哥氏输出信号，并基于和所述检测模态振动信号得到经补偿的正交输出信号；其中，经补偿的哥氏输出信号避免了正交输入信号的干扰。

进一步地，所述陀螺仪驱动闭环回路包括驱动模态检测电极、驱动模态驱动电极、驱动模态C/V转换电路、驱动模态放大电路、驱动模态A/D转换电路、驱动模态D/A转换电路、相位解调模块、幅值解调模块、锁相环、自动增益控制器、直接数字式频率合成器和第一乘法器；驱动模态驱动电极用于响应于驱动信号产生振动；驱动模态检测电极检测到驱动模态驱动电极的振动产生驱动模态振动信号，该驱动模态振动信号依次经由驱动模态C/V转换电路、驱动模态A/D转换电路处理后分别输入至相位解调模块与幅值解调模块；相位解调模块进行解调后输出相位相关信号至锁相环，幅值解调模块进行解调后输出幅值相关信号至自动增益控制器；锁相环基于所述相位相关信号跟踪陀螺仪的所述驱动模态谐振频率ω_x，并将ω_x输出至直接数字式频率合成器；自动增益控制器基于所述幅值相关信号产生驱动信号的幅度；直接数字式频率合成器输出ω_x的所述单倍频正弦信号sinω_xt和所述二倍频正弦信号sin2ω_xt，并将sin2ω_xt输入至检测模态驱动和检测模块和补偿模块；第一乘法器将驱动信号的幅度与正弦信号sinω_xt相乘后得到驱动信号；所述驱动信号依次经由驱动模态D/A转换电路、驱动模态放大电路处理后输入至驱动模态驱动电极，从而使得驱动模态检测电极的振幅维持恒定，并实时跟踪驱动模态谐振频率ω_x，实现陀螺仪闭环驱动。

进一步地，所述检测模态驱动和检测模块包括检测模态驱动电极、检测模态检测电极、检测模态放大电路、检测模态C/V转换电路、检测模态D/A转换电路、检测模态A/D转换电路；所述二倍频正弦信号sin2ω_xt依次经由检测模态D/A转换电路、检测模态放大电路处理后输入至检测模态驱动电极；检测模态检测电极对检测模态驱动电极的输出信号、哥氏输入信号和正交输入信号进行检测，检测结果依次经由检测模态C/V转换电路、检测模态A/D转换电路处理后产生所述检测模态振动信号。

进一步地，所述补偿模块包括第一高通滤波器、幅值比较器、第二乘法器、第二低通滤波器和解调相角解算模块；所述第一高通滤波器对所述检测模态振动信号进行高通滤波，得到第一次滤波后的正弦波；所述幅值比较器将所述第一次滤波后的正弦波转换成单位幅值的同频率方波；所述第二乘法器将所述单位幅值的同频率方波乘以所述陀螺仪闭环驱动模块输出的正弦信号sin(2ω_xt)，并输出至所述第二低通滤波器得到二倍频相角输出信号所述解调相角解算模块对二倍频相角输出信号进行解算得到所述解调相角补偿量并输出至所述陀螺仪闭环驱动模块。

进一步地，所述信号检测模块包括第三乘法器、第三低通滤波器、第四乘法器和第四低通滤波器；所述第三乘法器与所述第三低通滤波器构成乘法解调，利用和所述振动信号得到经补偿的哥氏输出信号；所述第四乘法器与所述第四低通滤波器构成乘法解调，利用和所述振动信号得到经补偿的正交输出信号；其中，经补偿的哥氏输出信号避免了正交输入信号的干扰。

本发明的用于常压封装MEMS陀螺仪解调相角补偿的方法包括：(S1)跟踪硅微陀螺仪的驱动模态谐振频率ω_x，产生ω_x的单倍频正弦信号sinω_xt和二倍频正弦信号sin(2ω_xt)，将sinω_xt作为反馈实现陀螺仪闭环驱动；(S2)基于所述二倍频正弦信号sin(2ω_xt)、正交输入信号和哥氏输入信号产生检测模态振动信号；(S3)基于所述二倍频正弦信号sin(2ω_xt)和所述检测模态振动信号产生解调相角补偿量基于ω_x和产生解调相角补偿后的第一解调信号和第二解调信号(S4)基于和所述检测模态振动信号得到经补偿的哥氏输出信号，并基于和所述检测模态振动信号得到经补偿的正交输出信号；其中，经补偿的哥氏输出信号避免了正交输入信号的干扰。

有益效果：与现有技术相比，本申请具有以下优点：

1、带有解调相角补偿环节，可以在有效地消除低品质因数所引起的正交输入信号对哥氏输出信号的影响，降低陀螺仪哥氏输出信号的漂移和噪声；

2、现有技术中需要对陀螺仪解调相角误差进行建模，为实现较好的补偿效果，需要建立复杂的补偿模型并通过大量的实验标定模型参数，本发明的方案基于输入陀螺仪力反馈检测梳齿(对应实施例中检测模态驱动电极201)的二倍频信号以此获取解调相角补偿量，不需要建立繁杂的误差模型，并不依赖复杂算法补偿，有效地减少了陀螺仪系统的成本。

附图说明

图1为本发明一个实施例涉及的系统框图；

图2为本发明一个实施例中涉及的宽温度范围内与的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。

如图1，本发明的用于常压封装MEMS陀螺仪解调相角补偿的系统包括：陀螺仪闭环驱动模块100、陀螺仪检测模态驱动和检测模块200补偿模块300和陀螺仪信号检测模块400。

