阅读说明：本技术 一种用于提升硅微陀螺仪标度因数温度稳定性的系统和方法 (System and method for improving temperature stability of silicon micro gyroscope scale factor ) 是由 李宏生 贾佳 丁徐锴 丁柏会 刘学文 李文凯 于 2019-10-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于提升硅微陀螺仪标度因数温度稳定性的系统和方法,该系统包括驱动闭环回路、检测闭环回路和标度因数温度补偿模块；驱动闭环回路产生硅微陀螺仪的驱动模态谐振频率ω<Sub>x</Sub>和ω<Sub>x</Sub>的正弦信号sinω<Sub>x</Sub>t,并将ω<Sub>x</Sub>和sinω<Sub>x</Sub>t分别输出至标度因数温度补偿模块和检测闭环回路；检测闭环回路基于sinω<Sub>x</Sub>t产生未经标度因数温度补偿的角速度信号,并输入至标度因数温度补偿模块；标度因数温度补偿模块基于ω<Sub>x</Sub>对未经标度因数温度补偿的角速度信号进行标度因数温度补偿,并产生经补偿的角速度输出信号；经补偿的角速度输出信号与ω<Sub>x</Sub>无关。本发明基于陀螺仪力反馈闭环检测模式实现标度因数温度补偿,能够提升陀螺仪标度因数的温度稳定性。(The invention discloses a system and a method for improving the temperature stability of a scale factor of a silicon micro gyroscope, wherein the system comprises a driving closed loop, a detection closed loop and a scale factor temperature compensation module; driving closed loop circuit to generate driving mode resonant frequency omega of silicon micro gyroscope x And ω x Sine signal sin ω of x t, and will be ω x And sin ω x t is respectively output to the scale factor temperature compensation module and the detection closed loop; detection of closed loop based on sin omega x t generating an angular velocity signal without scale factor temperature compensation and inputting the angular velocity signal to the scale factor temperature compensation module; scale factor temperature compensation module based on omega x Scale factor temperature compensation is performed on the angular velocity signal which is not subjected to scale factor temperature compensation, and a compensated angular velocity output signal is generated; compensated angular velocity output signal and omega x Is irrelevant. The invention is based on a gyroscopeThe instrument force feedback closed loop detection mode realizes the scale factor temperature compensation and can improve the temperature stability of the gyroscope scale factor.)

一种用于提升硅微陀螺仪标度因数温度稳定性的系统和方法

技术领域

本发明涉及硅微陀螺仪领域，特别是涉及一种用于提升硅微陀螺仪标度因数温度稳定性的系统和方法。

背景技术

硅微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。

硅微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，从而获取输入角速度的大小。另外，检测模态分为开环检测与闭环检测两种形式，开环检测利用检测模态振动引起的电信号直接表征输入角速度；闭环检测在开环检测角速度的基础上利用闭环控制器产生信号，通过力反馈结构平衡检测模态的振动，从而闭环控制器的输出表征输入角速度的大小。

由于硅材料的温度敏感特性导致硅微陀螺仪输出信号随温度剧烈变化，从而恶化硅微陀螺仪标度因数的温度稳定性。为了提高温度稳定性需要进行标度因数温度补偿。现有标度因数温度补偿方法主要有算法补偿、虚拟哥氏力补偿、微机械平台补偿等方法，其中，算法补偿效果严重依赖补偿模型的准确性和陀螺仪输出重复性；虚拟哥氏力所引入的额外模态振动将干扰陀螺仪信号的检测精度和限制工作带宽；微机械平台补偿需要额外设计并加工可动微平台从而提高了加工难度与成本。

