硅微陀螺仪高精度驱动技术研究与实现
发布时间：2021-03-09 12:29
随着MEMS传感器技术的发展,硅微陀螺仪在民用、军工、航天等领域被广泛应用。高精度硅微陀螺仪是实现精准定位和预测的主要技术手段之一,陀螺仪驱动技术的高精度是保证陀螺仪精度的必要前提,因此研究陀螺仪驱动技术对提高硅微陀螺仪精度有着重要意义。本文从硅微陀螺仪数字驱动控制系统的设计、仿真和硬件实现等方面出发,主要研究以下几个方面的内容:第一,建立MEMS硅微陀螺仪数字驱动双闭环控制系统模型,其中用基于锁相环闭环回路实现驱动的频率控制和基于自动增益控制回路实现驱动的幅值控制。锁相环闭环回路中,在分析三阶锁相环实现频率控制性能的基础上,提出用二阶锁频环辅助三阶锁相环的驱动频率控制方法,对回路中的相位检测器、滤波器以及二阶锁频环和三阶锁相环的结合方式等进行了理论分析和设计。第二,在Matlab/Simulink中对三阶锁相环和二阶锁频环辅助三阶锁相环这两种驱动频率控制方法分别与自动增益控制环路构成的双闭环驱动控制系统进行了仿真研究,结果验证了二阶锁频环辅助三阶锁相环的驱动频率方法能在更短的时间内以更高的精度跟踪驱动频率。第三,在理论分析和模型仿真的基础上,使用Verilog HDL语言编写硬件程序...
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
根特大学硅微陀螺仪数字测控系统框图[20]
西安建筑科技大学硕士学位论文60.0073()/(s.Hz-1/2)，带宽为100Hz[24]。图1.2清华大学提出的硅微陀螺数字读出系统框架[24]2009年，东南大学提出了基于FPGA的硅微机械陀螺仪数字化测控方案[25]。在FPGA中实现基于自激振荡技术的驱动频率控制、基于自动增益控制(AGC)的幅度控制双闭环算法，以及同步相敏解调算法。2010年，东南大学在上述方案的基础上进行了方案改进，在FPGA中实现了基于数字锁相环(DPLL)的驱动频率以及数字自动增益控制(DAGC)的驱动幅度控制算法，提升了陀螺仪驱动模态的控制精度[1][26]。2014年北京大学提出了基于改进模糊算法和神经网络算法的微机电系统振动陀螺自动实时匹配控制方法。其设计采用闭环正交校正回路，以及闭环检测控制回路，并且两回路同时基于检测力反馈控制梳齿[20][27]。该团队还利用改进的模糊控制系统与神经网络实现模式匹配，实验结果证实该方法在-40°C至80°C的温度范围内，只需约8s即可实现模态匹配控制误差在0.3Hz以内。2018年，清华大学提出了“自激-锁相”驱动轴控制方案[28]，如图1.3所示，先采用自激振荡方式使陀螺快速起振，再转为锁相环方式使振动频率精确稳定。经实验测试，采用锁相环方案，当初始频率偏差在10Hz以内，陀螺的启动时间为2s；采用自激-锁相方案，只要初始频率偏差在1000Hz以内，陀螺均可在0.3s内达到频率误差小于0.01%，在0.4s内达到振幅误差小于0.1%。“自激-锁相”方案大幅度缩短了陀螺的启动时间，而且对陀螺初始频率的设置偏差不敏感，对环境温度变化的适应性好，适用于微机电陀螺的批量生产。
西安建筑科技大学硕士学位论文7图1.3数字锁相控制环路结构2019年，中航工业飞行研究所介绍了一种双质量块音叉式硅微陀螺[29]，通过将两个完全相同的全解耦结构进行并排复制和耦合梁的巧妙设计，实现了音叉式硅微陀螺全解耦结构设计。该款硅微陀螺采用键合＋刻蚀工艺（BDRIE）加工而成，通过圆片级封装工艺技术，实现了高真空度密封，品质因数优于25万。硅微陀螺外围电路采用数模混合集成电路实现，保证了陀螺形态的紧凑。其中驱动模态采用闭环控制方案，检测模态采用开环检测方案。经测试，该型硅微陀螺的零偏不稳定性优于0.66，刻度系数非线性优于100ppm。1.3研究内容和结构安排本文基于自主研制的蝶形单质量硅微陀螺仪开展关于硅微机械陀螺驱动控制方法研究，从驱动闭环控制系统的理论分析、系统设计和仿真、硬件实现和性能测试展开相关的研究。论文的章节安排如下：第二章主要介绍了硅微陀螺仪的基础理论，内容包括哥氏效应、单质量硅微陀螺的振动模型和动力学方程以及陀螺仪的驱动原理。第三章主要讲述了驱动控制系统的设计。详细介绍了本文所研究的数字化驱动控制原理和系统结构，给出了驱动控制的实现方案，设计了基于锁相环的频率控制和基于自动增益控制的幅值控制的闭环反馈系统。第四章主要讲述驱动控制系统的建模和仿真分析。结合实际硅微陀螺的参数，以及设计的闭环控制系统的结构和参数，在Simulink中进行建模和仿真分析，验证驱动控制系统设计方案的可行性。第五章主要讲述硬件电路的实现和性能验证实验的结果与分析。先描述了前端滤波器电路、数模/模数转换电路、电容/电压转换电路以及FPGA开发板的VerilogHDL语言编写和调试，然后结合前端电路进行了陀螺仪双闭环驱动控制电路的实验验证，最后通过采集的实验数据进行了结果
