[发明专利]基于锁相环的李萨如频率调制MEMS陀螺控制系统及参量激励方法

说明书

本发明公开了一种基于锁相环的李萨如频率调制MEMS陀螺控制系统及参量激励方法，属于微机械陀螺仪领域。本发明根据MEMS陀螺模态振动位移的相频特性，利用锁相环同时实现了维持模态谐振和谐振频率读出的功能，无需设计专用的频率读出电路从而简化了电路设计，读取的谐振频率经过后续信号处理过程可得到外界输入角速度。通过对模态刚度施加扰动信号，实现对模态的参量激励，改变了模态振动位移的相频特性，等效提高了模态品质因子，降低了锁相环输出的频率噪声，提高了最终角速度输出的检测精度。

技术领域

本发明涉及了微机械陀螺仪领域，更具体地，涉及李萨如频率调制MEMS陀螺的基于锁相环的控制系统及其参量激励方法。

背景技术

李萨如频率调制MEMS陀螺的工作原理是同时驱动两个空间上正交的振动模态(X模态和Y模态)，且两个模态的初始谐振频率具有一定差值。当两个模态都被驱动在谐振状态时，两个模态的谐振频率包含外界输入角速度信息。通过读取模态谐振频率，并经过信号处理之后，即可得到外界输入角速度。

参量激励技术通过对MEMS陀螺模态施加刚度扰动信号，改变了模态的幅频响应和相频响应，等效为改变了模态的品质因子。

发明内容

本发明提出了一种基于锁相环的李萨如频率调制MEMS陀螺控制方法，根据MEMS陀螺模态振动位移的相频特性，利用锁相环同时实现了维持模态谐振和谐振频率读出的功能，无需设计专用的频率读出电路从而简化了电路设计，读取的谐振频率经过后续信号处理过程可得到外界输入角速度。通过对模态刚度施加扰动信号，实现对模态的参量激励，改变了模态振动位移的相频特性，等效提高了模态品质因子，降低了锁相环输出的频率噪声，提高了最终角速度输出的检测精度。

本发明所采用的技术方案是：

本发明首先提供了一种基于锁相环的李萨如频率调制MEMS陀螺控制系统，其包括MEMS陀螺、X模态幅度-相位提取模块、X模态自动增益控制模块、X模态锁相环模块、X模态驱动力生成模块、Y模态幅度-相位提取模块、Y模态自动增益控制模块、Y模态锁相环模块、Y模态驱动力生成模块、角速度提取模块；

其中，X模态驱动力生成模块产生静电力驱动MEMS陀螺的X模态，从而产生X模态振动位移信号；X模态幅度-相位提取模块提取X模态振动位移信号得到振动位移相位信息和振动位移幅度信息；X模态锁相环模块根据振动位移相位信息得到X模态锁相环的频率输出；X模态自动增益控制模块根据振动位移幅度信息得到X模态自动增益控制模块的幅度输出；X模态驱动力生成模块根据X模态锁相环的频率输出和X模态自动增益控制模块的幅度输出，产生静电力；

Y模态驱动力生成模块产生静电力驱动MEMS陀螺的X模态，从而产生Y模态振动位移信号；Y模态幅度-相位提取模块提取Y模态振动位移信号得到振动位移相位信息和振动位移幅度信息；Y模态锁相环模块根据振动位移相位信息得到X模态锁相环的频率输出；Y模态自动增益控制模块根据振动位移幅度信息得到Y模态自动增益控制模块的幅度输出；Y模态驱动力生成模块根据Y模态锁相环的频率输出和Y模态自动增益控制模块的幅度输出，产生静电力；

所述角速度提取模块根据谐振状态时的X模态锁相环的频率输出和Y模态锁相环的频率输出，得到外界输入角速度。

优选的，所述的基于锁相环的李萨如频率调制MEMS陀螺控制系统还包括X模态参量激励信号产生模块、Y模态参量激励信号产生模块；

所述X模态参量激励信号产生模块根据X模态锁相环的频率输出，对MEMS陀螺X模态施加刚度扰动信号，令X模态处于参量激励下的谐振状态；

所述Y模态参量激励信号产生模块根据Y模态锁相环的频率输出，对MEMS陀螺Y模态施加刚度扰动信号，令Y模态处于参量激励下的谐振状态。

本发明还提供了一种基于锁相环的李萨如频率调制MEMS陀螺控制方法，其包括以下步骤：