一种微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统和方法
阅读说明：本技术 一种微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统和方法 (Self-excitation drive-based nonlinear control system and method for micromechanical gyroscope ) 是由 张琰珺 马志鹏 金仲和 郑旭东 于 2020-12-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统和方法,包含位移检测模块、相位偏移模块、幅度控制模块以及驱动模块。其中,检测模块通过载波调制和解调的方式对代表微机械陀螺谐振位移信号进行降噪处理,经过带通滤波器处理得到等效振动位移的正弦电压信号；相位偏移模块将正弦电压信号转为定幅方波电压信号,同时提取谐振频率和幅度,并将方波电压信号进行相移；幅度控制模块通过自动增益控制方法将谐振幅度控制在参考幅度上,生成目标方波电压信号；驱动模块通过一个推挽电路将目标方波信号施加在陀螺的驱动电极上,实现陀螺的闭环控制。本发明原理简单,实现方便,能应用于各类非线性情况下的陀螺以及其他谐振器高精度控制。(The invention discloses a self-excitation driving based nonlinear control system and a self-excitation driving based nonlinear control method for a micromechanical gyroscope. The detection module performs noise reduction processing on a resonance displacement signal representing the micromechanical gyroscope in a carrier modulation and demodulation mode, and a sinusoidal voltage signal of equivalent vibration displacement is obtained through processing of a band-pass filter; the phase shift module converts the sinusoidal voltage signal into a constant-amplitude square wave voltage signal, extracts the resonant frequency and amplitude at the same time, and shifts the phase of the square wave voltage signal; the amplitude control module controls the resonance amplitude on a reference amplitude through an automatic gain control method to generate a target square wave voltage signal; the driving module applies a target square wave signal to a driving electrode of the gyroscope through a push-pull circuit to realize closed-loop control of the gyroscope. The invention has simple principle and convenient realization, and can be applied to the high-precision control of the gyroscope and other resonators under various nonlinear conditions.)
技术领域
本发明涉及微机械陀螺仪领域，尤其涉及一种微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统和方法。