【参考文献】：
期刊论文
[1]AGC环路设计的Matlab-Simulink模型建模及验证[J]. 井永成,尹军舰,李仲茂,唐舸宇,冷永清. 现代电子技术. 2019(06)
[2]井下短距无线数据传输系统的研发及应用[J]. 卢中原,范白涛,冯卫华,刘境玄. 石油钻采工艺. 2018(S1)
[3]高Q值微机电陀螺的快速起振控制[J]. 陈志勇,宋霖,张嵘,周斌,魏琦. 光学精密工程. 2018(05)
[4]基于峰值检波的自动增益控制器的设计[J]. 李智豪,蒲小年,劳健涛,戚慧珊. 大学物理实验. 2018(02)
[5]基于PID控制的两轮自平衡小车设计[J]. 胡志. 电子质量. 2017(12)
[6]双H型石英音叉陀螺驱动信号频率跟踪算法的研究[J]. 张志雄,冯立辉,王刚,王健,孙雨南. 北京理工大学学报. 2012(11)
[7]适用于精密电子装备的高分辨率图像采集系统[J]. 凌晓春,陈安,胡跃明. 仪表技术与传感器. 2011(10)
[8]基于锁相环技术的直流电机调速控制[J]. 范忠,张红梅. 电工电气. 2011(04)
[9]FPGA在TD-SCDMA通用开发平台中的应用[J]. 邓华阳,李彬. 现代电子技术. 2011(05)
[10]基于隧道效应振动梁式陀螺仪自检电极设计[J]. 王凌云,陈义华,孙道恒. 传感器与微系统. 2006(05)
硕士论文
[1]基于数字校正和反馈的硅微陀螺测控技术研究[D]. 詹超.东南大学 2018
[2]脉冲光纤激光器中时域ASE研究与抑制[D]. 蔡振.国防科技大学 2017
[3]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
[4]硅微陀螺仪信号反馈及误差校正电路研究[D]. 王行军.东南大学 2016
[5]宽温范围微机械陀螺温度特性研究及性能改善[D]. 王凯.东南大学 2016
[6]石英陀螺中低谐波失真驱动电路的分析与设计[D]. 吕秋叶.哈尔滨工业大学 2015
[7]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
[8]硅微陀螺接口分布参数建模及测控电路优化设计[D]. 汤卫丰.南京理工大学 2015
[9]功率放大器数字基带预失真系统的实现[D]. 王骁.电子科技大学 2012
[10]WCDMA终端测试仪中低功耗、低杂散频率合成器的研究与设计[D]. 郭鸿雁.天津大学 2011
本文编号：3072850
【文章来源】：西安建筑科技大学陕西省
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
根特大学硅微陀螺仪数字测控系统框图[20]
西安建筑科技大学硕士学位论文60.0073()/(s.Hz-1/2)，带宽为100Hz[24]。图1.2清华大学提出的硅微陀螺数字读出系统框架[24]2009年，东南大学提出了基于FPGA的硅微机械陀螺仪数字化测控方案[25]。在FPGA中实现基于自激振荡技术的驱动频率控制、基于自动增益控制(AGC)的幅度控制双闭环算法，以及同步相敏解调算法。2010年，东南大学在上述方案的基础上进行了方案改进，在FPGA中实现了基于数字锁相环(DPLL)的驱动频率以及数字自动增益控制(DAGC)的驱动幅度控制算法，提升了陀螺仪驱动模态的控制精度[1][26]。2014年北京大学提出了基于改进模糊算法和神经网络算法的微机电系统振动陀螺自动实时匹配控制方法。其设计采用闭环正交校正回路，以及闭环检测控制回路，并且两回路同时基于检测力反馈控制梳齿[20][27]。该团队还利用改进的模糊控制系统与神经网络实现模式匹配，实验结果证实该方法在-40°C至80°C的温度范围内，只需约8s即可实现模态匹配控制误差在0.3Hz以内。2018年，清华大学提出了“自激-锁相”驱动轴控制方案[28]，如图1.3所示，先采用自激振荡方式使陀螺快速起振，再转为锁相环方式使振动频率精确稳定。经实验测试，采用锁相环方案，当初始频率偏差在10Hz以内，陀螺的启动时间为2s；采用自激-锁相方案，只要初始频率偏差在1000Hz以内，陀螺均可在0.3s内达到频率误差小于0.01%，在0.4s内达到振幅误差小于0.1%。“自激-锁相”方案大幅度缩短了陀螺的启动时间，而且对陀螺初始频率的设置偏差不敏感，对环境温度变化的适应性好，适用于微机电陀螺的批量生产。
