一种低成本微机械惯性测量组合的温度控制系统的制作方法

本发明涉及一种微机械惯性测量领域，特别是一种低成本微机械惯性测量组合的温度控制系统。

背景技术：

随着惯性技术的不断发展，对惯性测量组合精度要求越来越高，减小惯性系统各项误差的系统也得到研究和应用。微机械(MEMS)惯性测量器件以其长寿命、低成本、小体积、高可靠性、准备时间短和低功耗等优点在惯性测量组合中得到了大量的应用。但是微机械惯性传感器相对于机械式、光纤等惯性测量传感器精度较低且环境温度变化对微机械惯性传感器精度影响较大，为降低温度对微机械惯性传感器精度的影响，设计了一种温度控制系统，在组合整体方案上可对微机械惯性传感器使用同一个温度量进行温度控制和温度补偿，且保证了微机械惯性信号采集处理电路与温控电路的隔离，可有效的提高低成本微机械惯性测量组合的精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种低成本微机械惯性测量组合的温度控制系统，使微机械惯性测量组合温度控制和温度补偿相结合，提高微机械惯性测量组合精度的温度控制系统。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种适用于微机械惯性测量组合的温度控制系统，包括温控保温模块、信号采集处理通讯模块和温控模块；其中，温控保温模块包括顶部加热片、侧边加热片、加热罩和底座；加热罩固定安装在底座的上表面，加热罩的顶部外部安装有顶部加热片，加热罩的外侧壁固定安装有侧边加热片；

温控保温模块：在加热罩的加热作用下，生成加速度数字信号、加速度计温度数字信号、角速度数字信号和陀螺温度数字信号，并将加速度数字信号、加速度计温度数字信号、角速度数字信号和陀螺温度数字信号传输至信号采集处理通讯模块；生成加热罩温度信号，并将加热罩温度信号传输至温控模块；

信号采集处理通讯模块：接收温控保温模块传来的加速度数字信号、加速度计温度数字信号、角速度数字信号和陀螺温度数字信号，对加速度数字信号、加速度计温度数字信号、角速度数字信号和陀螺温度数字信号进行采集，将采集的加速度计温度数字信号和陀螺温度数字信号传输至温控模块；将采集的加速度数字信号、加速度计温度数字信号、角速度数字信号和陀螺温度数字信号输出至外部惯性测量组合模块；

温控模块：接收信号采集处理通讯模块传来的采集到的加速度计温度数字信号和陀螺温度数字信号；

采集温控保温模块周围的外部环境温度信号，将环境温度信号转换成环境温度数字信号；

接收温控保温模块传来的加热罩温度信号，将加热罩温度信号转换为加热罩温度电信号，再将将加热罩温度电信号转换成加热罩温度数字信号；

接收外部供电电压信号，将外部供电电压信号衰减至0-5v，再将衰减后的供电电压信号转换成衰减后的供电电压数字信号；

将加速度计温度数字信号、陀螺温度数字信号、环境温度数字信号、加热罩温度数字信号和衰减后的供电电压数字信号分别解算为实际物理量值，然后将解算出的加速度计温度物理量数字信号、陀螺温度物理量数字信号、环境温度物理量数字信号、加热罩温度物理量数字信号和供电电压物理量数字信号进行补偿校准，生成补偿后的加速度计温度物理量信号、陀螺温度物理量信号、环境温度物理量信号、加热罩温度物理量信号和供电电压物理量信号；自主选择补偿后的加速度计温度物理量信号或补偿后的陀螺温度物理量信号作为被控对象；计算系统设定温度与被控对象温度的差值e_ss，根据计算得到的温度差值e_ss分阶段采用全功率加热或PID算法的控制方式计算驱动电流量；根据接收的环境温度物理量信号和加热罩温度物理量信号，对计算得到的驱动电流量进行控制补偿，得控制补偿后的驱动电流量I_PID；根据接收的供电电压物理量信号和控制补偿后的驱动电流量I_PID，计算输出驱动顶部加热片的X-PWM值PWM1_reg，生成驱动顶部加热片的X-PWM信号，对X-PWM信号进行功率放大后驱动顶部加热片对加热罩进行加热；计算输出驱动侧边加热片的Y-PWM值PWM2_reg，并生成驱动侧边加热片的Y-PWM信号，对Y-PWM信号进行功率放大后驱动侧边加热片对加热罩进行加热；