背景技术
微机械陀螺是一种用于测量角速度的传感器，由于其体积小、重量轻、低功耗、低成本、易于集成等优点，被广泛用于消费电子、工业、航空航天和军事等领域。在一定范围内，提高陀螺谐振位移幅值可以提高陀螺信号的灵敏度和信噪比，从而实现陀螺的性能提高。随着陀螺谐振位移幅值的增大，由机械和静电产生的非线性刚度越加突出。在非线性情况下，陀螺的幅频特性、相频特性存在一个非稳态区域，导致陀螺稳定工作难以实现。
在非线性情况下，幅值与相位、频率与相位关系都呈现为单值函数关系，且频率-相位曲线存在两个斜率为零的点，因此陀螺具备在非线性状态下稳定工作的潜力。为实现微机械陀螺在大振幅条件下的稳定工作，需要对陀螺工作的相位和幅度进行稳定控制。
陀螺的相位控制方法一般有两类：第一类为锁相环(PLL,Phase Locked Loop)，第二类为自激驱动。锁相环的相位控制通过比较陀螺工作相位信号与参考相位得到相位误差信号，再反馈给比例、积分、微分控制器处理，实时调整驱动力信号的频率，使陀螺工作相位信号等于参考相位，从而实现频率跟踪；自激驱动基于环路内部相移之和为2π的整数倍的原理，通过增加移相环节来对陀螺工作相位进行控制。
现有报道中采用的锁相环在非线性较为突出的情况下陀螺相位控制能力有限，而且与幅值增益控制(AGC,Amplitude Gain Control)配合使用时，两者解耦困难，难以满足非线性条件下微机械陀螺中的应用需求。因此本发明采用基于自激驱动的非线性相位控制方法。
现有报道中的基于自激驱动的相位控制方法中，相位控制功能采用模拟电路方式实现，灵活度有限，难以实时提取谐振频率和幅度，集成程度较低，难以满足在各类非线性微机械陀螺或谐振器结构中的应用。因此，在实际应用中，如何更为灵活的实现非线性情况下对相位进行稳定控制，是微机械陀螺领域目前尚未解决的问题。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了面向一种微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统和方法，该方法基于FPGA数字控制电路实现在非线性情况下的幅度和相位控制，提高微机械陀螺的精度与稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的其中一个目的在于提供一种微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统，包括：
位移检测模块，其包括检测电极、电容/电压转换模块、调制模块、解调模块和带通滤波器；
所述的调制模块用于对微机械陀螺中电容变化信号的频率进行载波调制；所述的检测电极用于检测由陀螺谐振位移产生的电容变化信号；所述的电容/电压转换模块用于将电容变化信号转化为电压检测信号；所述的解调模块用于对载波调制后得到的电压检测信号进行解调；所述的带通滤波器用于滤除电压检测信号中的噪声，输出包含谐振位移信息的电压信号；
相位偏移模块，其包括比较器和移相器；
所述的比较器用于将包含谐振位移信息的电压信号转化为定幅的方波电压信号，并提取信号的谐振频率和谐振幅度，经幅度调整后输出目标方波电压信号；所述的移相器用于根据信号的谐振频率以及预设的参考相位进行延时，将所述目标方波电压信号进行相移；
幅度控制模块，其用于将所述比较器提取到的谐振幅度与预设的参考幅度进行比较，得到偏差量；再经过比例、积分和微分计算得到方波电压信号的幅度修正值，生成目标方波电压信号；
驱动模块，其包括DA转换器和推挽电路；
所述的DA转换器用于将移相后的目标方波信号由数字形式转换为模拟信号形式；所述的推挽电路用于根据模拟信号产生差分驱动电压信号，施加在微机械陀螺的驱动电极上，实现陀螺自激环路的闭环控制。
本发明的另一个目的在于提供一种采用上述系统的自激驱动的非线性控制方法，包括如下步骤：
1)微机械陀螺初始化；
2)开始闭环检测，设定参考相位和参考幅度；
3)在FPGA中产生一个载波信号并通过DA转换器和放大电路施加在微机械陀螺的质量块上，对微机械陀螺振动位移产生的电容变化信号进行载波调制，经过电容/电压转换模块得到数字电压信号；在FPGA中对数字电压信号进行解调和带通滤波处理，滤除电压信号中的噪声，得到包含谐振位移信息的数字电压信号；
4)采用比较器，将包含谐振位移信息的数字电压信号转化为定幅的方波电压信号，并实时提取信号的谐振频率和谐振幅度，所述的谐振频率以正/负半周期计数、升/降半周期计数两种方式实时提取和校正；
