一種高精度的微機械陀螺現場模態匹配方法與流程
2023-12-09 19:46:41 1
本發明涉及微機械陀螺，尤其涉及一種高精度的微機械陀螺現場模態匹配方法。
背景技術：
微機械陀螺具有體積小、功耗低、可批量生產等特點，在工業和民用領域有著廣泛的應用前景。近幾年來，微機械陀螺的性能指標不斷提高，顯示出了高精度應用的潛力，如慣性導航單元。
微機械陀螺又叫科氏振動陀螺，是基於兩個振動模態的能量交換機制，即驅動模態和振動模態。通常的，兩個模態的諧振頻率設計為相等。這樣，模態匹配陀螺利用品質因數放大效應能大大抑制系統檢測噪聲。為了實現高檢測解析度，兩個模態的諧振頻率通常設計為相等。然而，工藝偏差和工作環境的溫度波動都將不可避免地導致模態分離。
為了解決這個問題，全球的高校和研究機構都在設計開發一種模態調諧技術，並取得了一些成果。其中，有文獻通過後加工方法，如多晶矽沉澱、雷射整形，通過改變質量塊的質量來調整諧振頻率。也有文獻利用了靜電彈簧效應來改變彈性係數，在平行板電容上易於實現。除此之外，有文獻基於正交信號在模態匹配狀態下達到最大值這一現象，提出了一種模態調諧方法。然而，由於工作在開環下，調諧耗時過長，尤其是在高品質因數的情況下。殘餘正交誤差的相位信息也能被用於實現模態匹配，但是當有角速度輸入時此方法會失敗。也有報導一種基於模糊和神經網絡算法的實時模態匹配方法，其最大的不足是需要對每個器件進行額外的測試，這對批量製造而言非常不合需求。
技術實現要素：
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種高精度的微機械陀螺現場模態匹配方法。
本發明的技術方案如下：
高精度的微機械陀螺現場模態匹配方法是在常規力平衡控制環路的基礎上對正交路輸出進行閉環控制，將控制力作為調諧信號，施加於檢測模態可調諧的微機械陀螺的調諧結構上，調整微機械陀螺檢測模態的諧振頻率，使檢測模態的諧振頻率相等於驅動模態的諧振頻率，實現兩個振動模態的頻率匹配。
一種高精度的微機械陀螺現場模態匹配方法的具體步驟如下：
1)檢測模態電容-電壓轉換模塊檢測可調諧微機械陀螺由於角速度輸入或驅動耦合產生的振動信號，將該振動信號轉換成可測量的電壓信號，輸出到零偏路信號和正交路信號提取模塊，同時完成載波調製。
2)零偏路信號和正交路信號提取模塊對檢測模態電容-電壓轉換模塊輸出的電壓信號提取零偏路信號與正交路信號，提取方法是通過載波解調、正交雙路解調與濾波，得到零偏路信號和正交路信號，將兩者輸出到雙路信號控制模塊。
3)雙路信號控制模塊根據零偏路信號和正交路信號提取模塊輸出的零偏路信號和正交路信號產生零偏路輸出和正交路輸出，零偏路輸出進入到平衡力產生模塊，正交路輸出進入到平衡力產生模塊和調諧信號產生模塊。
4)平衡力產生模塊利用雙路信號控制模塊提供的零偏路輸出和正交路輸出，進行雙路信號調製，相加產生平衡力，輸出到微機械陀螺的平衡力輸入端。
5)調諧信號產生模塊對雙路信號控制模塊的正交路輸出進行控制，根據得到的控制算法的輸出產生調諧電壓，輸出到微機械陀螺的調諧信號輸入端。
進一步的，所述雙路信號控制模塊產生零偏路輸出和正交路輸出的步驟為：將雙路信號提取模塊輸出的零偏路信號和正交路信號分別與參考值進行對比，得到誤差信號，將誤差信號通過控制算法控制到零，從而將雙路信號自動地控制到參考值。
進一步的，所述調諧信號產生模塊對正交路輸出進行控制的步驟為：將正交路輸出與參考值進行對比，得到誤差信號，將誤差信號通過控制算法控制到零，從而將正交路輸出自動地控制到參考值。