同时，将选择的被控对象温度、环境温度物理量信号、加热罩温度物理量信号、衰减后的供电电压物理量信号和控制补偿后的驱动电流量通过串口输出至外部串口数据采集设备。

在上述的一种适用于微机械惯性测量组合的温度控制系统，所述的温控保温模块包括顶部加热片、侧边加热片、加热罩、底座、微机械加速度计传感器、微机械陀螺传感器和模数转换电路；加热罩固定安装在底座的上表面，加热罩的顶部外部安装有顶部加热片，加热罩的外侧壁固定安装有侧边加热片；微机械加速度计传感器、微机械陀螺传感器和模数转换电路固定安装在加热罩和底座组成的空腔内。

在上述的一种适用于微机械惯性测量组合的温度控制系统，在加热罩的加热作用下，

微机械加速度计传感器：输出加速度模拟信号和加速度计温度模拟信号至模数转换电路；模数转换电路接收微机械加速度计传感器输出的加速度模拟信号和加速度计温度模拟信号，对加速度模拟信号依此进行滤波、模数转换处理，生成加速度数字信号；对加速度计温度模拟信号依此进行滤波、模数转换处理，生成加速度计温度数字信号；并将加速度计数字信号、加速度计温度数字信号传输至信号采集处理通讯模块；

微机械陀螺传感器：输出角速度模拟信号和陀螺温度模拟信号至模数转换电路；模数转换电路接收微机械陀螺传感器输出的角速度模拟信号和陀螺温度模拟信号，对角速度模拟信号依此进行滤波、模数转换处理，生成角速度数字信号；对陀螺温度模拟信号依此进行滤波、模数转换处理，生成陀螺温度数字信号；并将角速度数字信号、陀螺温度数字信号传输至信号采集处理通讯模块；

加热罩：将加热罩温度信号传输至温控模块。

在上述的一种适用于微机械惯性测量组合的温度控制系统，所述温控模块包括通讯模块、信号处理模块、数据采集模块、解算补偿模块、控制模块、X功率驱动模块和Y功率驱动模块；

通讯模块：接收信号采集处理通讯模块传来的加速度计温度数字信号和陀螺温度数字信号，并将加速度计温度数字信号和陀螺温度数字信号传输至数据采集模块；

信号处理模块：接收加热罩传来的加热罩温度信号，将加热罩温度信号转换为加热罩温度电信号，并将加热罩温度电信号传输至数据采集模块；接收外部供电电压信号，将外部供电电压信号衰减至0-5v，并将衰减后的供电电压信号传输至数据采集模块；

数据采集模块：接收通讯模块传来的加速度计温度数字信号和陀螺温度数字信号，并将接收的加速度计温度数字信号和陀螺温度数字信号输出至解算补偿模块；接收信号处理模块传来的衰减后的供电电压信号，将衰减后的供电电压信号转换成衰减后的供电电压数字信号，并将衰减后的供电电压数字信号传输至解算补偿模块；采集温控保温模块周围的外部环境温度信号，将环境温度信号转换成环境温度数字信号，并将环境温度数字信号传输至解算补偿模块；

解算补偿模块：接收数据采集模块传来的加速度计温度数字信号、陀螺温度数字信号、环境温度数字信号、加热罩温度数字信号和衰减后的供电电压数字信号；将接收的加速度计温度数字信号、陀螺温度数字信号、环境温度数字信号、加热罩温度数字信号和衰减后的供电电压数字信号分别解算为实际物理量值，然后将解算出的加速度计温度物理量数字信号、陀螺温度物理量数字信号、环境温度物理量数字信号、加热罩温度物理量数字信号和供电电压物理量数字信号进行补偿校准，生成补偿后的加速度计温度物理量信号、陀螺温度物理量信号、环境温度物理量信号、加热罩温度物理量信号和供电电压物理量信号，并将补偿后的加速度计温度物理量信号、陀螺温度物理量信号、环境温度物理量信号、加热罩温度物理量信号和供电电压物理量信号传输至控制模块；

