石英压电陀螺仪的开环驱动控制系统及控制方法

石英压电陀螺仪的开环驱动控制系统及控制方法
【专利摘要】本发明提供了一种石英压电陀螺仪的开环驱动控制系统及控制方法，包括计算机控制模块、DDS驱动电路模块、石英压电陀螺仪模块和检测电路模块，计算机控制模块为DDS驱动电路模块进行对驱动信号波形、幅值、频率、相位的设定；DDS驱动电路模块为石英压电陀螺仪模块提供所需的四相位驱动信号或作为石英压电陀螺仪模块的激励源，同时为检测电路模块提供参考信号；石英压电陀螺仪模块在DDS驱动电路模块所给的信号下被激振或被驱动，并产生检测信号；检测电路模块对产生的检测信号进行处理。本发明通过DDS驱动电路为石英压电陀螺仪提供四相位的、稳定、可控、精确、有效的驱动信号，并为石英压电陀螺仪的检测电路提供高质量的参考信号。
【专利说明】石英压电陀螺仪的开环驱动控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微机电系统【技术领域】，具体地，涉及一种石英压电陀螺仪的开环驱动控制系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]微机械电子系统(MEMS)主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和相应的处理电路等几部分。MEMS利用各种加工工艺，尤其是微细加工技术，在电子通信以及微电子技领域最新成果的基础上，逐渐成为了高科技前沿学科。微陀螺仪是惯性系统的核心器件，在微机械电子系统中占有重要地位，在航天航空、海上导航、军用制导和其他民用领域等都有着广泛的应用。
[0003]而石英压电陀螺仪采用压电材料作为主体部件，采用MEMS加工工艺和技术，具有价格低、体积小、结构简单、可靠性高、抗冲击能力强和便于量产的特性，在军用导航、航空航天、制导技术以及民用消费电子等领域等具有广泛的应用前景。这种陀螺利用柯氏效应和压电效应，在极化方向上获得外界相应方向上输入的角速度对应的电信号，通过检测电信号的幅值和频率，反映出外加角速度的信号。
[0004]而石英压电陀螺仪的驱动环节是它本身工作的重要环节，关系到陀螺检测环节是否能正常起效。经对一些文献进行检索，日本东京精工爱普生株式会社的小仓诚一郎和小林祥宏在2005年申请的专利“压电陀螺元件和压电陀螺仪”，专利中提到:在石英压电陀螺仪的四个驱动电极上施加4组不同相位的驱动电流，可使压电振动体振动，并给出了基本的电路框图。驱动电路分为:振荡/驱动电路、自动增益控制(automatic gaincontrol, AGC电路)、相移电路、同步检波电路、振幅检测电路；但是，专利中只给出了驱动电路的组成结构，并且没有给出具体的实施方案，对各个模块也没有细化的实施方式；另一方面，专利中给出的驱动方式为模拟电路式的驱动方式，并没有提及数字式的驱动方式。
[0005]在实际中，为了保证石英压电陀螺仪在检测环节的检测水平，需要提高驱动信号在波形、幅值、频率、相位上的精度，陀螺输入信号要求波形、幅值稳定、频率同陀螺谐振模态时刻共振、相位满足一定的要求。以上要求的实现对于模拟电路来说是有一定难度的，这是一个技术难题，对整体电路提出了较高的要求。而如果采用DDS (Direct DigitalSynthesizer,简称DDS,直接数字合成)驱动方式则可以较为简单地实现上述要求。另一方面，为了满足特定石英压电陀螺仪的驱动要求，需要采用四相位信号进行驱动，这也是目前并未被提及，而能通过DDS驱动方式达到的。

【发明内容】

[0006]针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种石英压电陀螺仪的开环驱动控制系统及控制方法，能够根据对陀螺的测试设定所需信号的波形、幅值、频率、相位，具有快速响应、设置简单、信号精确的特点。