本發明公開了一種高精度的微機械陀螺現場模態匹配裝置，包括檢測模態電容-電壓轉換模塊、零偏路信號和正交路信號提取模塊、雙路信號控制模塊、平衡力產生模塊、調諧信號產生模塊、檢測模態可調諧的微機械陀螺，所述的檢測模態電容-電壓轉換模塊與檢測模態可調諧的微機械陀螺相連，零偏路信號和正交路信號提取模塊與檢測模態電容-電壓轉換模塊的輸出端相連，零偏路信號和正交路信號提取模塊的零偏路信號和正交路信號與雙路信號控制模塊相連，雙路信號控制模塊的零偏路輸出和正交路輸出與平衡力產生模塊相連，平衡力產生模塊與檢測模態可調諧的微機械陀螺的平衡力輸入端相連，調諧信號產生模塊與雙路信號控制模塊的正交路輸出相連，調諧信號產生模塊與檢測模態可調諧的微機械陀螺的調諧信號輸入端相連。
本發明與現有技術相比具有的有益效果是：
1)本發明工作在閉環控制環路中，能夠快速高精度調諧。
2)本發明具有角速度檢測模式和調諧模式兩種工作模式，對外界角速度輸入具有魯棒性。
3)本發明可在不增加硬體成本的基礎上提高微機械陀螺系統的穩定性。
附圖說明
圖1是本發明中的微機械陀螺現場模態匹配方法原理圖。
圖中，可調諧微機械陀螺1指的是檢測模態可調諧的微機械陀螺，信號檢測模塊2指的是檢測模態電容-電壓轉換模塊，雙路信號提取模塊3指的是零偏路信號和正交路信號提取模塊。
圖2是本發明中的雙路信號控制示意圖。
圖3是本發明中的平衡力產生示意圖。
圖4是本發明中的調諧信號產生示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，微機械陀螺現場模態匹配方法的步驟如下：
1)檢測模態電容-電壓轉換模塊是指檢測可調諧微機械陀螺由於角速度輸入或驅動耦合產生的振動信號，將該振動信號轉換成可測量的電壓信號，零偏路信號和正交路信號提取模塊，同時完成載波調製。對於位移檢測方式而言，檢測的電壓信號反映了位移信息，對於速度檢測方式而言，檢測的電壓信號反映了速度信息。載波信號在具體實施時可通過坐標旋轉數字計算機算法或是直接數字式頻率合成等方法來產生。
2)零偏路信號和正交路信號提取模塊對檢測模態電容-電壓轉換模塊輸出的電壓信號提取零偏路信號與正交路信號，提取方法是通過載波解調、正交雙路解調與濾波，得到零偏路信號和正交路信號，將兩者輸出到雙路信號控制模塊。
3)雙路信號控制模塊根據零偏路信號和正交路信號提取模塊輸出的零偏路信號和正交路信號，通過控制算法產生零偏路輸出和正交路輸出。零偏路輸出進入到平衡力產生模塊，正交路輸出進入到平衡力產生模塊和調諧信號產生模塊。
4)平衡力產生模塊利用雙路信號控制模塊提供的零偏路輸出和正交路輸出，進行雙路信號調製，相加產生平衡力，輸出到微機械陀螺的平衡力輸入端。
5)調諧信號產生模塊對正交路輸出進一步進行控制，根據得到的控制算法的輸出產生調諧電壓，輸出到微機械陀螺的調諧信號輸入端。
本發明具備兩種工作模式：當使用常規力平衡控制環路來檢測外界角速度輸入時，為角速度檢測模式，調諧信號產生模塊不工作；當使用所述微機械陀螺現場模態匹配方法來實現模態匹配時，為調諧模式，調諧信號產生模塊開始工作。
如圖2所示，所述雙路信號控制模塊是將如步驟3)所述的零偏路信號和正交路信號，分別與參考值進行對比，得到誤差信號，將誤差信號通過控制器控制到零，從而將雙路信號自動地控制到參考值。具體實施時控制算法可採用比例-積分控制的方式。角速度檢測模式下，兩個參考值都設置為零；調諧模式下，零偏路信號的參考值設置為非零，正交路信號的參考值設置為零。僅在角速度檢測模式下將正交路輸出實時存儲在寄存器中，該正交路輸出具有一個典型值。
如圖3所示，所述平衡力產生模塊是將如步驟4)所述的零偏路輸出和正交路輸出，進行雙路信號調製，相加產生平衡力。用於調製的雙路信號在具體實施時可通過坐標旋轉數字計算機算法或是直接數字式頻率合成等方法來產生兩路相互正交的信號。
如圖4所示，所述調諧信號產生模塊是將如步驟5)所述的正交路輸出與參考值進行對比，得到誤差信號，將誤差信號通過控制器控制到零，從而將正交路輸出自動地控制到參考值。具體實施時控制算法可採用比例-積分控制的方式。調諧模式下，正交路輸出的參考值設置為正交路輸出的典型值。