陀螺驱动系统数字算法研究与设计
发布时间：2021-10-22 19:44
由于微机械陀螺仪具有体积小、低功耗的优点,其在航空、航天和航海领域具有广阔的应用和发展前景。随着科学技术的发展,微机械陀螺正逐步具有集成化、高性能的特点。通过数字化和专用集成电路技术可以高信号控制电路的集成度从而充分发挥微机械陀螺的优点。微机械陀螺驱动系统一般采用闭环驱动,而闭环驱动系统又分为模拟闭环驱动系统和数字闭环驱动系统。其中,闭环驱动控制包括了相位控制和幅度控制。模拟闭环驱动系统采用分立的模拟器件来实现闭环电路。模拟器件长时间工作会老化、衰减从而导致模拟电路的参数偏移其正常值甚至无法正常使用。锁相环是闭环驱动系统的重要组成部分,负责相位控制。模拟锁相环中的环路滤波器需要保持环路的稳定性并且会受到温度和器件老化的影响,因此非常难设计。而有的数字环路滤波器需要采用大量的标准器件来实现较大的门延时,会造成芯片面积的浪费。自动增益控制在闭环驱动系统中也占据重要地位,它负责幅度控制。用模拟电路来实现的自动增益控制涉及到大范围的信号放大、需要高增益和宽带宽的内部放大器,这样会不可避免的造成功耗过大。针对上述缺点,本文出了一种基于数字锁相环和自动增益控制方法分别控制驱动频率和振荡幅度的微机械...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
瑞典ImegoAB公司和挪威SensoNorAS公司硅微陀螺仪系统框图
估计和补偿驱动轴的内部动态变化和外部干扰。该控制策略的基本思想是利用扩展状态观测器估计系统的动态和扰动，并主动补偿控制过程中的扰动。利用自抗扰控制系统对系统的动态和扰动进行精确的估计，可以成功地将驱动轴的输出驱动到谐振状态。由于自抗扰控制器不依赖于精确的轴模型，它对参数变化、干扰和噪声具有很强的鲁棒性。该控制器的另一个优点是它的几个调优参数，使控制器易于在现实世界中实现。为了验证自抗扰控制器的有效性，在压电驱动的振动波束陀螺仪上实现了基于FPGA实现的数字控制。基于FPGA实现的数字框图如图1-2所示。图1-2克利夫兰州立大学微机电陀螺仪驱动框图2012年，伊朗技术大学研究了一种参数谐振MEMS陀螺仪]8[，并研究了其参数对系统稳定性的影响。与谐波激励的MEMS陀螺仪不同的是，在这种新型的参数激励陀螺仪中，源是系统的一个静止点。该研究从原点的稳定性分析入手，分析了各参数对周期轨道稳定性的影响。利用Floquet理论对其稳定性进行了研究。结果表明，系统非平凡响应的存在与系统的稳定性密切相关。原点的稳定性对传感器的零响应总是起作用的，因此，参量共振的发生需要原点的不稳定性。相反，周期轨道的稳定性并不一定能保证陀螺仪的共振响应，而这一目的所需的还是原点的不稳定性。由于在线性刚度-线性参数激励的情况下，原点的不稳定性导致了系统的失稳，因此得出了参数驱动陀螺仪需要非线性的结论。2012年，大布列颠哥伦比亚大学介绍了一种新型的带通滑模控制（SMC）在MEMS谐振器和谐振传感器（如振动陀螺仪）驱动模式中的应用]9[。该技术依赖于移动质量的二元静电驱动，依赖于滑动/开关表面的动力学，从而使产生的驱动跟踪外部因素（湿度、温度、压力等）可能引起的机械谐振频率的变化。该自适应方法
电子科技大学硕士学位论文4真结果表明，即使在刚度系数（阶跃、线性）或外加外力（外加速度和噪声）变化的情况下，系统仍能保持谐振频率的驱动，从而验证了该技术的有效性。图1-3哥伦比亚大学新型带通滑模控制(SMC)谐振器仿真结果1.3.2国内研究现状2014年，东南大学为了进一步高MEMS陀螺仪的性能，出了一种基于FPGA的全相位快速傅里叶变换（APFFT）数字控制系统解调算法，该算法分别对驱动检测信号和敏感轴信号进行解调]10[。结合自动增益控制（AGC）和锁相环（PLL），实现了MEMS陀螺的闭环驱动控制和高精度解调输出，研制了一种基于FPGA的印刷电路板，并进行了相应的实验。实验结果如图1-4所示表明，采用MEMS陀螺仪的APFFT解调算法的数字控制系统具有良好的性能。测试的MEMS陀螺仪的偏置稳定性较好，采用全相位FFT解调算法测试的陀螺仪的ARW性能优于乘法解调算法。实验验证了所出的APFFT解调算法的可行性和有效性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPGA的全数字锁相环的复频域分析与实现[J]. 马莽原,石新春,王慧,孟建辉,付超. 电测与仪表. 2018(04)