控制模块：接收解算补偿模块传来的补偿后的加速度计温度物理量信号、陀螺温度物理量信号、环境温度物理量信号Env_Temp、加热罩温度物理量信号Zhao_Temp和供电电压物理量信号VDC；自主选择补偿后的加速度计温度物理量信号或补偿后的陀螺温度物理量信号作为被控对象；计算系统设定温度与被控对象温度的差值e_ss，根据计算得到的温度差值e_ss分阶段采用全功率加热或PID算法的控制方式计算驱动电流量；根据接收的环境温度物理量信号和加热罩温度物理量信号，对计算得到的驱动电流量进行控制补偿，得控制补偿后的驱动电流量I_PID；根据接收的供电电压物理量信号和控制补偿后的驱动电流量I_PID，计算输出驱动顶部加热片的X-PWM值PWM1_reg，并生成驱动顶部加热片的X-PWM信号，将驱动顶部加热片的X-PWM信号输出至X功率驱动模块，计算输出驱动侧边加热片的Y-PWM值PWM2_reg，并生成驱动侧边加热片的Y-PWM信号，将驱动侧边加热片的Y-PWM信号输出至Y功率驱动模块；同时，控制模块将选择的被控对象温度、环境温度物理量信号、加热罩温度物理量信号、衰减后的供电电压物理量信号和控制补偿后的驱动电流量通过串口输出至外部串口数据采集设备；

X功率驱动模块：接收控制模块传来的驱动顶部加热片的X-PWM信号，进行功率放大后驱动顶部加热片对加热罩进行加热；

Y功率驱动模块：接收控制模块传来的驱动侧边加热片的Y-PWM信号，进行功率放大后驱动侧边加热片对加热罩进行加热。

在上述的一种适用于微机械惯性测量组合的温度控制系统，所述微机械陀螺传感器为三向测量传感器，微机械加速度计传感器为三向测量传感器，测量方向均为x、y、z。

在上述的一种适用于微机械惯性测量组合的温度控制系统，所述信号采集处理通讯模块与温控模块的通讯方式为RS422总线或其他非共地的串口通讯总线方式。

在上述的一种适用于微机械惯性测量组合的温度控制系统，所述温控模块控制温度比微机械加速度计传感器和微机械陀螺传感器最高环境温度高3-10℃。

在上述的一种适用于微机械惯性测量组合的温度控制系统，根据计算得到的温度差值e_ss分阶段采用全功率加热或PID算法的控制方式计算驱动电流量的方法为：当e_ss>20℃时，采用全功率加热，同时根据顶部加热片的被控对象温度和侧边加热片的被控对象温度差，以一定的比例减小温度较高一路的温度较高一路的X-PWM或Y-PWM的值，使顶部与侧边温度均匀平衡地上升；当e_ss≤20℃且e_ss≥-2℃时，采用PID算法分别计算顶部与侧边加热片的电流控制量，与供电电压结合计算X-PWM和Y-PWM输出量；当-2℃≤e_ss≤0℃时，仍然采用PID算法控制减小温度超调后的稳态误差；当e_ss≤-2℃时，加热片功率输出为0。

在上述的一种适用于微机械惯性测量组合的温度控制系统，采用全功率加热控制方式计算驱动电流量的方法为：

XI_FULL＝(VDC-V_EC)/RL_X-K_{XFULL_P}(Temp_X-Temp_Y)

YI_FULL＝(VDC-V_EC)/RL_Y-K_{YFULL_P}(Temp_Y-Temp_X)