[0007]为实现以上目的，本发明采用以下技术方案:[0008]本发明的一个目的是提供一种石英压电陀螺仪的开环驱动控制系统，包括计算机控制模块、DDS驱动电路模块、石英压电陀螺仪模块和检测电路模块，其中:
[0009]计算机控制模块利用软件对DDS驱动电路模块所需的信号波形、幅值、频率、相位进行设定和调整，并通过通信接口与DDS驱动电路模块进行连接和信号传输；
[0010]DDS驱动电路模块为石英压电陀螺仪模块提供四相位、高质量的驱动信号，使石英压电陀螺仪模块在给定波形、幅值、频率、相位的驱动信号下正常工作，并为检测电路模块提供闻质量的参考"[目号；
[0011]石英压电陀螺仪模块在DDS驱动电路模块所给的信号下被激振或被驱动，并通过检测电极产生检测信号；
[0012]检测电路模块对石英压电陀螺仪模块产生的检测信号进行采集、处理和输出，在处理过程中同时应用DDS驱动电路模块所产生的信号。
[0013]优选地，所述计算机控制模块通过使用与DDS驱动电路模块中的数字芯片相配套的软件，对含数字芯片的开发板进行控制，设定数字芯片所发出信号的波形、幅值、频率及相位。
[0014]优选地，所述DDS驱动电路模块产生四路幅值、频率可控，相位可调的正弦信号，对石英压电陀螺仪模块进行驱动，其中:信号的幅值和频率通过对石英压电陀螺仪模块的测试，可根据需要通过计算机控制模块进行设定；信号的相位差和波形可通过计算机控制模块传输给DDS驱动电路模块的信号进行控制。
[0015]优选地，所述DDS驱动电路模块是通过数字芯片和外部电路所结合形成的DDS系统，该系统通过接口接收由计算机控制模块产生的控制字，经过电路控制数字芯片的工作电压、时钟等工作条件，并对其串行通信数据口进行控制，将控制字写入数字芯片，对数字芯片进行控制并按照设定产生四路波形、幅值、频率、相位符合需要的信号，信号经数字芯片内部或外部的DAC处理后通过外部电路提供的接口输出。
[0016]优选地，所述DDS驱动电路模块还可以作为所述石英压电陀螺仪模块的激励源，其中:所述DDS驱动电路模块产生的激励为一串间隔可控、宽度可调的脉冲信号，使石英压电陀螺仪模块产生自激振荡，并在此条件下检测石英压电陀螺仪模块的谐振点。
[0017]本发明的在一目的是提供一种采用上述系统实现的石英压电陀螺仪的开环驱动控制方法，具体步骤如下:
[0018]第一步，通过计算机控制模块设定DDS驱动电路模块对石英压电陀螺仪模块发出一串间隔可控、宽度可调的脉冲信号对陀螺进行激励，利用陀螺的自激振荡可以从陀螺的检测电路中测得陀螺的谐振频率；
[0019]第二步，得到陀螺的谐振频率后，再次设定计算机控制模块的各项参数，控制DDS驱动电路模块产生四路波形为正弦波、幅值满足驱动要求、频率为陀螺谐振频率、相位互差90度的符合需要的信号，输入陀螺的驱动电极对陀螺进行有效地驱动，并在陀螺的检测电极上得到高水平的检测信号；
[0020]第三步，而后在检测电路模块中利用得到的检测信号和DDS驱动电路模块所产生的四路驱动信号中的某几路信号，便可以简单地得到需要的输出信号，从而实现利用电路协助石英压电陀螺仪模块的角速度检测。
[0021]本发明中，DDS驱动电路采用的是以数字芯片为核心的开发板，功能是产生四相位驱动信号、脉冲发生等。采用DDS驱动使得输出信号频率分辨率高、输出频点多、可达2的N次方个频点(N为相位累加器位数)；频率切换速度快,可达us量级；频率切换时相位连续；可以输出宽带正交信号；输出相位噪声低，对参考频率源的相位噪声有改善作用并可以产生任意波形。DDS驱动为全数字化实现、便于集成、体积小、重量轻。所述DDS驱动电路模块产生的四路驱动信号不仅具有上述DDS驱动所带来的优点，还能有效针对四相位驱动的石英压电陀螺模块进行驱动；并且所述DDS驱动电路模块可以产生一串间隔可控、宽度可调的脉冲信号，从而有效地使所述石英压电陀螺仪模块产生自激振荡，能够用于测试陀螺的谐振点；另一方面，由于所述石英压电陀螺仪模块的检测电路中存在解调环节，需要用到与陀螺与驱动信号波形、频率相同、相位相同或相差一定相位的参考信号，此信号也可以从所述DDS驱动电路模块所产生的某驱动信号上直接得到，从而减少检测电路中不必要的芯片和电路，并提高信号在波形、相位、噪声上的质量。