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提升硅微陀螺仪标度因数温度稳定性的系统和方法。

技术方案：本发明的用于提升硅微陀螺仪标度因数温度稳定性的系统包括驱动闭环回路、检测闭环回路和标度因数温度补偿模块；所述驱动闭环回路用于实现陀螺仪闭环驱动；所述驱动闭环回路跟踪硅微陀螺仪的驱动模态谐振频率ω_x并产生ω_x的正弦信号sinω_xt，且将ω_x和sinω_xt分别输出至所述标度因数温度补偿模块和所述检测闭环回路；所述检测闭环回路包括检测模态驱动电极、检测模态检测电极、哥氏信号解调模块、检测模态闭环控制器和乘法器；检测模态检测电极基于陀螺仪敏感轴角速度Ω产生振动信号；哥氏信号解调模块对检测模态检测电极的振动信号进行解调得到哥氏信号；检测模态闭环控制器基于哥氏信号产生未经标度因数温度补偿的角速度信号，并输入至标度因数温度补偿模块；所述乘法器将来自驱动闭环回路的正弦信号sinω_xt与未经标度因数温度补偿的角速度信号相乘后产生力反馈信号；检测模态驱动电极基于力反馈信号产生振动，以平衡哥氏效应所引起的检测模态检测电极的振动，实现陀螺仪闭环检测；所述标度因数温度补偿模块基于ω_x对未经标度因数温度补偿的角速度信号进行标度因数温度补偿，并产生经补偿的角速度输出信号；其中，经补偿的角速度输出信号与ω_x无关。

进一步地，所述经补偿的角速度输出信号是通过将所述未经标度因数温度补偿的角速度信号除以ω_x后再乘以一个固定系数得到，所述固定系数用于调节温度补偿后的标度因数的数值的量级。

进一步地，所述经补偿的角速度输出信号S的表达式为：

S＝SF_c×Ω

其中，Ω为陀螺仪敏感轴输入角速度，SF_c为温度补偿后的标度因数，m_c为陀螺仪有效哥氏质量，A_x为陀螺仪驱动模态检测振幅，K_c为陀螺仪标度因数温度补偿固定系数，K_fb为陀螺仪检测模态闭环回路增益。

进一步地，所述陀螺仪检测闭环回路还包括检测模态放大电路、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；所述检测模态检测电极输出的检测信号依次经由所述检测模态C/V转换电路、所述检测模态A/D转换电路处理后输入至所述哥氏信号解调模块进行解调；所述力反馈信号依次经由所述检测模态D/A转换电路、所述检测模态放大电路处理后输入至所述检测模态驱动电极。

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、相位解调模块、幅值解调模块、锁相环与自动增益控制器、直接数字式频率合成器和第二乘法器；所述驱动模态驱动电极基于驱动信号产生振动；所述驱动模态检测电极对所述驱动模态检测电极的振动进行检测产生检测信号；所述相位解调模块和所述幅值解调模块分别基于所述驱动模态检测电极的检测信号进行解调，分别得到相位相关信号和幅值相关信号；所述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分别输出至直接数字式频率合成器和所述标度因数温度补偿模块；所述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；所述直接数字式频率合成器输出ω_x的所述正弦信号sinω_xt，并输入至所述检测闭环回路；所述第二乘法器将所述驱动信号的幅度与所述正弦信号sinω_xt相乘后得到所述驱动信号，实现陀螺仪闭环驱动。

进一步地，所述陀螺仪驱动闭环回路还包括：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；所述驱动模态检测电极输出的检测信号依次经由所述驱动模态C/V转换电路、驱动模态A/D转换电路处理后分别发送至所述相位解调模块和所述幅值解调模块；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发送至所述驱动模态驱动电极。

本发明的用于提升硅微陀螺仪标度因数温度稳定性的方法包括如下步骤：

(S1)设置驱动闭环回路以实现陀螺仪闭环驱动，所述驱动闭环回路跟踪硅微陀螺仪的驱动模态谐振频率ω_x，并产生ω_x的正弦信号sinω_xt，将ω_x和sinω_xt分别输出至标度因数温度补偿模块和所述检测闭环回路；

