[发明专利]一种硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构及参数整定方法

说明书

本发明属于惯性MEMS传感器闭环控制技术领域，涉及一种硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构及参数整定方法。本发明通过确定量化噪声传递函数的零点、极点和开环增益，建立了Sigma Delta的开环环路传递函数；再通过在Sigma Delta环路嵌入超前滞后补偿器，令补偿器的极点等于表头模块的零点，实现零极点对消；令补偿器的极点等于开环环路传递函数的实零点；Sigma Delta的其它控制参数通过待定系数法确定，从而实现了硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构设计及参数整定。本发明通过在环路结构中加入超前滞后补偿器，并通过零极点对消的方式，抵消了表头零点对调制器量化噪声整形的负面影响，保证了角速率信号高信噪比的检测，并同时实现了硅微陀螺的纯数字化输出。

技术领域

本发明属于微惯性传感器技术，涉及一种硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构及参数整定方法。

背景技术

硅微陀螺检测闭环控制技术，有助于提升硅微陀螺输出的线性度；并可缩小驱动和检测双模态的频率间隙，以此提高硅微陀螺检测模态的机械灵敏度，通过提高信噪比提高硅微陀螺的精度水平。其中，Sigma Delta检测闭环控制系统方案，通过将硅微陀螺的表头模块嵌入Sigma Delta调制器环路中，实现机电Sigma Delta调制器，具有直接数字量化输出，动态特性好，信噪比高等优点。

硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统，不同于纯电学的Sigma Delta ADC系统设计方法成熟，设计的自由度高。硅微陀螺的表头模块嵌入Sigma Delta 调制器环路中，面临着模拟域和数字域跨域协同设计，硅微陀螺表头模块的速度节点不能作为引出端，表头模块的零极点会影响Sigma Delta量化噪声整形传递函数的设计等技术难点。

因此开发一种通用的硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构及参数整定方法显得尤为重要。

进行硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构设计时，如果不针对硅微陀螺表头模块特点，进行专门的控制系统结构设计和控制参数整定，会导致 Sigma Delta检测闭环控制系统不能实现预期的量化噪声传递函数，甚至导致 Sigma Delta系统不能稳定，导致硅微陀螺检测闭环控制的失效。

发明内容

鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是针对硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统，提供一种通用的硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构及参数整定方法。

按照本发明的一个方面，提供一种硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构，包括顺序级联的表头模块、电学调制器模块、超前滞后补偿器模块和比较器模块，其中:

表头模块通过把来自比较器模块的脉冲密度调制电压信号转换成力矩信号，再把力矩信号转换成位移信号，最后通过位移-电压转换成电压信号，并输出；

电学调制器模块用于把来自表头模块的电压信号转换成数字电压信号，并输出给超前滞后补偿器模块；

超前滞后补偿器模块用于对数字电压信号进行超前滞后补偿；

比较器模块对经过超前滞后补偿后的数字电压信号和阈值电压进行比较，输出脉冲密度调制电压信号。

按照本发明的另一个方面，提供一种上述硅微陀螺Sigma Delta检测闭环控制系统结构的参数整定方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一，确定Sigma Delta调制器的阶数N；

步骤二，令量化噪声传递函数的N个零点中的任意两个零点z_o1，z_o2，等于表头模型离散化后的两个极点；量化噪声传递函数的其它N-2个零点z_o3， z_o4，……，z_oN全部设置在驱动模态谐振频率上；