一種適用於寬量程的陀螺儀控制方法和控制系統與流程
2023-05-17 09:16:56
本發明屬於MEMS(Micro-ElectroMechanicalSystem)傳感器
技術領域：
，具體地，涉及一種用於檢測物體角速率的微機械振動結構陀螺儀的控制方法和控制系統。
背景技術：
：近年來，隨著微機械技術的不斷發展，振動結構陀螺儀得到了廣泛的應用，其中以陶瓷、金屬、矽材料製造的音叉式、圓柱式、半球式和環形結構的陀螺儀為主。這些陀螺儀的統一之處在於它們需外加驅動力激勵振動結構振動於自身的自然諧振頻率下(第一運動模態，也稱載波模態)，而當在敏感軸上有角速率輸入時，產生哥氏力的作用，使第一模態的運動耦合出第二運動模態(響應模態)。在這些振動結構陀螺儀中，矽微振動結構陀螺儀以其低成本、小體積、低能耗、輕質量的優點被廣泛應用於車輛動態控制系統和汽車導航系統中，這些應用領域需要陀螺儀具備很寬的角速率測量範圍。同時這種矽微振動陀螺儀還以其強堅固性具備很好的環境適用性，而被應用於飛機導航和軍事慣導領域，這些應用領域都要求陀螺儀工作於很寬的角速率範圍內。為適用寬量程的需求，可以通過擴大陀螺儀的量程範圍實現，然而，一味的加大量程，會導致其在噪聲和零偏等指標上的性能惡化，更會惡化其在小量程應用時的精度。技術實現要素：本發明要解決的技術問題是：克服現有技術的不足，根據眾多應用領域對角速率陀螺儀寬量程工作條件的需求，提供一種適用於寬量程的陀螺儀控制方法和控制系統，使其能夠滿足大量程工作時的性能需求，同時又不降低小量程應用時的精度。本發明解決上述技術問題的技術方案包括：一種振動結構陀螺儀的控制方法，包括以下步驟：(1)選定能夠滿足要求的振動結構陀螺儀的第一模態振幅的設定值V0，作為零角速率輸入時第一模態的目標振幅；在陀螺儀的敏感結構特性和電路檢測增益已經確定的前提下，提高陀螺儀精度的唯一途徑是放大第一模態的振幅值，這樣相同角速率輸入時，第一模態振幅越大，耦合出的第二模態振幅越大，然而這樣卻很容易使得第二模態的抵消力達到飽和，同時在實際應用中，任何振動結構陀螺儀都有一個最大振動位移極限，這由很多因素決定，包括電路可獲得的最大驅動力，振動結構的斷裂極限等。故需要在陀螺儀測量精度、振動位移極限、以及第二模態可獲得的最大抵消力的折中考慮下，選定能夠滿足要求的第一模態運動振幅的設定值V0，作為零角速率輸入時第一模態的目標振幅。(2)選定角速率閾值Ωth讓第一模態在步驟(1)中給定的運動振幅設定值V0的對應目標振幅下穩幅振動，同時輸入角速率，且使角速率不斷增大，監測第二模態閉環控制環路中用於抵消哥氏力引起的第二模態振幅的抵消力，當該抵消力即將達到極限值附近時，選定此時的輸入角速率為角速率閾值Ωth；選定的角速率閾值Ωth要使第二模態的抵消力保留一定大小的餘量；(3)依據輸入角速率的大小選擇不同的工作模式當輸入角速率低於步驟(2)選定的角速率閾值Ωth時，第一模態振幅的設定值保持V0不變，即第一模態工作於穩幅狀態，此時輸出的角速率正比於第二模態抵消力的大小，在第二模態工作於閉環控制系統下，輸入角速率正比於第二模態運動振幅對應的實分量的大小。Ωout=FC2mv=kVSSrV0ω]]>其中，V0為第一模態振幅設定值對應的電壓量，ω為振動結構陀螺儀的諧振頻率，k為包括質量、模態耦合、電路放大倍數在內的常數，其值依振動結構和控制電路特性決定，VSSr為第二模態運動振幅對應的實分量；m為陀螺敏感結構質量，v為第一模態的有效振速，FC為哥氏力。