(S2)设置检测闭环回路以实现陀螺仪闭环检测；所述检测闭环回路包括检测模态驱动电极、检测模态检测电极、哥氏信号解调模块、检测模态闭环控制器和乘法器；检测模态检测电极基于陀螺仪敏感轴角速度Ω产生振动信号；哥氏信号解调模块对检测模态检测电极的振动信号进行解调得到哥氏信号；检测模态闭环控制器基于哥氏信号产生未经标度因数温度补偿的角速度信号，并输入至标度因数温度补偿模块；所述乘法器将来自驱动闭环回路的正弦信号sinω_xt与未经标度因数温度补偿的角速度信号相乘后产生力反馈信号；检测模态驱动电极基于力反馈信号产生振动，以平衡哥氏效应所引起的检测模态检测电极的振动，实现陀螺仪闭环检测；

(S3)设置标度因数温度补偿模块，所述标度因数温度补偿模块基于所述未经标度因数温度补偿的角速度信息和ω_x通过所述标度因数温度补偿模块产生并输出经补偿的角速度输出信号；其中，经补偿的角速度输出信号与ω_x无关。

步骤(S3)进一步包括：设置所述标度因数温度补偿模块将所述未经标度因数温度补偿的角速度信号除以ω_x后再乘以所述固定系数，以产生所述经补偿的角速度输出信号，所述固定系数用于调节温度补偿后的标度因数的数值的量级。

有益效果：与现有技术相比，具有以下优点：

1、带有标度因数温度补偿模态，可以在理论上消除标度因数的温度漂移，提升陀螺仪标度因数温度稳定性；

2、利用陀螺仪检测模态谐振频率补偿标度因数温度漂移，不依赖模型标定与算法补偿，补偿效果独立于陀螺仪输出信号的重复性；

3、无需输入外部激励信号，提升了陀螺仪检测信号的精度与稳定性，且陀螺仪工作带宽不受外部激励信号的限制；

4、无需微平台转动机构，减少了系统微结构的加工难度与制造成本。

附图说明

图1为本发明一个实施例涉及的系统框图；

图2(a)为本发明一个实施例中涉及的未经过等效变换的陀螺仪闭环检测控制框图；

图2(b)为本发明一个实施例中涉及的经过等效变换后的陀螺仪闭环检测控制框图；

图2(c)为本发明一个实施例中涉及的经过等效变换后的陀螺仪等效单位负反馈闭环检测控制框图；

至图2(d)为本发明一个实施例中涉及的硅微陀螺仪闭环检测标度因数温度补偿后的控制框图。

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，本发明的用于提升硅微陀螺仪标度因数温度稳定性的系统包括：陀螺仪驱动闭环回路100、陀螺仪检测闭环回路200、陀螺仪标度因数温度补偿模块300。

其中，陀螺仪驱动闭环回路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。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的振动产生振动信号，该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分别输出至直接数字式频率合成器111和所述标度因数温度补偿模块300。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的正弦信号sinω_xt，并输入至检测闭环回路200。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。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。

硅微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；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、c_x、k_x的值与驱动模态结构参数有关、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。

陀螺仪检测闭环回路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、哥氏信号解调模块207、检测模态闭环控制器208和第二乘法器。检测模态检测电极202对敏感轴角速度Ω进行检测，输出的检测信号依次经由检测模态C/V转换电路204、检测模态A/D转换电路206处理后输入至哥氏信号解调模块207进行解调，得到哥氏信号。检测模态闭环控制器208基于哥氏信号产生未经标度因数温度补偿的角速度信号，并输出至标度因数温度补偿模块300。第二乘法器将未经标度因数温度补偿的角速度信号与sinω_xt相乘后输出力反馈信号。力反馈信号依次经由检测模态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，使得检测模态驱动电极201进行振动，从而利用检测模态驱动电极201的振动抵消所述输入角速度Ω引起的驱动模态检测电极202的振动，实现陀螺仪闭环检测。