[0022]与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:
[0023]本发明能够通过DDS驱动电路为特定石英压电陀螺仪提供稳定且高效的四相位驱动信号，信号的频率偏差与设定值可保持在0.1Hz以内，四组信号的相位偏差与设定值可保持在0.1°以内，使陀螺输入信号在波形和幅值的稳定、频率同陀螺谐振模态保持共振、相位时刻保持一定的差上满足一定的要求，并为石英压电陀螺仪的检测电路提供高质量的参考信号，可以以此保证石英压电陀螺仪在检测环节的检测水平。另外，DDS驱动电路还可以作为石英压电陀螺仪的激励源；本发明提出的方法简单有效，实用易行，并且使得输出信号频率分辨率高、输出频点多、频率切换速度快、频率切换时相位连续、输出相位噪声低。
【专利附图】

【附图说明】
[0024]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0025]图1为本发明一实施例石英压电陀螺仪的开环驱动控制系统的原理图；
[0026]图2为本发明一实施例DDS驱动电路芯片原理图；
[0027]图3为本发明一实施例石英压电陀螺仪结构示意图。
[0028]图中:1为石英压电陀螺仪模块，2为石英压电陀螺仪的压电振动体，3为石英压电陀螺仪的基部，21为石英压电陀螺仪压电振动体第一侧面，22为石英压电陀螺仪压电振动体第二侧面，4A为在压电振动体第一侧面上形成的第一驱动电极，4B、4C、4D为在压电振动体第二侧面上形成在宽度方向上分离的第二、第三、第四驱动电极，5A为在压电振动体第一侧面上形成的第一检测电极，5B为在压电振动体第二侧面上形成的第二检测电极。
【具体实施方式】
[0029]下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0030]如图1所示，本实施例提供一种石英压电陀螺仪的开环驱动控制系统，包括计算机控制模块、DDS驱动电路模块、石英压电陀螺仪模块和检测电路模块，其中:计算机控制模块为DDS驱动电路模块进行对驱动信号波形、幅值、频率、相位的设定；DDS驱动电路模块为石英压电陀螺仪模块提供所需要的波形、幅值、频率、相位可变的四相位驱动信号或作为石英压电陀螺仪模块的激励源，同时为检测电路模块提供参考信号；石英压电陀螺仪模块在DDS驱动电路模块所给的信号下被激振或被驱动，正常工作时通过检测电极产生检测信号；检测电路模块对石英压电陀螺仪模块产生的信号进行处理。
[0031 ] 所述计算机控制模块通过使用DDS开发板生产厂家提供的与DDS驱动电路模块中的核心芯片相配套的软件，对含核心芯片的开发板进行控制，设定开发板中核心芯片所发出信号的波形、幅值、频率及相位。
[0032]如图2所示，为本发明一实施例DDS驱动电路模块的芯片原理图，本实施例中，DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分，其中:频率控制寄存器以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；高速相位累加器根据DDS频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦计算器对该相位值计算数字化正弦波幅度(芯片一般通过查表得到)；DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号；另外，有些DDS芯片还具有调幅、调频和调相等调制功能及片内D/A变换器。