當角速率高於該閾值Ωth時，維持第二模態抵消力在小於其極限值附近保持不變，此時監測到的VSSr基本維持不變，同時按比例的實時調整降低第一模態的振幅，即第一模態工作於變振幅狀態，此時輸出的角速率與第一模態的振幅成反比關係，輸入角速率越大，第一模態振幅越小；此大角速率模式下的角速率輸出由下式得出：Ωout=kVSSrVAGCω]]>其中，VAGC為第一模態檢測的振幅值，ω為振動結構陀螺儀的諧振頻率，k為包括質量、模態耦合、電路放大倍數在內的常數，VSSr為第二模態運動檢測的實分量，VSSr基本維持在一定值附近，變化的是依據輸入角速率調整的第一模態檢測的振幅值VAGC。在輸入角速率大於角速率閾值Ωth和小於角速率閾值Ωth的兩種工作模態下，輸出的角速率刻度因子會發生改變，需要在角速率輸出環節對刻度因子進行標定，以使系統達到一致的角速率刻度因子。一種振動結構陀螺儀的控制系統，包括：第一模態控制環路、第二模態控制環路和振幅調整環路；在第一模態控制環路中，由鎖相環路和自動增益控制環路組成；第一模態運動檢測端輸出的位移信號經過鑑相器和鑑幅器解調；鑑相器得到位移信號與驅動信號的相位差經過濾波器濾波後輸出到數控振蕩器或壓控振蕩器，調整數控振蕩器或壓控振蕩器的頻率，使得施加的驅動信號和諧振運動位移信號的相位差保持90度的相位差，這種90度相位差可使振動環在諧振頻率上最大幅值運動；自動增益控制環路中，由鑑幅器得到振幅信號VAGC，與第一模態振幅的給定值V0通過比較器進行比較，然後輸入到濾波器進行濾波處理後得到施加給第一模態的驅動力，該驅動力經調製器調製到鎖相環環路中的數控振蕩器或壓控振蕩器提供的頻率上，然後施加到第一模態驅動端上，自動增益控制環路通過實時調整驅動力的值使得振動環的振動幅度保持在給定振幅上，也就是使第一模態檢測端的輸出幅值信號始終跟蹤給定振幅。根據上述
發明內容，當轉速低於角速率閾值Ωth時，第一模態維持穩幅振動；當轉速大於角速率閾值Ωth時，第一模態的振幅隨角速率的增大而減小；第二模態由抵消環路和去耦合環路組成。第二模態運動檢測端輸出的第二模態振動位移信號經過解調器分解成角速率引起的運動的cosωt分量和sinωt分量，cosωt分量信號經過實環路濾波器濾波，sinωt分量信號經正交環路濾波器濾波，濾波後所得到的實分量VSSr和正交分量VSSq分別經過再調製器調製，再調製器將濾波後的實分量VSSr與sinωt相乘，調製到sinωt相位上，將濾波後正交分量VSSq與cosωt相乘，調製到cosωt相位上，再調製後的兩路信號輸入給電壓加法器相加，得到的驅動力VSSr*sin(ωt(+VSSq*cos(ωt)施加給第二模態驅動端，以保持第二模態檢測端的檢測信號為零，其中抵消環路用抵消力VSSr*sin(ωt)抵消哥氏力引起的位移，而耦合環路用平衡力VSSq*cos(ωt)平衡掉由於耦合誤差角引起的位移。