[发明专利]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

权利要求书

1.一种微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统，其特征在于，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。

2.如权利要求1所述的微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统，其特征在于，所述的位移检测模块中的带通滤波器采用IIR低通滤波器与IIR高通滤波器级联的结构。

3.如权利要求1所述的微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统，其特征在于，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。

4.如权利要求3所述的微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统，其特征在于，所述的相位偏移模块中进行谐振频率提取的方法为：在所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，完成实时频率提取。

5.如权利要求4所述的微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统，其特征在于，对提取到的频率进行实时校正，校正方法为：按照同样的方法以第一个比较器计数提取信号的谐振频率，与第二个比较器计数进行相互校正。

6.如权利要求4或5所述的微机械陀螺的基于自激驱动的非线性控制系统，其特征在于，所述的相位偏移模块中的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。

7.一种采用如权利要求1-6任一权利要求所述的系统对微机械陀螺进行自激驱动的控制方法，其特征在于，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。