[0033]DDS驱动电路模块的分类主要由以下两种:
[0034]一、任意波形发生器(AWG)
[0035]任意波形发生器通常提供较深的存储器，较大的动态范围以及较宽的带宽，来满足各式各样的应用，包括通信、半导体和系统测试。AWG接收来自计算机的用户自定义数据，并利用这些数据来生成任意波形。AWG用户可以将想要产生的一系列波形下载到仪器所带的存储器中。通常，可以存储实际的波形和形成这些波形所需的波形序列指令。要从AWG上产生一种波形，必须先创建任意波形本身。像模拟波形编辑器，调制工具，以及国家仪器公司(NI)的LabVIEW这类的软件工具都能够简化这些波形的创建。这些波形和其波形序列指令都存在仪器所带的RAM中。波形生成序列通常从TTL硬件触发器开始。各种波形由许多单个的样本构成，而生成采样率由仪器的采样时钟确定。从内部采样时钟时基(100MHzVCX0)中导出采样时钟有几种不同模式，包括DDS定时Div/N时钟，以及几种提供不同外部时钟的模式。另外，对于用于仪器的锁相环的频率基准，也有几种不同的选择。波形通过存储器到数模转换器(DAC)，数模转换器将数字采样样本转换成所需的模拟输出波形。在DAC之前，样本被数字滤波，而经过DAC之后，模拟输出又通过一个模拟滤波器。这些数字和模拟滤波器通过插值来增加采样率，并通过谐波低通滤波器滤除寄生信号，从而极大地改进了信号的质量。通常，这些滤波器都能够软件编程。AWG允许用户规定波形片断，并通过重复来构建复杂波形。由于AWG将波形存储在自身存储器中，故波形长度受限。波形循环帮助产生具有多次重复的子段的信号。对波形段进行循环改善了存储效率，并增加了波形的持续时间。AWG还可以规定波形中不同的级，每级都可以包括不同的波形段和不同的循环次数。AWG依次产生每一个定义的波形段。通过组合先后顺序和循环次数，就能够利用很小的存储器容量来构建非常复杂的波形。AWG可以为每段指定不同的波形片段，不过不同段之间的过渡点上的相位不一定是连续的。
[0036]二、函数发生器[0037]函数发生器产生固定波形，如正弦波、方波(矩形波)阶梯波或三角波(锯齿波)，频率可调节。函数发生器无需来自计算机或大容量存储缓冲器的连续输入，因为设备本身能够产生这些波形。函数发生器可以基于模拟技术，也可以基于数字技术。模拟函数发生器利用模拟硬件来产生简单的函数，并在需要指定频率的静态正弦波或方波时经常使用。而数字函数发生器采用直接数字综合(DDS)，DAC，数字信号处理，以及一个单周期存储缓冲器来产生信号。DDS技术依赖数字控制的方法，利用单基准时钟频率来实现一个模拟频率源。DDS能够实现高精度和高分辨率，高温度稳定度，高宽带，以及随机的和相位连续的频率切换。许多信号源通过对一个内部时基进行整数分频来产生时钟信号，这被称为除N方法。但是，用除N方法来产生时钟，只能产生有限的时钟频率。AWG，甚至几个时钟频率产生器，可以采用DDS技术来产生具有非常精细的更新频率时钟信号，而这是除N方法无法实现的。一个完整周期的函数波形被存储在存储器查找表中。相位累加器跟踪输出函数的电流相位。为了输出一个非常低的频率，采样样本之间的差相位(A)将非常小。例如，一个很慢的正弦波可能将有I度的△相位。则波形的0号采样样本采得0度时刻的正弦波的幅度，而波形的I号采样将采得I度时刻的正弦波的幅度，依次类推。经过360次采样后，将输出正弦曲线的全部360度，或者确切地说是一个周期。一个较快的正弦波可能会有10度的A相位。