振幅調整環路連接於第二模態閉環環路和第一模態閉環控制環路之間，振幅調整環路包括角速率計算模塊，將第二模態閉環控制環路中的cosωt分量環路濾波器輸出的實分量信號VSSr與第一模態閉環控制環路的鑑幅器輸出的振幅信號VAGC相除，得到的輸出信號Ωapp正比於角速率，信號Ωapp輸入給振幅調整模塊，該振幅調整模塊以調整係數β乘以陀螺儀零角速率輸入時的第一模態振幅的設定值V0，然後經濾波器濾波後作為第一模態動態響應振幅提供給第一模態自動增益控制環路，其中調整係數β由下式得到：β=1ΩTH|Ωapp|10ΩTH|Ωapp|當外加角速率小於等於角速率閾值Ωth時，調整係數β等於1，第一模態振幅的設定值VΩ將等於零角速率輸入時的設定值V0，當外加角速率大於角速率閾值Ωth時，調整係數β小於1，第一模態振幅的設定值將在零角速率輸入時的設定值V0的基礎上乘以小於1的調整係數β，且外加角速率越大，該調整係數β越小，第一模態振幅的設定值VΩ越小。當繼續減小VΩ，陀螺儀精度已經不能在達到系統要求時，VΩ也就到達其最小極限值。同時，信號Ωapp還通過角速率濾波器進行刻度因子的標定和角速率濾波，產生最終的角速率輸出信號Ωout。本發明與現有技術相比具有以下有益效果：本發明涉及的適用於寬量程的振動結構陀螺儀的控制方法能夠在不惡化低轉速工作模式下的陀螺儀性能的基礎上，適用於超大量程工作模式下使用。滿足了車輛動態控制系統，汽車導航系統以及飛機導航和軍事慣導等應用領域中對角速率測量器件超寬量程的工作需求，即保證了低轉速下高靈敏度的要求，又滿足了大角速率測量的需求。在由於根據本發明的振動結構陀螺儀的控制系統用於執行上述的方法，因此，具有與根據本發明的方法相同的技術效果。附圖說明圖1為本發明涉及的振動結構陀螺儀cos2θ振動模態示意圖；圖2為根據本發明的適用於寬量程振動結構陀螺儀的控制系統示意圖。具體實施方式下面將結合附圖和具體實施例對根據本發明的適用於寬量程的振動結構陀螺儀的控制方法和控制系統作進一步詳細的描述。金屬或者矽材料製造的圓柱、半球或平面環陀螺儀以其結構上的對稱性等特點具有較好的工作特性，本發明以矽微平面環形陀螺儀為例進行闡述。環形振動陀螺儀工作於典型的cos2θ的振動模式下，如圖1所示。在環形平面內的水平方向和垂直方向為徑向軸的模態為第一模態，當陀螺垂直於圓環表面的方向有角速率輸入，即陀螺繞著平面旋轉時，產生的哥氏力將能量耦合到第一模態相交45°方向的第二模態，哥氏力大小表達式為：Fc＝2m*v*ΩAPP其中，m為陀螺敏感結構質量，v為第一模態的有效振速，ΩAPP為外加角速率。在典型的陀螺儀控制系統中，保持第一模態的振動幅度為固定值，即讓第一模態穩幅振動，而振速v為振幅的導數，這樣有效振速v為定值，從而哥氏力直接正比於角速率ΩAPP。為提高陀螺儀的測量精度，要使其敏感結構儘量趨於均勻和理想，達到能夠精確匹配第一模態和第二模態的諧振頻率，提高在同樣的角速率輸入下，由哥氏力引起的第二模態運動幅值，該運動被第二模態的Q值放大，從而提高振動結構陀螺儀的靈敏度。然而當工作於開環模式下，陀螺的靈敏度(刻度因子)將依賴於第二模態的Q值的大小，而該Q值隨溫度變化很大。可通過閉環控制模式，用與轉速成正比關係的驅動力將第二模態的運動實時地抵消掉，來改善溫度變化帶來的誤差。在此閉環控制模式下，角速率由下式給出：Ωout=FC2mv=kVSSrV0ω]]>其中，V0為第一模態振幅設定值對應的電壓量，ω為振動結構陀螺儀的諧振頻率，k為包括質量、模態耦合、電路放大倍數在內的常數，VSSr為第二模態運動檢測的實分量。此模式下的陀螺，可檢測到的最小轉速值敏感結構Q值，諧振頻率、耦合係數、以及模態運動檢測端的靈敏度，這由陀螺儀的敏感結構特性和檢測電路的電子噪聲等幹擾決定。如果這些參數固定不變，提高振動環陀螺的靈敏度唯一的途徑是在一定的應用角速率下加大第二模態的運動，即相同的應用角速率下加大哥氏力的作用，這可通過增加第一模態的驅動力來產生更大的振幅實現，在該控制系統中就要提高第一模態振幅的設定值V0。