硅微机械陀螺数字化测控电路技术研究

发布时间：2019-07-04 09:01

【摘要】：硅微机械陀螺因具有体积小、重量轻、功耗低等优点,在军民领域均有着重要的应用价值和广泛的应用前景。目前,硅微机械陀螺正朝着智能化、集成化、高性能的方向发展。采用圆片级真空封装技术提高陀螺结构的集成度,采用数字技术和专用集成电路技术提高信号检测与控制电路的集成度,以充分发挥硅微机械陀螺的优点。本文以课题组自主设计的Z轴音叉硅微机械陀螺为研究对象,以提高陀螺的零偏稳定性和标度因数稳定性为目标,以测控电路的可ASIC (Application Specific Integrated Circuit,专用集成电路)化为着眼点,开展了硅微机械陀螺测控电路的数字化研究。主要包括接口电路的分析设计、闭环控制技术研究、闭环检测技术研究和温度补偿技术研究。论文论证了硅微机械陀螺测控电路的总体方案。通过对比模拟控制技术和数字控制技术,选择了数字控制技术作为硅微机械陀螺测控电路的控制技术,并设计了数字化测控系统的总体方案。根据硅微机械陀螺的性能指标,在性能指标分配的基础上,分析了电容/电压转换电路(C/V转换电路)的噪声性能,设计陀螺的接口电路。分析设计了数字化测控系统的其他环节,在分析计算采样频率和量化位数的基础上选择了ADC和DAC的产品型号;通过对比DSP和FPGA的优缺点选择了FPGA作为数字信号的处理器。构建了硅微机械陀螺的数字化硬件系统,为后续信号处理与控制算法的研究和设计提供了实验平台。论文研究了硅微机械陀螺的闭环驱动技术。将自激锁相闭环驱动分为低频AGC(自动增益控制,Automatic Gain Control)幅值控制部分和高频PLL(锁相环,Phase Locked Loop)相位、频率控制部分,而后通过线性化对这两个部分分别进行了稳定性分析和噪声性能分析。通过稳定性分析得到了环路参数和环路动态性能之间的关系,并得到了环路的稳定性条件；通过噪声性能分析得到了闭环驱动中C/V转换电路的噪声功率谱密度设计指标,得到了PLL输出信号的噪声功率谱密度与输入信号的噪声功率谱密度之间的关系。论文还特别分析了PLL的捕获性能和跟踪性能,得到了PLL捕获带宽和跟踪带宽与环路参数之间的关系,为PLL的参数设计提供了理论依据。在理论分析的基础上,通过设置主导极点的方法将所研究的三阶AGC和PLL环节降为二阶,并根据环路性能指标进行了系统参数设计。Simulink仿真和实验均证明了系统参数设计的正确性,取得了良好的闭环性能。论文研究了硅微机械陀螺的闭环检测技术。分析了正弦波电压反馈形式和脉冲密度电压反馈形式对敏感模态负刚度的影响,得到了正弦波电压反馈时敏感模态负刚度随外界输入角速度的变化而变化,而脉冲密度电压反馈时敏感模态负刚度不随外界输入角速度的变化而变化的结论。基于该认识,采用了机电结合Sigma Delta调制器(SDM)闭环检测技术。以电路SDM为中介,以环路的信噪比为设计指标,采用DSToolbox设计工具,根据Z轴音叉硅微机械陀螺的特点,对闭环检测环路设计时的两大难点—确定环路结构形式和选择环路参数进行了研究。仿真和实验验证了闭环设计的正确性。针对硅微机械陀螺性能受温度影响较大的特点,论文以“控制为主、补偿为辅”的思路研究了温度补偿技术。分析表明C/V转换电路的增益稳定性是影响陀螺驱动模态振动速度幅值稳定性的关键因素。由此,提出了具有增益补偿功能的闭环驱动技术,以提高振动速度的幅值稳定性。进一步的理论分析表明此技术具有与陀螺结构参数和电路参数无关的特性,便于对批量生产的陀螺进行批量化温度补偿,体现了“控制”的特点。实验结果表明采用该技术使开环检测陀螺的标度因数温度系数和零偏温度系数分别降低了89.5%和67.6%。利用陀螺驱动模态谐振频率和温度之间存在的线性关系,以驱动模态谐振频率作为温度测量的敏感量,研究了陀螺标度因数和零偏的二阶温度补偿算法,指出了陀螺驱动模态的高品质因数有利于高精度的温度补偿。实验表明该技术使陀螺的标度因数温度系数和零偏温度系数在增益补偿闭环驱动的基础上再次下降了59.3%和73.1%。最后,对数字化双闭环硅微机械陀螺的温度特性进行了测试。测试结果表明相对于温度补偿前,温度补偿后的硅微机械陀螺,其零偏稳定性提高了38.0%,零偏重复性提高了38.3%,标度因数和零偏的温度系数分别降低了45.8%和61.7%,证明了温度补偿方法可有效地降低陀螺的温度系数,提高陀螺性能。
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【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN96

【参考文献】