栅结构微机械陀螺的高精度高稳定性研究

发布时间：2018-03-18 04:11

本文选题：微机械陀螺　切入点：器件特性　出处：《浙江大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：微机械陀螺是一种基于硅微机械加工技术的测试角速度或者角位移的惯性传感器,与传统的机械转子式陀螺、光学陀螺相比,具有体积小、功耗低、可靠性高、可批量生产等优点,在民用与军用领域有着广泛的应用前景。经过二十多年的发展,微机械陀螺的性能指标不断提高,显现出在高精度测量领域的应用潜力。本论文以实现高精度高稳定性的栅结构微机械陀螺为根本目标,从器件特性测量、电容检测方法、系统噪声分析和模态匹配算法等四个方面进行了深入地研究,论文的主要工作内容及贡献如下:1)对微机械陀螺的器件特性测量方法进行了系统地研究。比较分析了测量谐振频率与品质因子的三种常规方法,包括模态扫频方案、振动衰减曲线方案和PLL-AGC控制环路方案。通过原理说明、数值仿真等手段来探讨三种方法各自的优缺点及其适用场景。进一步地,针对高Q陀螺的测试需求,提出了一种改进的振动衰减曲线方案,有效解决了常规方案中陀螺起振过慢与测量电路易饱和的问题:在陀螺起振阶段,利用PLL闭环控制对谐振频率进行快速测量,同时利用AGC闭环控制使陀螺能够快速起振并且有效地限制了振动位移,再利用振动衰减曲线实现对品质因子的高精度测量。对真空环境下陀螺的驱动模态进行测试,实验结果表明驱动模态的谐振频率为1515.9Hz,品质因子为9177,且测试结果有较好的重复性,测量误差仅为0.05%。2)首次提出了一种自校准的变面积电容检测方法。该方法中的检测电容为TEB(Triangular-electrode base)电容,由矩形电极与三角形电极交叠构成,利用其与运动位移的非线性关系能够精确地并且鲁棒性地测量简谐振动的幅度和相位信息。理论分析指出,TEB方法中的电容检测信号同时包含了一次谐波分量与二次谐波分量,通过两个谐波分量的幅度商来表征运动幅度,通过两个谐波分量的相位差来表征运动相位,那么,测得的运动幅度和运动相位对包括载波幅度、初始检测电容、处理电路的增益与相位等系统参数的波动具有鲁棒性,即实现了自校准功能。实验测试发现,与常规方法相比,TEB方法的测量结果对系统参数波动的鲁棒性提高了 95%,与理论相一致。该技术基于一种简单的结构,能够广泛应用于各类基于电容检测的微机械谐振式器件,如谐振式加速度计和科氏振动陀螺。进一步地,提出了一种基于新型的TEB电容检测方法的微机械陀螺驱动环路控制系统。实验结果表明,驱动模态能够实现高精度的简谐振动,其幅度稳定度与相位稳定度分别为34ppm与30ppm,此外,陀螺系统的零偏稳定性有了 1.6倍的性能改善,大气下的Allan方差结果为1.6°/h。3)为了实现高性能的微机械陀螺,对系统噪声进行了深入地研究:a)在驱动环路上,首次提出了一种基于改进的机电幅度调制(Modified electromechanical amplitude modulation,MEAM)技术的驱动环路控制方案。理论分析指出,驱动环路中处理电路的相位延迟会导致陀螺输出端的正交误差信号泄露到角速度检测信号,即IQ耦合问题。在新型的MEAM方法中,通过将驱动模态的谐振频率调制到载波信号频率上,使得电容检测电路输出的检测电压信号包含了一个恒定频率的有用分量。此时,即便驱动谐振频率发生改变,由信号处理电路引入的相位延迟也是一个恒定量,改善了陀螺系统对器件结构参数波动或者环境温度波动的鲁棒性。进一步地,通过搭建Simulink仿真模型证明了 MEAM方法的正确性与有效性。最后,对工作在大气环境下的模态分离28 Hz的微机械陀螺进行了实验验证。测试结果表明,与常规方案比较,在新型的MEAM方案控制下陀螺系统的零偏稳定性与噪声性能分别改善了 2.4倍与1.4倍,大气下Allan方差分析的零偏稳定性为0.9°/h,角度随机游走为0.068°/√h。b)在力平衡检测环路上,通过解析推导得到了陀螺输入到输出的传递函数,并将其分解为两个单位负反馈系统,有效地降低了环路分析与设计的复杂性。进一步地,结合理论分析与数值仿真工具,分别对模态匹配陀螺、近似模态匹配陀螺与模态分离陀螺三种情况进行了研究,能够有效地指导环路参数的优化过程,使系统满足稳定性、暂态响应特性和带宽的要求。c)在力平衡检测环路上,对限制微机械陀螺系统检测精度的主要噪声源进行了深入的研究。在模态分离/模态匹配、高Q/低Q等不同情况下,比较分析了机械热噪声、后端电路噪声与前端电路噪声等三类噪声源对陀螺系统输出总噪声的影响。此外,通过对照实验验证了理论分析的正确性,指出:降低模态频率差与增大驱动模态振动位移是改善陀螺系统检测精度的最直接有效的方法。测试结果表明,模态频率最接近(△f=10Hz)的陀螺#3性能最佳:驱动位移信号的幅度稳定度为18ppm,相位稳定度为0.00017°(1σ);在±500°/s范围内陀螺系统的非线性度为0.04%;真空环境下1小时零偏数据的标准差为5.5°/h,Allan方差分析得到的零偏稳定性和角度随机游走分别为0.3°/h和0.025°/√h。4)首次提出了一种新型的微机械陀螺模态匹配算法。与文献中报道的模态匹配技术相比,该算法具有调谐速率快(s)、调谐精度高(0.01 Hz)、对环境角速度输入不敏感的突出优势,并且与常规的力平衡检测环路相兼容,几乎不增加陀螺系统的复杂性。基于对模态匹配陀螺特性的分析,总结了新型模态匹配算法的调谐程序,并利用周期平均法对控制系统的稳态解进行了理论推导,证明了该算法能够最终消除两个振动模态的谐振频率差。然后,通过数值仿真工具对模态匹配算法进行了验证,并提出了用Iref斜坡缓变替代Iref阶跃跳变的改进方案,能够降低调谐过程中由于角速度检测信号的瞬态响应误差超出陀螺量程从而导致系统闭环失败的风险。最后,在基于FPGA的数字化陀螺系统上对新型模态匹配算法进行了验证。实验结果表明该算法有效地消除了初始模态频率差,实现了模态匹配状态。此外,在静止、恒定转速与正弦转速等不同环境下的测试则验证了新型模态匹配算法对环境角速度输入不敏感的特征,与理论相一致。由Allan方差分析结果可知,模态匹配陀螺的零偏稳定性为0.4°/h,角度随机游走为0.015°/√h,对应的单位带宽噪声等效角速度为0.9°/h/√Hz,为当前课题组测试陀螺表头中的最佳精度结果。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212

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