其中，陀螺仪闭环驱动模块100包括驱动模态检测电极101、驱动模态驱动电极102、驱动模态C/V转换电路103、驱动模态放大电路104、驱动模态A/D转换电路105、驱动模态D/A转换电路106、相位解调模块107、幅值解调模块108、锁相环109、自动增益控制器110、直接数字式频率合成器111和第一乘法器112。驱动模态驱动电极102用于响应于驱动信号产生振动。驱动模态检测电极101检测到驱动模态驱动电极102的振动产生驱动模态振动信号，该驱动模态振动信号依次经由驱动模态C/V转换电路103、驱动模态A/D转换电路105处理后分别输入至相位解调模块107与幅值解调模块108。相位解调模块107进行解调后输出相位相关信号至锁相环109，幅值解调模块108进行解调后输出幅值相关信号至自动增益控制器110。锁相环109基于所述相位相关信号跟踪陀螺仪的所述驱动模态谐振频率ω_x，并将ω_x输出至直接数字式频率合成器111。自动增益控制器110基于所述幅值相关信号产生驱动信号的幅度。直接数字式频率合成器111输出ω_x的单倍频正弦信号sinω_xt和二倍频正弦信号sin2ω_xt，并将sin2ω_xt输入至检测模态驱动和检测模块200和补偿模块300。第一乘法器112将驱动信号的幅度与正弦信号sinω_xt相乘后得到驱动信号。驱动信号依次经由驱动模态D/A转换电路106、驱动模态放大电路104处理后输入至驱动模态驱动电极102，从而使得驱动模态检测电极的振幅维持恒定，并实时跟踪驱动模态谐振频率ω_x，实现陀螺仪闭环驱动。

MEMS陀螺仪驱动模态的运动方程为：

其中，x为驱动模态振动位移，其可以由驱动模态检测电极101检测得到；m_c为陀螺仪有效哥氏质量；t为时间变量；c_x为陀螺仪驱动模态阻尼系数，k_x为陀螺仪驱动模态刚度系数，A_F为陀螺仪驱动力幅度；m_c与陀螺仪结构参数有关，A_F由自动增益控制器110产生。

式(1)的稳态解为：

其中，A_x为陀螺仪驱动模态振动幅度。

陀螺仪检测模态驱动和检测模块200包括检测模态驱动电极201、检测模态检测电极202、检测模态放大电路203、检测模态C/V转换电路204、检测模态D/A转换电路205、检测模态A/D转换电路206。二倍频正弦信号sin2ω_xt依次经由检测模态D/A转换电路205、检测模态放大电路203处理后输入至检测模态驱动电极201。检测模态检测电极202对检测模态驱动电极201的输出信号、哥氏输入信号和正交输入信号进行检测，输出的检测结果依次经由检测模态C/V转换电路204、检测模态A/D转换电路206处理后产生检测模态振动信号作为检测模态驱动和检测模块200的输出。

MEMS陀螺仪检测模态驱动和检测模块200对应的检测模态的运动方程为：

其中，y_out为检测模态检测电极的振动位移，A_q为正交输入信号的幅度，Ω_c为哥氏输入信号。ω_y＝(k_y/m_c)^1/2为检测模态谐振频率，Q_y＝m_cω_y/c_y为检测模态品质因数，k_y为陀螺仪检测模态刚度系数，c_y为陀螺仪检测模态阻尼系数。求解公式(3)的稳态解，可得检测模态检测电极的振动位移为：

其中，

y_qout为正交输入信号的输出响应位移，y_cout为哥氏输入信号的输出响应位移，y_2ωout为二倍频正弦信号的输出响应位移。

补偿模块300包括第一高通滤波器301、幅值比较器302、第二乘法器303、第二低通滤波器304和解调相角解算模块305。第一高通滤波器301的截止频率ω_c1满足ω_x<ω_c1，检测模态驱动与检测环节的输出信号经第一高通滤波器301后可得到：

V_hout为经过幅值比较器302后输出单位幅度的二倍频方波对此二倍频方波乘以sin(2ω_xt)可得到

上述信号再经第二低通滤波器304，其截止频率ω_c2满足ω_c2<ω_x，可得到二倍频相位输出信号解调相角解算模块305对二倍频输出信号进行如下处理：

①

②

图2为本发明的涉及的宽温度范围内与的关系曲线。-40℃到60℃范围内的单个MEMS陀螺仪的与的关系可拟合成图2中所示的线性表达式。解调相角解算模块基于该线性表达式输出解调相角补偿量直接数字式频率合成器111基于和ω_x产生解调相角补偿后的解调波形和

陀螺仪信号检测环节400包括第三乘法器401、第三低通滤波器402、第四乘法器403和第四低通滤波404。基于经补偿的解调波形所述第三乘法器401的输出为：

所述第三低通滤波器402的截止频率ω_c3满足ω_c3<ω_x，滤除所述第三乘法器输出信号中的二倍频分量，得到经补偿后的哥氏输出信号-A_c/2。

若采用未补偿的解调波形sin(ω_xt)，所述第三乘法器403的输出为：

经所述第三低通滤波器402滤除二倍频分量后，得到未补偿的哥氏输出信号为其中正交输入信号的输出响应部分分量进入哥氏输出信号，从而恶化了陀螺仪角速度检测信号的性能。

基于经补偿的解调波形所述第四乘法器403的输出为：

第四低通滤波器404的截止频率ω_c4满足ω_c4<ω_x，滤除所述第四乘法器输出信号中的二倍频分量，得到经补偿后的哥氏输出信号-A_q/2。