應很多應用領域的需要，要求陀螺儀不僅有高的靈敏度，又能夠在高轉速模式下工作。然而，受振動結構陀螺儀第二模態運動的驅動力能力的限制，當大於一定值的角速率時，過大的哥氏力使得第二模態驅動端無法提供足夠大的驅動力來抵消由角速率引起的運動，從而導致輸出角速率的飽和。那麼，對於給定敏感結構和電路增益，要想擴大量程，就要降低同樣角速率引起的哥氏力的大小，即需要降低第一模態的振幅。然而，這種解決方法惡化了振動結構陀螺的信噪比，降低了靈敏度。所以，量程和靈敏度兩個性能指標互相制約，需要折中考慮。本發明中，提供了一種改進的控制方法，在不損傷低轉速性能的前提下，擴大陀螺儀量程，即陀螺儀在維持低轉速時的最優靈敏度的同時能夠測量更高的轉速。首先，考慮到在陀螺儀的敏感結構特性和電路檢測增益已經確定的前提下，提高精度的唯一途徑是放大第一模態的振幅值，然而，這樣又很容易使得第二模態的抵消力達到飽和，且在實際應用中，任何振動結構陀螺儀都有一個最大振動位移極限，這由很多因素決定，包括可獲得的最大驅動力，振動結構的斷裂極限等。故需要在陀螺儀測量精度、振動位移極限、以及第二模態可獲得的最大抵消力的折中考慮下，選定能夠滿足要求的第一模態運動振幅的設定值V0，作為零角速率輸入時第一模態的目標振幅。其次，選定一角速率閾值Ωth，當轉速低於該閾值時，第一模態振幅的設定值保持V0不變，即第一模態工作於穩幅狀態，此時輸出的角速率正比於第二模態抵消力的大小；當轉速高於該閾值時，維持第二模態抵消力在小於其極限值附近保持不變，同時按比例的實時調整降低第一模態的振幅，即第一模態工作於變振幅狀態，此時輸出的角速率與第一模態的振幅成反比關係，輸入角速率越大，第一模態振幅越小。角速率閾值通常選定在接近第二模態抵消力的極限值附近，並保留一定大小的餘量，同時，輸入角速率大於和小於設定閾值Ωth時，輸出的角速率刻度因子會發生改變，需要在角速率輸出環節對刻度因子進行標定。此模式下的角速率輸出由下式得出：Ωout=kVSSrVAGCω]]>其中，VAGC為第一模態檢測的振幅值。ω為振動結構陀螺儀的諧振頻率，k為包括質量、模態耦合、電路放大倍數在內的常數，VSSr為第二模態運動檢測的實分量。根據以上控制理論，本發明提出了一種振動結構陀螺儀的控制系統，如圖2所示。該控制系統由三個環路組成，第一模態控制環路1、第二模態控制環路2和振幅調整環路17。在第一模態控制環路1中，由鎖相環路22和自動增益控制環路23組成。施加到第一模態驅動端25上的驅動信號記為A*sin(ωt)，第一模態運動檢測端24輸出的位移信號記為其中A為驅動信號的幅值，B為檢測放大增益，ω為諧振頻率。位移信號經過鑑相器3和鑑幅器4解調。鑑相器3得到位移信號與驅動信號的相位差經過濾波器5濾波後輸出到數控振蕩器或壓控振蕩器6，調整數控振蕩器或壓控振蕩器6的頻率，使得施加的驅動信號和諧振運動位移信號的相位差保持90度的相位差。這種90度相位差可使振動環在諧振頻率上最大幅值運動。自動增益控制環路中，由鑑幅器4得到振幅信號，與第一模態振幅的給定值VΩ通過比較器9進行比較，然後輸入到濾波器7進行濾波處理後得到施加給第一模態的驅動力，該驅動力經調製器8調製到鎖相環環路中的(數控)壓控振蕩器提供的頻率上，然後施加到第一模態驅動端25上。