加速度计闭环控制系统建模仿真

发布时间：2017-08-27 03:05

  本文关键词：加速度计闭环控制系统建模仿真

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【摘要】：电容式微加速度计具有测量精度高,输出稳定,温度漂移小等优点,是目前应用最广泛的MEMS传感器之一。其中,利用ΣΔ调制技术实现数字闭环输出的ΣΔ微加速度计除了具有带宽高、线性度好、动态范围广等特点,还可以提供高精度的数字输出,实现与数字信号处理器的直接接口,在惯性导航/制导系统、空间微重力、石油勘探、地震检测等领域具有重要的应用价值。为了降低量化噪声对ΣΔ微加速度计系统性能的影响,高阶ΣΔ微机电系统逐渐成为研究重点。除了高阶ΣΔ系统固有的稳定性问题外,高阶ΣΔ微机电系统还存在机械敏感结构内部第一级积分输出不可获取的问题,因此其接口电路的系统参数设计一直是该领域的难点问题。另外,系统拓扑结构的选取也关系着系统对敏感结构机械参数误差、环路增益变化、静电力反馈非线性等性能的容错能力。本文首先建立了分时反馈时序作用下的机械敏感结构离散模型,通过仿真分析得出,分时反馈的时长决定静电力反馈的有效幅值,进而影响系统量程;分时反馈的中心位置决定系统环路延迟,从而影响系统稳定性。然后基于Lee判据,即max QNTF?1.5,对高阶ΣΔ微加速度计系统接口电路的电学参数设计方法进行优化,有效地解决了高阶ΣΔ微机电系统设计参数设计的自由度缺失问题,极大地简化了系统设计流程。并基于Matlab/Simulink平台,建立了五阶ΣΔ微加速度计的系统级模型,完成了电学参数设计。对理想情况下的五阶ΣΔ微加速度计系统进行动态仿真,在OSR=256条件下,250Hz信号带宽内,量化噪声水平低至-170dB,系统归一化过载输入系数为0.6,机械敏感结构参数在?20%范围内变化时,系统输出的SQNR仅在?3dB范围内波动。最后,对五阶前馈求和(FF5)结构和五阶多反馈(MF5)结构ΣΔ微加速度计进行了系统级对比仿真分析,在相同敏感结构和输入加速度条件下,两种结构输出信号的量化噪声基底几乎相同。但前馈求和结构具有对环路增益不敏感,质量块残留运动小,静电力反馈非线性小,机械敏感结构误差容错能力强等优点,成为高阶ΣΔ微加速度计系统的更佳选择。
【关键词】：电容式微加速度计 高阶ΣΔ Matlab 参数设计
【学位授予单位】：中国航天科技集团公司第一研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH824.4
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 1 绪论8-17
• 1.1 背景与意义8-10
• 1.1.1 课题背景8-9
• 1.1.2 目的与意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-16
• 1.2.1 国外研究现状10-14
• 1.2.2 国内研究现状14-16
• 1.3 主要研究内容16-17
• 2 电容式ΣΔ-MEMS加速度计工作原理17-30
• 2.1 电容式MEMS加速度计集总模型17-19
• 2.2 电容式MEMS加速度计信号检测19-22
• 2.3 布朗噪声22-23
• 2.4 静电力反馈23-24
• 2.5 电容式MEMS加速度计控制方法24-26
• 2.5.1 开环加速度计24-25
• 2.5.2 闭环加速度计25-26
• 2.6 ΣΔ调制技术26-29
• 2.6.1 过采样技术27-28
• 2.6.2 量化噪声整形技术28-29
• 2.7 本章小结29-30
• 3 ΣΔ微加速度计系统30-42
• 3.1 二阶ΣΔ微加速度计30-33
• 3.2 高阶ΣΔ微加速度计33-41
• 3.2.1 高阶MASH-ΣΔ微加速度计33-34
• 3.2.2 高阶单环ΣΔ微加速度计34-35
• 3.2.3 高阶单环ΣΔ微加速度计系统参数设计方法35-41
• 3.3 本章小结41-42
• 4 高阶ΣΔ微加速度计系统级设计与分析42-64
• 4.1 敏感结构离散模型42-49
• 4.1.1 敏感结构的工作时序42-44
• 4.1.2 分时反馈下敏感结构离散模型44-46
• 4.1.3 敏感结构离散模型仿真验证46-49
• 4.2 高阶单环EM-ΣΔM设计49-58
• 4.2.1 设计流程50-54
• 4.2.2 系统级建模54-58
• 4.3 系统性能指标分析58-63
• 4.3.1 量化噪声整形和SQNR58-60
• 4.3.2 输入信号功率和SQNR60-62
• 4.3.3 机械参数的容错能力与SQNR62-63
• 4.4 本章小结63-64
• 5 五阶ΣΔ微加速度计系统拓扑结构设计64-73
• 5.1 系统级建模64-66
• 5.2 量化噪声整形与SQNR66
• 5.3 环路增益与SQNR66-68
• 5.4 反馈力非线性与SNDR68-72
• 5.5 本章小结72-73
• 结论73-74
• 参考文献74-77
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况77-78
• 致谢78-80

【参考文献】

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本文编号：744054