[2]高精度数字式MEMS陀螺仪驱动闭环控制系统设计[J]. 童紫平,张欢阳,乔伟,贺克军,张紫乾,龙善丽. 传感技术学报. 2017(03)
[3]光纤陀螺标度因数与零偏测试及评价方法研究[J]. 张龙,叶松,周树道,王晓蕾,刘凤. 中国测试. 2016(12)
[4]基于FPGA的全数字锁相环电路的设计[J]. 张楠. 长春理工大学学报(自然科学版). 2016(03)
[5]MEMS陀螺驱动数字闭环ASIC设计[J]. 任臣,杨亮,杨拥军. 半导体技术. 2015(08)
[6]基于数字锁相环控制的硅微陀螺仪驱动模态分析与实验[J]. 王晓雷,张印强,杨成,李宏生. 东南大学学报(自然科学版). 2013(04)
[7]变结构PID在微机械陀螺仪闭环驱动电路中的应用[J]. 杨亮,贾方秀,裘安萍,苏岩. 纳米技术与精密工程. 2013(02)
[8]基于FPGA实现的可变模全数字锁相环[J]. 肖帅,孙建波,耿华,吴舰. 电工技术学报. 2012(04)
[9]硅微机械陀螺自激驱动数字化技术[J]. 夏国明,杨波,王寿荣. 光学精密工程. 2011(03)
[10]硅微陀螺数字化双闭环驱动控制方法[J]. 罗兵,王安成,吴美平,于化鹏. 中国惯性技术学报. 2010(06)
博士论文
[1]数字射频中全数字锁相环技术的研究[D]. 周郭飞.清华大学 2009
硕士论文
[1]MEMS谐振陀螺数字化驱动技术研究[D]. 钱超.苏州大学 2017
[2]用于数字陀螺系统中驱动环路电路设计与实现[D]. 许晓东.哈尔滨工业大学 2016
[3]基于FPGA的硅微陀螺仪数字测控电路关键技术研究[D]. 柳小军.南京信息工程大学 2015
[4]硅微机械陀螺数字化控制与检测电路研究[D]. 陈丹华.重庆大学 2015
[5]MEMS陀螺误差补偿的算法研究[D]. 徐凯.沈阳理工大学 2012
[6]基于数字PI运算的全数字锁相环结构设计与仿真[D]. 燕德丽.中国石油大学 2010
[7]基于FPGA的全数字锁相环的设计与应用[D]. 张成.合肥工业大学 2010
[8]基于多核技术的三轴一体化陀螺数字测控电路研究[D]. 严杰.清华大学 2009
[9]硅微陀螺频率调制驱动与温度补偿技术研究[D]. 庞钧.南京理工大学 2008
[10]MEMS静电驱动结构运动特性控制方法[D]. 于尚民.北京邮电大学 2007
本文编号：3451737
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
瑞典ImegoAB公司和挪威SensoNorAS公司硅微陀螺仪系统框图
估计和补偿驱动轴的内部动态变化和外部干扰。该控制策略的基本思想是利用扩展状态观测器估计系统的动态和扰动，并主动补偿控制过程中的扰动。利用自抗扰控制系统对系统的动态和扰动进行精确的估计，可以成功地将驱动轴的输出驱动到谐振状态。由于自抗扰控制器不依赖于精确的轴模型，它对参数变化、干扰和噪声具有很强的鲁棒性。该控制器的另一个优点是它的几个调优参数，使控制器易于在现实世界中实现。为了验证自抗扰控制器的有效性，在压电驱动的振动波束陀螺仪上实现了基于FPGA实现的数字控制。基于FPGA实现的数字框图如图1-2所示。图1-2克利夫兰州立大学微机电陀螺仪驱动框图2012年，伊朗技术大学研究了一种参数谐振MEMS陀螺仪]8[，并研究了其参数对系统稳定性的影响。与谐波激励的MEMS陀螺仪不同的是，在这种新型的参数激励陀螺仪中，源是系统的一个静止点。该研究从原点的稳定性分析入手，分析了各参数对周期轨道稳定性的影响。利用Floquet理论对其稳定性进行了研究。结果表明，系统非平凡响应的存在与系统的稳定性密切相关。原点的稳定性对传感器的零响应总是起作用的，因此，参量共振的发生需要原点的不稳定性。相反，周期轨道的稳定性并不一定能保证陀螺仪的共振响应，而这一目的所需的还是原点的不稳定性。由于在线性刚度-线性参数激励的情况下，原点的不稳定性导致了系统的失稳，因此得出了参数驱动陀螺仪需要非线性的结论。2012年，大布列颠哥伦比亚大学介绍了一种新型的带通滑模控制（SMC）在MEMS谐振器和谐振传感器（如振动陀螺仪）驱动模式中的应用]9[。该技术依赖于移动质量的二元静电驱动，依赖于滑动/开关表面的动力学，从而使产生的驱动跟踪外部因素（湿度、温度、压力等）可能引起的机械谐振频率的变化。该自适应方法