硅微陀螺仪检测闭环回路200对应的闭环检测模态的运动方程为：

其中，y为陀螺仪检测模态振动位移，其可以由检测模态检测电极202检测得到。c_y为陀螺仪检测模态阻尼系数，k_y为陀螺仪检测模态刚度系数，c_y、k_y的值与陀螺仪检测模态结构参数相关；F_f为陀螺仪检测模态力反馈信号，由陀螺仪检测闭环回路200中第二乘法器产生并输出；Ω为陀螺仪敏感轴输入角速度。

陀螺仪检测闭环回路200进行闭环检测的目的是通过检测模态驱动电极抵消检测模态检测电极振动位移y。根据式(3)，F_f可表示为：

图2(a)至图2(d)给出了硅微陀螺仪闭环检测控制框图，F_c为陀螺仪检测模态哥氏信号，G_y(s)为陀螺仪检测模态传递函数，K_yc为陀螺仪检测模态位移—电容转换增益，K_cv为陀螺仪检测模态C/V转换增益，F_LPF(s)为哥氏信号解调模块207中低通滤波器对应的传递函数，F_FB(s)为陀螺仪检测模态闭环控制器208对应的传递函数，K_fb为陀螺仪检测模态闭环回路增益，G_equal(s)为陀螺仪检测模态等效传递函数，K_c为陀螺仪标度因数温度补偿固定系数。

图2(a)为未经过等效变换的陀螺仪检测闭环回路200进行闭环检测的控制框图，陀螺仪检测模态的哥氏信号F_c与力反馈信号F_f做差后，输入至陀螺仪检测模态传递函数G_y(s)，产生检测模态检测电极202的位移变化从而造成电容变化。该电容变化经过检测模态C/V转换电路204转换成电压量，该电压量经检测模态A/D转换电路206处理，并在哥氏信号解调模块207中经过乘法调制后滤波，输出哥氏信号并输入至检测模态闭环控制器208产生力反馈控制量，该控制量乘上正弦信号sinω_xt后产生力反馈信号，该力反馈信号经D/A转换和放大后输入至检测模态驱动电极201，用以抵消检测模态检测电极202的振动，从而实现陀螺仪闭环检测。因此，硅微陀螺仪闭环检测的角速度输出可由检测模态闭环控制器208的输出表征。

图2(b)是由图2(a)等效转换之后得到，具体是将检测模态哥氏信号F_c与检测模态力反馈信号F_f环节中的sinω_xt的乘法项等效转换至减法器之后得到。同时图2(b)虚线方框中的环节可经欧拉变换表征为陀螺仪检测模态等效传递函数。

图2(c)是由图2(b)等效转换之后得到，具体是将负反馈环节中的检测模态闭环回路增益K_fb等效转换至正向通路环节。

由图2(c)可以得到陀螺仪闭环检测的等效单位负反馈模型，该等效单位负反馈模型的增益为：

式(5)即为硅微陀螺仪检测闭环回路200闭环检测并输出至标度因数温度补偿模块300的标度因数。式(5)中受温度变化影响的较大的项为驱动模态的谐振频率ω_x，而陀螺仪闭环驱动回路实时跟踪驱动模态谐振频率。因此，在FPGA程序中将陀螺仪检测模态闭环控制器208的输出信号(即未经标度因数温度补偿的角速度信号SF×Ω)输入至标度因数温度补偿模块300。标度因数温度补偿模块300中，将未经标度因数温度补偿的角速度信号SF×Ω除以ω_x后再乘以一个固定系数K_c得到陀螺仪温度补偿后的角速度信号SF_c×Ω。SF_c为陀螺仪温度补偿后的标度因数，基于式(5)有：

图2(d)即为硅微陀螺仪闭环检测标度因数温度补偿后的控制框图，陀螺仪标度因数温度补偿固定系数K_c的作用是将温度补偿之后的标度因数的数值控制在合适的量级。根据式(6)，温度补偿后的标度因数SF_c与驱动模态谐振频率ω_x无关，这反映了本发明的系统和方法能够有效地提升硅微陀螺仪标度因数的温度稳定性。