硅微陀螺仪闭环检测技术研究
发布时间：2021-01-15 03:55
随着微机电系统（MEMS）和测控技术的深入研究,硅微陀螺仪已成为近年来广泛研究的方向,因其优点众多而被特别关注,广泛应用于军民领域。但因受到加工工艺限制及应用环境的影响,硅微陀螺仪精度和稳定性较低。为了满足相对高精度和复杂环境的应用需求,提升硅微陀螺仪的性能已成为主要研究方向之一。本文以硅微陀螺仪为对象,以提高其性能为目的,对Sigma-Delta ADC设计、正交误差校正系统和闭环检测系统等方面进行了深入的研究与分析,构建了以FPGA为核心的硅微陀螺仪闭环检测与正交误差校正系统,并对陀螺关键参数进行了测试,本文的主要研究工作如下:（1）Sigma-Delta ADC设计与仿真。首先给出了调制器设计指标,综合分析折中选择了调制器阶数及关键参数,然后依据指标及参数搭建了调制器的仿真模型。之后配合调制器的设计建立了数字滤波器的模型进而设计了整体的系统架构,最后在确保系统稳定的前提下进行了完整的系统仿真。仿真结论表明,调制器性能满足设计指标,切实可行。（2）闭环检测系统设计与分析。基于闭环检测原理,构建了闭环系统模型,通过科里奥利信号形成控制反馈力抑制科里奥利力,从而平衡检测模态科里奥利输出...
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
正交误差抑制原理图
西安建筑科技大学硕士学位论文8(3)正交解调法当在信号处理中使用正交解调方法时，因正交误差信号和科里奥利信号之间的相位差为90°，可将科里奥利信号提取出来，采用与被解调信号同频的两路相互正交的参考信号相乘，核心器件为乘法器，图1.2所示为基于乘法器的正交解调方法原理图。图1.2正交解调方法原理图由图1.2可知，硅微陀螺仪的检测输出信号是科里奥利信号和正交误差信号的矢量和，假设科里奥利信号为VtAdccsin，而正交信号为VtAdqqcos，则qcinVVV为输入信号。根据硅微陀螺仪基本理论，驱动位移信号和驱动速度信号相位差为90°，二者相互正交。而科里奥利信号与驱动速度信号同相位，正交信号与驱动位移信号同相位，所以科里奥利信号和正交信号也相互正交。若采用与驱动速度信号同相位的单位正弦信号ddsint作为解调基准信号，其中d为解调相位，使其与被解调信号相乘，则被解调信号与解调基准信号经乘法解调和低通滤波(LPF)之后，得到输出信号dqdcoutAAVsincos。当d很小时解调输出信号可近似为dqcAA，可见，减小解调相位，可以减小正交误差。当d为0时，解调完全，输出信号中不再含有正交误差，此时正交误差被完全消除。当d较大时，输出信号中的正交误差也非常大，其影响不可忽略，可能致系统失去控制作用，所以合理选择解调相位非常重要，这会对陀螺的性能产生重要的影响。1.3研究内容及论文章节安排1.3.1研究内容本文以硅微陀螺仪为研究对象，以提高其性能为目的，对Sigma-DeltaADC设计、正交误差校正系统和闭环检测系统等方面进行了深入的研究与分析，构建了以FPGA为核心的硅微陀螺仪闭环检测与正交误差校正系统，并进行了相关的试验验证。论文的主要研究内容如下：(1)四阶高精度Sigma-DeltaADC设计与研究；
西安建筑科技大学硕士学位论文9(2)正交误差校正系统和闭环检测系统仿真与实现；(3)硅微陀螺仪闭环控制系统测试与分析。1.3.2论文章节安排论文结构安排如图1.3所示：图1.3论文组织结构第一章为绪论。介绍陀螺仪、信号处理、正交误差的国内外研究现状，本论文的研究目的、意义及章节安排。第二章为硅微陀螺仪基本理论。包括基本工作原理，科里奥利力、基本结构、动力学方程、电容检测技术、检测控制技术、角速度解调、解调器设计等；最后构建了硅微陀螺仪的测控系统基本架构。第三章为Sigma-DeltaADC设计与仿真。在给出设计指标后，综合分析折中选择了调制器阶数及关键参数，依据指标及参数搭建了调制器的仿真模型。