5)将所述比较器提取到的谐振幅度与预设的参考幅度进行比较，得到偏差量；再经过比例、积分和微分计算得到方波电压信号的幅度修正值，生成目标方波电压信号；
6)通过移相器根据信号的谐振频率以及预设的参考相位进行延时，将所述目标方波电压信号进行相移；
7)将移相后的目标方波信号由数字形式转换为模拟信号形式，通过推挽电路产生差分驱动电压信号，施加在微机械陀螺的驱动电极上，实现陀螺自激环路的闭环控制；
8)闭环稳定工作，目标方波信号的相位和幅值趋于稳定，并能够在外界环境扰动下维持恒定相位、恒定幅值的自激谐振状态。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
1)本发明的相位偏移模块和幅度控制模块均基于FPGA的数字方式实现，相较现有报道中的模拟实现方式集成程度更高，使用范围更广泛；实现方式简单，灵活程度高，修改成本低；控制精度高，温度特性更好，抗噪能力强。
2)本发明的相位偏移模块中的比较器可以两种方式(正/负半周期计数、升/降半周期计数)完成信号频率的实时提取并相互纠错，且可以同时完成信号幅值的提取，并确保频率提取结果的准确性。
3)本发明的工作相位控制方法为非线性影响下实时、可控的，可使微机械陀螺工作在相位可调模式；在非线性影响下的相位控制过程中，预设的参考相位通过移相器延迟时间的方式完成目标信号的相移操作，以此等效改变陀螺工作相位，整个调节过程方便可控。
4)本发明基于自激驱动原理，相比锁相环在非线性影响的情况下拥有更好的相位控制能力。本发明采用方波驱动，可将包含谐振位移信息的电压信号转为实时输入幅值的方波电压信号，稳定性高，抗噪能力好。同时该幅值可以通过AGC环路进行控制，而且幅度和相位控制环路两者互相解耦，提高了相位和幅度的控制精度。
附图说明
图1是本发明中微机械陀螺的闭环控制框图；
图2是本发明中微机械陀螺自激驱动非线性控制方法的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
如图1所示，以微机械环式陀螺为例，本发明的微机械环式陀螺包含：
(1)位移检测模块，包括检测电极、电容/电压转换模块、调制模块、解调模块、带通滤波器；
其中，检测电极用于检测由陀螺谐振位移产生的电容变化信号；电容/电压转换模块用于将电容变化信号转化为电压检测信号；调制模块用于对信号进行调制，将电容变化信号调制一个较高的频率上；解调模块是对载波调制信号进行还原；带通滤波器采用IIR低通滤波器与IIR高通滤波器级联的结构，用于滤除电压检测信号中的带宽外的噪声，如载波解调后的载波二倍频信号、方波驱动信号中包含的奇数倍频高频信号、直流信号等，输出包含谐振位移信息的电压信号。在本实施例中，所述的包含谐振位移信息的电压信号为等效谐振位移的正弦电压信号。
(2)相位偏移模块，包括比较器、移相器；
其中，比较器将包含谐振位移信息的电压信号转为定幅的方波电压信号，并提取信号的谐振频率和谐振幅度；移相器根据信号的谐振频率以及预设的参考相位进行延时，将所述方波电压信号进行相移；移相后的方波电压信号输出到驱动模块上，实现陀螺的相位闭环控制。
在本发明的一项具体实施中，相位偏移模块中的比较器在输入为正值时，其输出为实时输入幅值，在输入为负值时，其输出为负的实时输入幅值，将包含谐振位移信息的电压信号转为定福的方波电压信号。更具体的，所述的相位偏移模块中包含两个比较器：
比较器一：在位移等效电压输入为正值时，其输出为预设的正幅值，在位移等效电压输入为负值时，其输出为预设的负幅值，将包含谐振位移信息的电压信号转为定幅的方波电压信号，该方法为正/负半周期计数方式；
比较器二：在速度等效电压输入(即位移等效电压的变化率)为正值时，其输出为预设的正幅值，在速度等效电压为负值时，其输出为预设的负幅值，将包含谐振位移信息的电压信号转为定幅的方波电压信号，该方法为升/降半周期计数方式。
所述的相位偏移模块中进行谐振频率提取的方法为：在上述两个比较器输出为正值/负值时，分别记录其时钟周期数，获得包含谐振位移信息的电压信号正半周期与负半周期的值，相加后得到包含谐振位移信息的电压信号的周期，在每个正/负半周期结束时进行一次周期数值更新，从而完成实时频率提取。同时，以同样的方法以第一个比较器计数得到信号的频率，与第二个比较器计数进行相互校正以确保频率提取结果的正确性。