于是，36次采样就会输出正弦波的一个周期。如果采样率保持恒定，上述较慢的正弦波的频率将比较快的正弦波慢10倍。进一步说，一个恒定的A相位必将导致一个恒定正弦波频率的输出。但是，DDS技术允许通过一个频率表迅速地改变信号的A相位。函数发生器能够指定一个频率表，该表包括由波形频率和持续时间信息组成的各个段。函数发生器按顺序产生每个定义的频率段。通过生成一个频率表,可以构建复杂的频率扫描信号和频率跳变信号。DDS允许函数发生器的相位从一级到另一级连续变化。矢量信号发生器提供高灵活度和强大的解决方案，可用于科学研究，通信，消费电子，宇航/国防，半导体测试以及一些新兴领域，如软件无线电，无线电频率识别(RFID)，以及无线传感网络等。有些公司还提供许多其他利用DAC来产生模拟信号的模拟输出产品。模拟输出板的基本架构是，将一个小型的FIFO存储器连接到一个DAC上。绝大部分的模拟输出板被用来产生静态电压，而且许多可以被用来产生低频波形。
[0038]如图3所示为本实施例所用的石英压电陀螺仪模块结构示意图(可参见申请号为200510131905.3的发明专利)，其结构包括:石英压电陀螺仪1，石英压电陀螺仪的压电振动体2，石英压电陀螺仪的基部3，在压电振动体2第一侧面上形成的第一驱动电极4A，在压电振动体2第二侧面上形成在宽度方向上分离的第二驱动电极4B、第三驱动电极4C、第四驱动电极4D，在压电振动体2第一侧面上形成的第一检测电极5A和在压电振动体2第二侧面上形成的第二检测电极5B ;其中:
[0039]本实施例所述石英压电陀螺仪的压电振动体2为一截面呈正方形的棱柱体，所述石英压电陀螺仪的基部3在所述石英压电陀螺仪的压电振动体2的一端设置；在使用时，石英压电陀螺仪I在所述石英压电陀螺仪的基部3固定，而使所述石英压电陀螺仪的压电振动体2作为自由端保持可振动状态
[0040]本实施例提供一种石英压电陀螺仪的开环驱动控制系统针对石英压电陀螺仪的测试控制方法:先通过计算机控制模块开始为DDS驱动电路模块设定驱动信号波形、幅值、频率、相位，随后DDS驱动电路模块对石英压电陀螺仪模块发出一串间隔可控、宽度可调的脉冲信号对陀螺进行激励，利用陀螺的自激振荡可以从陀螺的检测电路模块中测得陀螺的谐振频率。得到陀螺的谐振频率后，再次设定计算机控制模块的各项参数，控制DDS驱动电路模块产生四路波形为正弦波、幅值满足驱动要求、频率为陀螺谐振频率、相位互差90度的符合需要的信号，输入陀螺的驱动电极对陀螺进行有效地驱动，并在陀螺的检测电极上得到高水平的检测信号。而后，在检测电路模块中利用得到的检测信号和DDS驱动电路模块所产生的四路驱动信号中的某几路信号，便可以较为简单地得到需要的输出信号，从而实现利用电路协助石英压电陀螺仪模块的角速度检测。
[0041]以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
【权利要求】
1.一种石英压电陀螺仪的开环驱动控制系统，其特征在于，包括计算机控制模块、DDS驱动电路模块、石英压电陀螺仪模块和检测电路模块，其中: 计算机控制模块利用软件对DDS驱动电路模块所需的信号波形、幅值、频率、相位进行设定和调整，并通过通信接口与DDS驱动电路模块进行连接和信号传输； DDS驱动电路模块为石英压电陀螺仪模块提供四相位、高质量的驱动信号，使石英压电陀螺仪模块在给定波形、幅值、频率、相位的驱动信号下正常工作，并为检测电路模块提供参考信号； 石英压电陀螺仪模块在DDS驱动电路模块所给的信号下被激振或被驱动，并通过检测电极产生检测信号； 检测电路模块对石英压电陀螺仪模块产生的检测信号进行采集、处理和输出，在处理过程中同时应用DDS驱动电路模块所产生的信号。