其中，VDC为温控系统供电电压物理量信号；

V_EC为功率管压降；

XI_FULL为顶部加热片全功率驱动电流；

RL_X为顶部加热片阻值；

Temp_X为顶部加热片对应被控对象的温度值；

K_{XFULL_P}为顶部均衡升温控制比例系数；

YI_FULL为侧边加热片全功率驱动电流；

RL_Y为侧边加热片阻值；

Temp_Y为侧边加热片对应被控对象的温度值；

K_{YFULL_P}为侧边均衡升温控制比例系数；

采用PID算法的控制方式计算驱动电流量的方法为：

首先结合环境温度计算当前环境下加热罩应到达的温度与采集加热罩温度差值和保温结构热平衡电流，公式如下：

Xe_ss＝Temp_set-Temp_X；

XI_erro＝k2_XI×Env_Temp²+k1_XI×Env_Temp+k0_XI；

Ye_ss＝Temp_set-Temp_Y；

YI_erro＝k2_YI×Env_Temp²+k1_YI×Env_Temp+k0_YI；

Zhao_erro＝(k1_zhao×Env_Temp-k0_zhao)-Zhao_Temp；

式中，Temp_set为温度控制设定温度，比组合最高工作环境温度高3～10℃；Temp_X为顶部加热片对应被控对象的温度值；Xe_ss为设定温度与顶部被控对象温度差值；k2_XI、k1_XI、k0_XI为环境温度与顶部保温结构热平衡电流的二次项拟合系数；XI_erro为环境温度下顶部保温结构热平衡电流值；Temp_Y为侧边加热片对应被控对象的温度值；Ye_ss为设定温度与被侧边控对象温度差值；k2_YI、k1_YI、k0_YI为环境温度与侧边保温结构热平衡电流的二次项拟合系数；YI_erro为环境温度下侧边保温结构热平衡电流值；Zhao_Temp为采集的加热罩温度；Env_Temp为采集的环境温度；k1_zhao、k0_zhao为环境温度下加热罩应到达温度的一次项拟合系数；Zhao_erro为环境温度下加热罩应到达的温度与采集加热罩温度差值；

根据计算的差值和热平衡电流，进行PID计算，顶部PID控制驱动电流公式如下:

XI_PI＝K_XP_Temp×Xe_ss+K_XP_Zhao×Zhao_e_ss+XI_erro+K_XI_Temp×Sum_Xe_ss；

XI_D＝K_XD_Temp×(Temp_X-Temp_X_1S)+K_XD_Zhao×(Zhao_Temp-Zhao_Temp_1S)+K_XD_Env×(Env_Temp-Env_Temp_1S)；

XI_PID＝XI_PI+XI_D；

式中K_XP_Temp 为设定温度与顶部被控对象温度差值的比例系数；

Xe_ss 为设定温度与顶部被控对象温度差值；

K_XI_Temp 为设定温度与顶部被控对象温度差值的积分系数；

Sum_Xe_ss 为设定温度与顶部被控对象温度差值的积分值；

K_XD_Temp 为顶部被控对象温度的微分系数；

Temp_X 为顶部加热片对应被控对象的温度值；

Temp_X_1S 为1s前顶部被控对象温度；

K_XP_Zhao 为顶部加热罩温度差值的比例系数；

Zhao_e_ss 为环境温度下加热罩应到达的温度与采集加热罩温度差值；

K_XD_Zhao 为顶部加热罩温度的微分系数；

Zhao_Temp 为采集的加热罩温度；

Zhao_Temp_1S 为1s前加热罩温度；

XI_erro 为环境温度下顶部保温结构热平衡电流值；

K_XD_Env 为顶部环境温度的微分系数；

Env_Temp 为采集的环境温度；

Env_Temp_1S 为1s前环境温度；

XI_PI 为顶部加热片的稳态控制电流；

XI_D 为顶部加热片的动态控制电流；

XI_PID 为顶部加热片的PID控制驱动电流；

侧边PID控制驱动电流公式如下:

YI_PI＝K_YP_Temp×Ye_ss+K_YP_Zhao×Zhao_e_ss+YI_erro+K_YI_Temp×Sum_Ye_ss；

YI_D＝K_YD_Temp×(Temp_Y-Temp_Y_1S)+K_YD_Zhao×(Zhao_Temp-Zhao_Temp_1S)+K_YD_Env×(Env_Temp-Env_Temp_1S)；

