[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

说明书

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。

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；