2.根据权利要求1所述的一种石英压电陀螺仪的开环驱动控制系统，其特征在于，所述DDS驱动电路模块产生四路幅值、频率可控，相位可调的正弦信号，对石英压电陀螺仪模块进行驱动，其中:信号的幅值和频率通过对石英压电陀螺仪模块的测试，根据需要通过计算机控制模块进行设定；信号的相位差和波形通过计算机控制模块传输给DDS驱动电路模块的信号进行控制。
3.根据权利要求2所述的一种石英压电陀螺仪的开环驱动控制系统，其特征在于，所述DDS驱动电路模块是通过数字芯片和外部电路所结合形成的DDS系统，该系统通过通信接口接收由计算机控制模块产生的信号，经过电路处理后进入数字芯片，对数字芯片进行控制并按照设定产生四路波形、幅值、频率、相位符合需要的信号，信号经处理后通过外部电路提供的接口输出。
4.根据权利要求3所述的一种石英压电陀螺仪的开环驱动控制系统，其特征在于，所述数字芯片包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分，其中:频率控制寄存器以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；高速相位累加器根据DDS频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦计算器对该相位值计算数字化正弦波幅度。
5.根据权利要求3所述的一种石英压电陀螺仪的开环驱动控制系统，其特征在于，所述计算机控制模块通过使用与DDS驱动电路模块中的数字芯片相配套的软件，对含数字芯片的开发板进行控制，设定数字芯片所发出信号的波形、幅值、频率及相位。
6.根据权利要求1-5 任一项所述的一种石英压电陀螺仪的开环驱动控制系统，其特征在于，所述石英压电陀螺仪模块包括陀螺、陀螺固定框架和陀螺电路接口，其中:陀螺作为被测试元件设置于陀螺固定框架的中心，并与陀螺电路接口相连；陀螺固定框架将上述结构固定好后，陀螺同DDS驱动电路模块相连。
7.根据权利要求6所述的一种石英压电陀螺仪的开环驱动控制系统，其特征在于，所述陀螺包括中心的压电振动体、在压电振动体侧面上分布的第一、第二、第三、第四驱动电极和在压电振动体侧面上分布的若干个检测电极，通过DDS驱动电路模块带相位差地向各驱动电极施加驱动电流，使压电振动体振动。
8.根据权利要求1-5任一项所述的一种石英压电陀螺仪的开环驱动控制系统，其特征在于，所述DDS驱动电路模块同时作为所述石英压电陀螺仪模块的激励源，其中:所述DDS驱动电路模块产生的激励为一串间隔可控、宽度可调的脉冲信号，使石英压电陀螺仪模块产生自激振荡，并在此条件下检测石英压电陀螺仪模块的谐振点。
9.一种采用权利要求1所述开环控制系统实现的石英压电陀螺仪的开环控制方法，其特征在于具体步骤如下: 第一步，通过计算机控制模块设定DDS驱动电路模块对石英压电陀螺仪模块发出一串间隔可控、宽度可调的脉冲信号对陀螺进行激励，利用陀螺的自激振荡可以从陀螺的检测电路中测得陀螺的谐振频率； 第二步，得到陀螺的谐振频率后，再次设定计算机控制模块的各项参数，控制DDS驱动电路模块产生四路波形为正弦波、幅值满足驱动要求、频率为陀螺谐振频率、相位互差90度的符合需要的信号，输入陀螺的驱动电极对陀螺进行有效地驱动，并在陀螺的检测电极上得到高水平的检测信号； 第三步，而后在检测电路模块中利用得到的检测信号和DDS驱动电路模块所产生的四路驱动信号中的某几路信号，便简单地得到需要的输出信号，从而实现利用电路协助石英压电陀螺仪模块的角速度检测。
【文档编号】G01C19/5776GK103644902SQ201310615814
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】张卫平, 汪濙海, 张弓, 孙殿竣, 成宇翔, 唐健, 许仲兴, 陈文元, 刘亚东 申请人:上海交通大学