西安建筑科技大学硕士学位论文7图1.3数字锁相控制环路结构2019年，中航工业飞行研究所介绍了一种双质量块音叉式硅微陀螺[29]，通过将两个完全相同的全解耦结构进行并排复制和耦合梁的巧妙设计，实现了音叉式硅微陀螺全解耦结构设计。该款硅微陀螺采用键合＋刻蚀工艺（BDRIE）加工而成，通过圆片级封装工艺技术，实现了高真空度密封，品质因数优于25万。硅微陀螺外围电路采用数模混合集成电路实现，保证了陀螺形态的紧凑。其中驱动模态采用闭环控制方案，检测模态采用开环检测方案。经测试，该型硅微陀螺的零偏不稳定性优于0.66，刻度系数非线性优于100ppm。1.3研究内容和结构安排本文基于自主研制的蝶形单质量硅微陀螺仪开展关于硅微机械陀螺驱动控制方法研究，从驱动闭环控制系统的理论分析、系统设计和仿真、硬件实现和性能测试展开相关的研究。论文的章节安排如下：第二章主要介绍了硅微陀螺仪的基础理论，内容包括哥氏效应、单质量硅微陀螺的振动模型和动力学方程以及陀螺仪的驱动原理。第三章主要讲述了驱动控制系统的设计。详细介绍了本文所研究的数字化驱动控制原理和系统结构，给出了驱动控制的实现方案，设计了基于锁相环的频率控制和基于自动增益控制的幅值控制的闭环反馈系统。第四章主要讲述驱动控制系统的建模和仿真分析。结合实际硅微陀螺的参数，以及设计的闭环控制系统的结构和参数，在Simulink中进行建模和仿真分析，验证驱动控制系统设计方案的可行性。第五章主要讲述硬件电路的实现和性能验证实验的结果与分析。先描述了前端滤波器电路、数模/模数转换电路、电容/电压转换电路以及FPGA开发板的VerilogHDL语言编写和调试，然后结合前端电路进行了陀螺仪双闭环驱动控制电路的实验验证，最后通过采集的实验数据进行了结果
【参考文献】：
期刊论文
[1]AGC环路设计的Matlab-Simulink模型建模及验证[J]. 井永成,尹军舰,李仲茂,唐舸宇,冷永清. 现代电子技术. 2019(06)
[2]井下短距无线数据传输系统的研发及应用[J]. 卢中原,范白涛,冯卫华,刘境玄. 石油钻采工艺. 2018(S1)
[3]高Q值微机电陀螺的快速起振控制[J]. 陈志勇,宋霖,张嵘,周斌,魏琦. 光学精密工程. 2018(05)
[4]基于峰值检波的自动增益控制器的设计[J]. 李智豪,蒲小年,劳健涛,戚慧珊. 大学物理实验. 2018(02)
[5]基于PID控制的两轮自平衡小车设计[J]. 胡志. 电子质量. 2017(12)
[6]双H型石英音叉陀螺驱动信号频率跟踪算法的研究[J]. 张志雄,冯立辉,王刚,王健,孙雨南. 北京理工大学学报. 2012(11)
[7]适用于精密电子装备的高分辨率图像采集系统[J]. 凌晓春,陈安,胡跃明. 仪表技术与传感器. 2011(10)
[8]基于锁相环技术的直流电机调速控制[J]. 范忠,张红梅. 电工电气. 2011(04)
[9]FPGA在TD-SCDMA通用开发平台中的应用[J]. 邓华阳,李彬. 现代电子技术. 2011(05)
[10]基于隧道效应振动梁式陀螺仪自检电极设计[J]. 王凌云,陈义华,孙道恒. 传感器与微系统. 2006(05)
硕士论文
[1]基于数字校正和反馈的硅微陀螺测控技术研究[D]. 詹超.东南大学 2018
[2]脉冲光纤激光器中时域ASE研究与抑制[D]. 蔡振.国防科技大学 2017
[3]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
[4]硅微陀螺仪信号反馈及误差校正电路研究[D]. 王行军.东南大学 2016
[5]宽温范围微机械陀螺温度特性研究及性能改善[D]. 王凯.东南大学 2016
[6]石英陀螺中低谐波失真驱动电路的分析与设计[D]. 吕秋叶.哈尔滨工业大学 2015
[7]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
[8]硅微陀螺接口分布参数建模及测控电路优化设计[D]. 汤卫丰.南京理工大学 2015
[9]功率放大器数字基带预失真系统的实现[D]. 王骁.电子科技大学 2012
[10]WCDMA终端测试仪中低功耗、低杂散频率合成器的研究与设计[D]. 郭鸿雁.天津大学 2011
本文编号：3072850
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