之后配合调制器的设计建立了数字滤波器的模型进而设计了整体的系统架构，在确保系统稳定的前提下最后进行了完整的系统仿真。第四章为硅微陀螺仪检测技术研究。依据闭环检测原理，构建了闭环系统模型，通过科里奥利信号形成控制反馈力抑制科里奥利力，从而平衡检测模态科里奥利输出的同相误差分量。分析了闭环检测模型的静态和动态性能并进行了系统仿真，结果表明在量程范围内闭环系统性能良好。相对于环路优化前，闭环检测有效抑制了科里奥利同相误差分量，改善了陀螺仪性能指标。第五章为硅微陀螺仪正交误差校正技术研究。首先阐述了正交误差的产生机
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPGA的谐振陀螺正弦信号检测方法研究[J]. 汤丽,郭锋,刘玉县,何春华,彭焮成. 传感器与微系统. 2020(02)
[2]闭环光纤陀螺精度性能提升方法研究[J]. 梁霄,魏天啸,谢良平,罗瑞. 红外技术. 2019(09)
[3]完整Coriolis力作用下的非线性近惯性波[J]. 杜春瑶,杨联贵,张永利,张瑞岗. 应用数学和力学. 2019(09)
[4]一种解耦硅MEMS陀螺结构优化及性能仿真[J]. 王奕奕,周震. 半导体光电. 2019(05)
[5]MEMS惯性传感器现状与发展趋势[J]. 卞玉民,胡英杰,李博,徐淑静,杨拥军. 计测技术. 2019(04)
[6]采用恒频参量激励的微机械陀螺驱动控制方案[J]. 林一羽,郑旭东,吴海斌,马志鹏,金仲和. 浙江大学学报(工学版). 2019(09)
[7]MEMS陀螺随机误差建模及补偿应用研究[J]. 于周吉,傅军,韩洪祥. 舰船电子工程. 2019(08)
[8]微型石英音叉谐振陀螺抗冲击的建模与仿真[J]. 白冰,赵玉龙. 导航与控制. 2019(04)
[9]基于FPGA的压电半球谐振陀螺数字测控系统设计[J]. 张钰莹,张卫平,崔峰,刘朝阳,田梦雅,薛冰. 半导体光电. 2019(03)
[10]MEMS陀螺仪传感器专用ASIC简介及设计[J]. 王浩. 中国集成电路. 2019(06)
博士论文
[1]硅微机械陀螺仪数字化静电补偿与调谐技术研究和实验[D]. 杨成.东南大学 2017
硕士论文
[1]硅微轴对称陀螺闭环检测技术研究[D]. 程梦梦.苏州大学 2019
[2]硅微机械陀螺仪性能提升技术研究与试验[D]. 朱昆朋.东南大学 2017
本文编号：2978174
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
正交误差抑制原理图
西安建筑科技大学硕士学位论文8(3)正交解调法当在信号处理中使用正交解调方法时，因正交误差信号和科里奥利信号之间的相位差为90°，可将科里奥利信号提取出来，采用与被解调信号同频的两路相互正交的参考信号相乘，核心器件为乘法器，图1.2所示为基于乘法器的正交解调方法原理图。图1.2正交解调方法原理图由图1.2可知，硅微陀螺仪的检测输出信号是科里奥利信号和正交误差信号的矢量和，假设科里奥利信号为VtAdccsin，而正交信号为VtAdqqcos，则qcinVVV为输入信号。根据硅微陀螺仪基本理论，驱动位移信号和驱动速度信号相位差为90°，二者相互正交。而科里奥利信号与驱动速度信号同相位，正交信号与驱动位移信号同相位，所以科里奥利信号和正交信号也相互正交。若采用与驱动速度信号同相位的单位正弦信号ddsint作为解调基准信号，其中d为解调相位，使其与被解调信号相乘，则被解调信号与解调基准信号经乘法解调和低通滤波(LPF)之后，得到输出信号dqdcoutAAVsincos。当d很小时解调输出信号可近似为dqcAA，可见，减小解调相位，可以减小正交误差。当d为0时，解调完全，输出信号中不再含有正交误差，此时正交误差被完全消除。