硅微陀螺仪信号反馈及误差校正电路研究

发布时间：2017-11-17 07:09

本文关键词：硅微陀螺仪信号反馈及误差校正电路研究

【摘要】：硅微陀螺仪是一种新型的MEMS惯性传感器,与传统的陀螺仪相比具有体积小、重量轻、易于数字化、可批量生产、功耗低等优点,其在国民经济和国防军事领域具有广阔的应用和发展前景。因此,研究硅微陀螺仪测控技术对提高陀螺仪精度具有重要意义。本论文在目前的工艺水平下,从测控电路的角度以FPGA为核心研制了硅微陀螺仪闭环检测、正交误差校正以及频率调谐系统,减小了陀螺仪输出信号的误差与漂移,提高微机械陀螺仪的稳定性与高精度。主要研究内容：(1) 硅微陀螺仪驱动模态的建模与分析在硅微陀螺的驱动测控电路中分别采用锁相环(PLL)控制系统实现驱动频率的实时跟踪和自动增益控制(AGC)系统提供稳定驱动振动幅值。构建双闭环驱动模型,通过仿真验证驱动模态的可行性。根据仿真设计了驱动模态的闭环测控电路系统,通过最终的实验验证方案的正确性和实用性。(2) 正交误差校正系统设计与分析分析了正交误差的产生原因,通过在结构上增加正交校正电极,利用负刚度效应抑制正交误差的方法。根据理论分析构建了正交校正的控制模型,并对正交系统进行仿真分析,通过仿真结果可以验证正交系统可以消除正交误差,通过消除耦合误差陀螺输出信号中的正交分量。最后进行正交误差的实验测试,通过实验结果可以看到零偏稳定性得到明显的改善。(3) 检测模态的闭环检测硅微陀螺仪信号检测方式有开环检测和闭环检测两种方法。阐述了开环检测的原理、并进行了仿真分析。同时在闭环检测的优势上,利用力反馈闭环检测,对系统进行仿真分析,验证闭环检测对陀螺仪性能的影响。实验验证了闭环检测回路明显的提高了陀螺仪的精度和应用可靠性上。(4) 陀螺仪模态匹配的分析分析了模态匹配的必要性,并利用负刚度效应实现模态匹配。在频率调谐回路中通过正交信号的辅助功能,实现模态匹配,使得陀螺仪驱动模态和检测模态频差在一定的范围内。通过仿真及实验验证了方案的可行性,并且明显的提高了机械灵敏度,改善了系统信噪比。(5) 电路数字化设计方法设计了硅微陀螺仪的测控电路控制系统。以FPGA为系统核心芯片和信号处理平台,编写程序实现数字算法,包括DCO、数字PI、数字滤波器和控制等软件算法。实现了以FPGA和高性能ADC、DAC为核心的硬件测控电路(6) 硅微陀螺仪实验研究完成电路各模块的调试,详细测试了全闭环情况下的硅微陀螺仪性能,并对所设计的硅微陀螺仪数字测控电路进行性能测试,验证了本文所设计的软硬件电路的正确性,采用正交校正、闭环检测及频率调谐技术后,陀螺静态动态性能得到很大的改善,很好的达到了预期的目标,为后续进一步研究和应用奠定了基础。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212

【参考文献】

中国期刊全文数据库前7条

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