电子科技大学硕士学位论文4真结果表明，即使在刚度系数（阶跃、线性）或外加外力（外加速度和噪声）变化的情况下，系统仍能保持谐振频率的驱动，从而验证了该技术的有效性。图1-3哥伦比亚大学新型带通滑模控制(SMC)谐振器仿真结果1.3.2国内研究现状2014年，东南大学为了进一步高MEMS陀螺仪的性能，出了一种基于FPGA的全相位快速傅里叶变换（APFFT）数字控制系统解调算法，该算法分别对驱动检测信号和敏感轴信号进行解调]10[。结合自动增益控制（AGC）和锁相环（PLL），实现了MEMS陀螺的闭环驱动控制和高精度解调输出，研制了一种基于FPGA的印刷电路板，并进行了相应的实验。实验结果如图1-4所示表明，采用MEMS陀螺仪的APFFT解调算法的数字控制系统具有良好的性能。测试的MEMS陀螺仪的偏置稳定性较好，采用全相位FFT解调算法测试的陀螺仪的ARW性能优于乘法解调算法。实验验证了所出的APFFT解调算法的可行性和有效性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPGA的全数字锁相环的复频域分析与实现[J]. 马莽原,石新春,王慧,孟建辉,付超. 电测与仪表. 2018(04)
[2]高精度数字式MEMS陀螺仪驱动闭环控制系统设计[J]. 童紫平,张欢阳,乔伟,贺克军,张紫乾,龙善丽. 传感技术学报. 2017(03)
[3]光纤陀螺标度因数与零偏测试及评价方法研究[J]. 张龙,叶松,周树道,王晓蕾,刘凤. 中国测试. 2016(12)
[4]基于FPGA的全数字锁相环电路的设计[J]. 张楠. 长春理工大学学报(自然科学版). 2016(03)
[5]MEMS陀螺驱动数字闭环ASIC设计[J]. 任臣,杨亮,杨拥军. 半导体技术. 2015(08)
[6]基于数字锁相环控制的硅微陀螺仪驱动模态分析与实验[J]. 王晓雷,张印强,杨成,李宏生. 东南大学学报(自然科学版). 2013(04)
[7]变结构PID在微机械陀螺仪闭环驱动电路中的应用[J]. 杨亮,贾方秀,裘安萍,苏岩. 纳米技术与精密工程. 2013(02)
[8]基于FPGA实现的可变模全数字锁相环[J]. 肖帅,孙建波,耿华,吴舰. 电工技术学报. 2012(04)
[9]硅微机械陀螺自激驱动数字化技术[J]. 夏国明,杨波,王寿荣. 光学精密工程. 2011(03)
[10]硅微陀螺数字化双闭环驱动控制方法[J]. 罗兵,王安成,吴美平,于化鹏. 中国惯性技术学报. 2010(06)
博士论文
[1]数字射频中全数字锁相环技术的研究[D]. 周郭飞.清华大学 2009
硕士论文
[1]MEMS谐振陀螺数字化驱动技术研究[D]. 钱超.苏州大学 2017
[2]用于数字陀螺系统中驱动环路电路设计与实现[D]. 许晓东.哈尔滨工业大学 2016
[3]基于FPGA的硅微陀螺仪数字测控电路关键技术研究[D]. 柳小军.南京信息工程大学 2015
[4]硅微机械陀螺数字化控制与检测电路研究[D]. 陈丹华.重庆大学 2015
[5]MEMS陀螺误差补偿的算法研究[D]. 徐凯.沈阳理工大学 2012
[6]基于数字PI运算的全数字锁相环结构设计与仿真[D]. 燕德丽.中国石油大学 2010
[7]基于FPGA的全数字锁相环的设计与应用[D]. 张成.合肥工业大学 2010
[8]基于多核技术的三轴一体化陀螺数字测控电路研究[D]. 严杰.清华大学 2009
[9]硅微陀螺频率调制驱动与温度补偿技术研究[D]. 庞钧.南京理工大学 2008
[10]MEMS静电驱动结构运动特性控制方法[D]. 于尚民.北京邮电大学 2007
本文编号：3451737
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