当d较大时，输出信号中的正交误差也非常大，其影响不可忽略，可能致系统失去控制作用，所以合理选择解调相位非常重要，这会对陀螺的性能产生重要的影响。1.3研究内容及论文章节安排1.3.1研究内容本文以硅微陀螺仪为研究对象，以提高其性能为目的，对Sigma-DeltaADC设计、正交误差校正系统和闭环检测系统等方面进行了深入的研究与分析，构建了以FPGA为核心的硅微陀螺仪闭环检测与正交误差校正系统，并进行了相关的试验验证。论文的主要研究内容如下：(1)四阶高精度Sigma-DeltaADC设计与研究；
西安建筑科技大学硕士学位论文9(2)正交误差校正系统和闭环检测系统仿真与实现；(3)硅微陀螺仪闭环控制系统测试与分析。1.3.2论文章节安排论文结构安排如图1.3所示：图1.3论文组织结构第一章为绪论。介绍陀螺仪、信号处理、正交误差的国内外研究现状，本论文的研究目的、意义及章节安排。第二章为硅微陀螺仪基本理论。包括基本工作原理，科里奥利力、基本结构、动力学方程、电容检测技术、检测控制技术、角速度解调、解调器设计等；最后构建了硅微陀螺仪的测控系统基本架构。第三章为Sigma-DeltaADC设计与仿真。在给出设计指标后，综合分析折中选择了调制器阶数及关键参数，依据指标及参数搭建了调制器的仿真模型。之后配合调制器的设计建立了数字滤波器的模型进而设计了整体的系统架构，在确保系统稳定的前提下最后进行了完整的系统仿真。第四章为硅微陀螺仪检测技术研究。依据闭环检测原理，构建了闭环系统模型，通过科里奥利信号形成控制反馈力抑制科里奥利力，从而平衡检测模态科里奥利输出的同相误差分量。分析了闭环检测模型的静态和动态性能并进行了系统仿真，结果表明在量程范围内闭环系统性能良好。相对于环路优化前，闭环检测有效抑制了科里奥利同相误差分量，改善了陀螺仪性能指标。第五章为硅微陀螺仪正交误差校正技术研究。首先阐述了正交误差的产生机
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FPGA的谐振陀螺正弦信号检测方法研究[J]. 汤丽,郭锋,刘玉县,何春华,彭焮成. 传感器与微系统. 2020(02)
[2]闭环光纤陀螺精度性能提升方法研究[J]. 梁霄,魏天啸,谢良平,罗瑞. 红外技术. 2019(09)
[3]完整Coriolis力作用下的非线性近惯性波[J]. 杜春瑶,杨联贵,张永利,张瑞岗. 应用数学和力学. 2019(09)
[4]一种解耦硅MEMS陀螺结构优化及性能仿真[J]. 王奕奕,周震. 半导体光电. 2019(05)
[5]MEMS惯性传感器现状与发展趋势[J]. 卞玉民,胡英杰,李博,徐淑静,杨拥军. 计测技术. 2019(04)
[6]采用恒频参量激励的微机械陀螺驱动控制方案[J]. 林一羽,郑旭东,吴海斌,马志鹏,金仲和. 浙江大学学报(工学版). 2019(09)
[7]MEMS陀螺随机误差建模及补偿应用研究[J]. 于周吉,傅军,韩洪祥. 舰船电子工程. 2019(08)
[8]微型石英音叉谐振陀螺抗冲击的建模与仿真[J]. 白冰,赵玉龙. 导航与控制. 2019(04)
[9]基于FPGA的压电半球谐振陀螺数字测控系统设计[J]. 张钰莹,张卫平,崔峰,刘朝阳,田梦雅,薛冰. 半导体光电. 2019(03)
[10]MEMS陀螺仪传感器专用ASIC简介及设计[J]. 王浩. 中国集成电路. 2019(06)
博士论文
[1]硅微机械陀螺仪数字化静电补偿与调谐技术研究和实验[D]. 杨成.东南大学 2017
硕士论文
[1]硅微轴对称陀螺闭环检测技术研究[D]. 程梦梦.苏州大学 2019
[2]硅微机械陀螺仪性能提升技术研究与试验[D]. 朱昆朋.东南大学 2017
本文编号：2978174
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