YI_PID＝YI_PI+YI_D；

式中K_YP_Temp 为设定温度与侧边被控对象温度差值的比例系数；

Ye_ss 为设定温度与侧边被控对象温度差值；

K_YI_Temp 为设定温度与侧边被控对象温度差值的积分系数；

Sum_Ye_ss 为设定温度与侧边被控对象温度差值的积分值；

K_YD_Temp 为侧边被控对象温度的微分系数；

Temp_Y 为侧边加热片对应被控对象的温度值；

Temp_Y_1S 为1s侧边部被控对象温度；

K_YP_Zhao 为侧边加热罩温度差值的比例系数；

Zhao_e_ss 为环境温度下加热罩应到达的温度与采集加热罩温度差值；

K_YD_Zhao 为侧边加热罩温度的微分系数；

Zhao_Temp 为采集的加热罩温度；

Zhao_Temp_1S 为1s前加热罩温度；

YI_erro 为环境温度下侧边保温结构热平衡电流值；

K_YD_Env 为侧边环境温度的微分系数；

Env_Temp 为采集的环境温度；

Env_Temp_1S 为1s前环境温度；

YI_PI 为侧边加热片的稳态控制电流；

YI_D 为侧边加热片的动态控制电流；

YI_PID 为侧边加热片的PID控制驱动电流。

在上述的一种适用于微机械惯性测量组合的温度控制系统，采用PID算法的控制方式计算驱动电流量转换为PWM值的方法为：

式中，X_PWM为顶部加热片PWM控制信号输出寄存器值；

Y_PWM为侧边加热片PWM控制信号输出寄存器值；

Full_PWM为PWM寄存器位数满值，例如14位PWM寄存器Full_PWM＝16383；

XI_PID为顶部加热片的PID控制驱动电流；

RL_X为顶部加热片阻值；

YI_PID为侧边加热片的PID控制驱动电流；

RL_Y为侧边加热片阻值；

VDC为温控系统供电电压；

V_EC为功率驱动电路功率管压降。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明中温度控制系统的被控对象是微机械加速度计传感器或微机械陀螺传感器，控制更直接；微机械加速度计传感器和微机械陀螺传感器温度信号经信号处理模块通过数据总线发送给温控模块，作为被控温度，不使用额外的温度传感器。经控制算法解算控制加热片加热，使微机械惯性测量传感器工作在恒定的温度环境下，从而克服环境温度变化对惯性测量器件输出精度的影响，同时可通过信号采集处理通讯电路对惯性器件进行温度补偿，进一步提高微机械惯性测量组合的应用精度。本发明利用微机械惯性测量电路采集的温度信号，经422通讯总线发送给温控电路板，避免温控电路对惯性信号测量电路的干扰，温度信号既可为惯性信号进行温度补偿，又可作为温度被控对象，提高微机械惯性测量组合的精度；

(2)本发明温度控制点比微机械惯性测量组合最高工作环境温度高3℃～10℃，只采用加热片加热(无制冷)的方式可降低组合成本和体积重量；

(3)本发明以顶部和侧边微机械惯性传感器温度为控制量，经两路控制算法计算控制量，经两路功率驱动电路分别控制顶部和侧边加热片，使升温过程更迅速，保温结构内温度更均匀；

(4)本发明采用采集环境温度、加热罩温度和供电电压参与控制算法的解算过程，使控制温度在大范围工作环境温度和供电电压变化的条件下具有良好的控制精度和动态特性。

附图说明

图1为本发明温度控制系统图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

本发明是一种适用于低成本微惯性测量组合的温度控制系统，在硬件上温控系统结合惯性信号处理电路充分利用模数转换电路的通道实现温度的高精度转换采集，降低了成本的同时，实现微机械惯性测量组合的温度补偿和温度控制，提高组合的输出精度；通过顶部与侧边加热片控制温度点高于组合最高工作温度3℃～10℃，大大的节省温度控制系统成本和保温结构体积，且保证了升温的快速性和温度的均匀性；以422通讯的方式采集被控对象温度，可灵活选择微惯性传感器的温度控制对象，且温控不对组合精度造成影响；采用数字PWM功率驱动的方式使功率管工作于开关状态，降低了功率管的发热量，提高了驱动效率。在软件控制上，被控对象温度较低时全功率驱动发热和均衡升温相结合，兼顾温度控制的快速性和温度的均匀性；多传感器结合的PID控制算法，使温度控制系统在大范围的环境温度和宽供电电压范围内具有良好的控制精度和极小的超调量。本发明的温度控制系统可使微惯性测量传感器恒定环境下控制精度0.1℃，高低温环境下控制精度0.5℃，极大的提高了微机械惯性测量组合的精度，具有低成本，控制精度高，环境适应性强的特点。

