微半球谐振陀螺仪数字化测控电路探究

发布时间：2020-10-18 01:25

　　 微半球谐振陀螺是惯性技术领域的研究热点。基于科氏振动效应原理的微半球陀螺相对其他的陀螺有许多优势。微半球陀螺结构简单,抗干扰能力强,并且在断电后仍能工作一段时间。同时,微半球陀螺以体积小、功耗低、启动时间短、可靠性高等优点受到极大关注。但是,微半球陀螺的研究过程会遇到诸多问题,国内高精度的微半球陀螺的研制面临巨大挑战。本文旨在从微陀螺仪的基本原理入手,对采用压电材料研制的微半球陀螺进行仿真和分析,再从机械域的理论分析过渡到电域的理论分析来研究压电微陀螺的新型等效电路,从而解决传统等效电路在描述实际压电微陀螺工作状态时误差较大的问题。在微陀螺理论研究的基础上,设计出微半球陀螺的控制与检测的力平衡电路方案,搭建微陀螺的电路系统,完成微半球陀螺的性能测试,并且进一步设计实现了微半球陀螺的数字锁相环回路和数字自动增益控制回路,为微陀螺的测控电路领域的研究提供参考和支持。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212;TN70
【部分图文】：

微加工技术的发展促进了微陀螺在灵敏度和零偏稳定性等性能的良好表现，同时微陀螺性能的提高也离不开高性能的完备的电路系统的支持，下面将会简单的介绍国内外研究电路的现状，从而能够得到启发，为本课题的电路设计服务。研究现状将从模拟测控电路、数字测控电路以及数字电路的关键技术研究三个方面来介绍，其中的数字电路的技术研究包括温度补偿、正交补偿和模态匹配等关键性技术。1.2.1 模拟测控电路在 2008 年，韩国国立首尔大学采用的是模拟的控制电路[4]，如图 1-1 所示。针对振动微陀螺仪设计了两个环路，图中下方的电路是用于驱动模式下的自动增益控制（AGC）环路，上方的电路是检测模态的控制电路。AGC 环路由电荷放大器、模拟微分器、包含有低通滤波器的检波电路、电压增益控制和乘法器组成。其中，电荷放大器是利用施加在固定电极上的直流差分电压的电荷积分电路来实现差分检测。等效差分电路是由一阶高通滤波器实现。

上海交通大学硕士学位论文后通过比例积分（PI）控制器来最小化误差信号。PI 控制器的输出信号连续调整VGA 的增益，使得驱动模态的振荡幅度保持在期望的水平。当达到稳定的驱动模态振动时，系统就可以实现角速率测量。该电路的开环检测机制比较简单，前置放大电路输出差分信号，通过驱动模态的振荡载波信号进行解调，并使用低通滤波得到一个直流输出，该信号与输入的角度成比例关系。

北京大学搭建了AGC-PI的模拟控制电路[6]，如图1-3所示。这个MEMS陀螺的信号处理系统主要包括两个部分：驱动模态下的含有 PI 控制的 AGC 回路和检测模态下的解调电路。整个控制电路是基于纯模拟电路。振动速度的信号是通过微分器在电容电压转换后获得的。AGC 控制环路的主要部分是幅值检测，由低通滤波器，PID 控制器和模拟乘法器组成。由 AGC 控制器输出的交流分量通过缓冲器和反相器电路形成两个反相信号，再增加固定的直流偏置信号，以形成驱动信号，该驱动信号直接施加在驱动梳齿的电极上。在模拟电路中，整流器、低通滤波器和 PID 控制器是由运算放大器和一些基本的电容、电阻和二极管搭建实现的。PID 控制器可以通过使用单一的运算放大器或多个运算放大器的形式实现。前者的优点在于元件较少，但控制参数相互耦合，不能单独调节，后者具有独立的 PID 控制特性，可以独立进行优化。
【参考文献】

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1 王巍;;惯性技术研究现状及发展趋势[J];自动化学报;2013年06期

2 曹鑫;;电工学中涉及“等效”概念的教学方法探讨[J];科教文汇(上旬刊);2013年01期

3 龙侃;彭玉涛;蒋熔;罗超;;AD734模拟乘法器的原理与应用[J];价值工程;2011年18期

4 李刚仁;王进;郑勇明;;基于运放CA3140的峰值检测电路的设计[J];电脑与信息技术;2010年06期

5 施琴红;赵明镜;;基于MATLAB/FDATOOL工具箱的IIR数字滤波器的设计及仿真[J];科技广场;2010年07期

6 吴校生;卢奕鹏;陈文元;;压电型微固体模态陀螺的模态及谐振分析[J];传感技术学报;2008年12期

7 蔡兆云;柯冠岩;;MEMS微陀螺研究与发展述评[J];国防科技;2008年01期

8 魏冬;张志杰;裴东兴;;电荷放大器可靠性分析[J];中国测试技术;2007年01期

9 高胜利;吴简彤;张福勇;;力平衡半球谐振陀螺的信号检测[J];船舶工程;2006年02期

10 高胜利;吴简彤;;全角模式半球谐振陀螺的信号检测法研究[J];传感技术学报;2006年01期

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1 赵洪波;半球谐振子频率裂解分析与陀螺仪误差抑制方法研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

2 王旭;半球谐振陀螺误差建模补偿与力平衡控制方法研究[D];国防科学技术大学;2012年

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1 姚小朋;石英晶体电参数测量系统的设计与开发[D];西北工业大学;2007年

本文编号：2845586