自動增益控制環路通過實時調整驅動力的值使得振動環的振動幅度保持在給定振幅上，也就是使第一模態檢測端24的輸出幅值信號始終跟蹤給定振幅。根據以上理論，當轉速低於角速率閾值Ωth時，第一模態維持穩幅振動；當轉速大於角速率閾值Ωth時，第一模態的振幅隨角速率的增大而減小。第二模態有抵消環路29和去耦合環路28兩個環路，第二模態檢測端27輸出的第二模態振動位移信號記為K0*ΩAPP*cos(ωt+α),其中K0為檢測放大增益，ΩAPP為外加角速率，ω為諧振頻率，α為耦合誤差角。該位移信號經過解調器10和解調器11分解成速率引起的運動的cosωt分量和sinωt分量。cosωt信號分量經過實環路濾波器13濾波，sinωt信號分量經正交環路濾波器12濾波，濾波後所得到的實分量VSSr和正交分量VSSq分別經過再調製器15和14調製，實分量VSSr與sinωt相乘，調製到sinωt相位上，而正交分量VSSq與cosωt相乘，調製到cosωt相位上，調製後的兩路信號輸入給電壓加法器16相加，得到的驅動力記為VSSr*sin(ωt)+VSSq*cos(ωt)，該驅動力施加給第二模態驅動端26，以保持第二模態檢測端27的檢測信號為零。其中抵消環路用抵消力VSSr*sin(ωt)抵消了哥氏力引起的位移，而耦合環路用平衡力VSSq*cos(ωt)平衡掉了由於耦合誤差角α引起的位移。振幅調整環路17連接於第二模態閉環環路2和第一模態閉環控制環路1之間。其中角速率計算模塊21第二模態閉環控制環路中的cosωt分量環路濾波器的輸出解調信號VSSr與第一模態閉環控制環路的鑑幅器輸出信號VAGC相除，輸出一正比於角速率的信號Ωapp。信號Ωapp輸入給振幅調整模塊19，該模塊以調整係數β乘以陀螺儀零角速率輸入時的第一模態振幅的設定值V0，然後經濾波器18濾波後作為第一模態動態響應振幅設定值VΩ提供給第一模態自動增益控制環路23。同時，信號Ωapp還通過角速率濾波器20進行刻度因子的標定和角速率濾波，產生最終的角速率輸出信號Ωout。其中振幅調整係數β由下式得到：β=1ΩTH|Ωapp|10ΩTH|Ωapp|這裡，當外加角速率小於等於角速率閾值Ωth時，調整係數β等於1，此時第一模態振幅的設定值VΩ將等於零角速率輸入時的設定值V0；當外加角速率大於角速率閾值Ωth時，調整係數β小於1，此時第一模態振幅的設定值VΩ將在零角速率輸入時的設定值V0的基礎上乘以一個小於一的調整係數β，且外加角速率越大，該調整係數越小，第一模態振幅的設定值VΩ越小。當系統繼續減小VΩ，陀螺儀精度已經不能達到系統要求時，VΩ也就到達其最小極限值。根據此控制方法和控制系統，振動結構陀螺儀的角速率的動態範圍可從100度每秒到大於10000度每秒，且不會惡化低轉速下的性能。本發明公開的控制系統不僅僅局限於本發明涉及的矽微諧振環形振動結構陀螺儀，大部分具有cos2θ運動模式的振動結構陀螺儀都是適用的。需要說明的是，本領域技術人員能夠理解的是，在上面的描述中未詳細描述的內容是本領域技術人員結合本說明書公開的內容以及現有技術能夠容易地實現的，因此，在本說明書中不做詳細描述。以上所述僅為本發明的優選實施例，並非用來限制本發明的保護範圍。對於本領域的技術人員來說，在不付出創造性勞動的前提下，可以對本發明做出若干的修改和替換，所有這些修改和替換都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1 2 3