在本发明的一项具体实施中，利用寄存器将方波电压信号进行相移，具体为：相位偏移模块中的数字移相器将目标方波电压信号不断输入数组，并在每个时钟上升沿将数组中的信号转移到下一个寄存器；根据信号频率与实时输入的目标相位计算得到输出信号所在寄存器的编号，从而完成方波信号的移相。
(3)幅度控制模块；
通过幅度增益控制方法，将上述比较器提取的谐振幅度与参考幅度进行比较，得到偏差量，经过比例、积分和微分计算得到方波电压信号的幅度修正值，生成目标方波电压信号；
(4)驱动模块，其包括DA转换器和推挽电路；
所述的DA转换器用于将数字目标方波信号转换为模拟目标方波信号，所述的推挽电路用于产生差分驱动电压信号，施加在陀螺的驱动电极上，实现陀螺自激环路的闭环控制。
位移检测模块中，在FPGA中产生一个载波信号并通过DA转换器和放大电路施加在微机械陀螺的质量块上，施加载波对微机械环式陀螺振动位移产生的电容变化信号进行调制，经过CV接口电路和AD转换器得到数字电压信号；在FPGA中对信号进行解调和带通滤波处理，得到表征谐振位移信息的数字电压信号；
相位偏移模块是通过一个比较器，将表征谐振位移信息的数字电压信号转化为定幅方波电压信号，比较器以两种实时频率提取方式(正/负半周期计数、升/降半周期计数)完成信号频率的实时提取，同时完成信号的幅值提取；并利用寄存器将所述方波电压信号进行相移，实现相位控制目的；
幅度控制模块是在FPGA中通过自动增益控制方法，将上述提取的谐振幅度与参考幅度进行比较得到偏差量，经过比例、积分和微分计算得到方波控制电压信号的幅度修正值，并结合相位偏移模块输出的单位移相方波信号，生成目标方波控制电压信号，实现幅值控制目的；
驱动模块通过DA转换器将数字目标方波信号转换为模拟目标方波信号，并利用一个模拟推挽电路产生差分驱动电压信号，施加在陀螺的驱动电极上，实现陀螺驱动闭环控制。
在闭环工作状态下，相位偏移模块和幅度控制模块将陀螺工作相位和幅度控制至参考状态，从而实现非线性影响较大的情况时陀螺的稳定工作。上述系统的控制方法主要步骤可分为：
1)初始化过程，由于外界噪声的存在，微机械陀螺在热噪声作用下的发生微弱谐振运动，通过位移检测模块可以提取出陀螺的谐振频率；
2)开始闭环，设定参考相位和参考幅度，相位偏移模块将通过位移检测模块获取的包含谐振位移的正弦电压信号转换成定幅的方波电压信号，并实时更新谐振频率和幅值，根据参考相位和更新的谐振频率计算出实现相移所需的寄存器数量，并完成移相操作；同时，幅度控制模块会根据参考幅度和更新的幅值计算出目标方波信号的幅值，结合相位偏移模块生成目标方波信号，驱动模块将移相后的方波电压信号通过平行板电容结构的驱动电极上转为施加在陀螺结构上的驱动力，使陀螺敏感结构被激振，完成自激环路的闭环；
3)闭环稳定工作，闭环经过一段时间，目标方波信号的相位和幅值趋于相对稳定，并能够在外界环境扰动下维持恒定相位、恒定幅值的自激谐振状态。
在本发明的一项具体实施中，步骤2)为本发明的核心过程，进一步将步骤2)的具体过程描述如下：
2.1)在FPGA中产生一个载波信号并通过DA转换器和放大电路施加在微机械陀螺的质量块上，对微机械陀螺振动位移产生的电容变化信号进行载波调制，经过电容/电压转换模块得到数字电压信号；在FPGA中对数字电压信号进行解调和带通滤波处理，滤除电压信号中的噪声，得到包含谐振位移信息的数字电压信号；
2.2)采用比较器，将包含谐振位移信息的数字电压信号转化为定幅的方波电压信号，并实时提取信号的谐振频率和谐振幅度，所述的谐振频率以正/负半周期计数、升/降半周期计数两种方式实时提取和校正；
2.3)将所述比较器提取到的谐振幅度与预设的参考幅度进行比较，得到偏差量；再经过比例、积分和微分计算得到方波电压信号的幅度修正值，生成目标方波电压信号；
2.4)通过移相器根据信号的谐振频率以及预设的参考相位进行延时，将所述目标方波电压信号进行相移；
2.5)将移相后的目标方波信号由数字形式转换为模拟信号形式，通过推挽电路产生差分驱动电压信号，施加在微机械陀螺的驱动电极上，实现陀螺自激环路的闭环控制；
为了证明本发明的控制效果，对本发明中微机械陀螺自激驱动非线性控制方法进行了仿真分析，仿真结果如图2所示。可见位移信号幅度在自激驱动闭环中逐渐趋于稳定，正弦位移信号在经过比较器后被转为定幅方波信号，移相器将定幅方波信号进行了预设参考相位的延时，环路按照设计中的情况正常运行。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。