如图1所示为温度控制系统图，由图可知，一种适用于微机械惯性测量组合的温度控制系统，包括温控保温模块、信号采集处理通讯模块和温控模块；其中，温控保温模块包括顶部加热片、侧边加热片、加热罩和底座；加热罩固定安装在底座的上表面，加热罩的顶部外部安装有顶部加热片，加热罩的外侧壁固定安装有侧边加热片；

温控保温模块：在加热罩的加热作用下，生成加速度数字信号、加速度计温度数字信号、角速度数字信号和陀螺温度数字信号，并将加速度数字信号、加速度计温度数字信号、角速度数字信号和陀螺温度数字信号传输至信号采集处理通讯模块；生成加热罩温度信号，并将加热罩温度信号传输至温控模块；

信号采集处理通讯模块：接收温控保温模块传来的加速度数字信号、加速度计温度数字信号、角速度数字信号和陀螺温度数字信号，对加速度数字信号、加速度计温度数字信号、角速度数字信号和陀螺温度数字信号进行采集，将采集的加速度计温度数字信号和陀螺温度数字信号传输至温控模块；将采集的加速度数字信号、加速度计温度数字信号、角速度数字信号和陀螺温度数字信号输出至外部惯性测量组合模块；

温控模块：接收信号采集处理通讯模块传来的采集到的加速度计温度数字信号和陀螺温度数字信号；

采集温控保温模块周围的外部环境温度信号，将环境温度信号转换成环境温度数字信号；

接收温控保温模块传来的加热罩温度信号，将加热罩温度信号转换为加热罩温度电信号，再将将加热罩温度电信号转换成加热罩温度数字信号；

接收外部供电电压信号，将外部供电电压信号衰减至0-5v，再将衰减后的供电电压信号转换成衰减后的供电电压数字信号；

将加速度计温度数字信号、陀螺温度数字信号、环境温度数字信号、加热罩温度数字信号和衰减后的供电电压数字信号分别解算为实际物理量值，然后将解算出的加速度计温度物理量数字信号、陀螺温度物理量数字信号、环境温度物理量数字信号、加热罩温度物理量数字信号和供电电压物理量数字信号进行补偿校准，生成补偿后的加速度计温度物理量信号、陀螺温度物理量信号、环境温度物理量信号、加热罩温度物理量信号和供电电压物理量信号；自主选择补偿后的加速度计温度物理量信号或补偿后的陀螺温度物理量信号作为被控对象；计算系统设定温度与被控对象温度的差值e_ss，根据计算得到的温度差值e_ss分阶段采用全功率加热或PID算法的控制方式计算驱动电流量；根据接收的环境温度物理量信号和加热罩温度物理量信号，对计算得到的驱动电流量进行控制补偿，得控制补偿后的驱动电流量I_PID；根据接收的供电电压物理量信号和控制补偿后的驱动电流量I_PID，计算输出驱动顶部加热片的X-PWM值PWM1_reg，生成驱动顶部加热片的X-PWM信号，对X-PWM信号进行功率放大后驱动顶部加热片对加热罩进行加热；计算输出驱动侧边加热片的Y-PWM值PWM2_reg，并生成驱动侧边加热片的Y-PWM信号，对Y-PWM信号进行功率放大后驱动侧边加热片对加热罩进行加热；

同时，将选择的被控对象温度、环境温度物理量信号、加热罩温度物理量信号、衰减后的供电电压物理量信号和控制补偿后的驱动电流量通过串口输出至外部串口数据采集设备。

所述的温控保温模块包括顶部加热片、侧边加热片、加热罩、底座、微机械加速度计传感器、微机械陀螺传感器和模数转换电路；加热罩固定安装在底座的上表面，加热罩的顶部外部安装有顶部加热片，加热罩的外侧壁固定安装有侧边加热片；微机械加速度计传感器、微机械陀螺传感器和模数转换电路固定安装在加热罩和底座组成的空腔内。

微机械加速度计传感器：在加热罩的加热作用下，输出加速度模拟信号和加速度计温度模拟信号至模数转换电路；模数转换电路接收微机械加速度计传感器输出的加速度模拟信号和加速度计温度模拟信号，对加速度模拟信号依此进行滤波、模数转换处理，生成加速度数字信号；对加速度计温度模拟信号依此进行滤波、模数转换处理，生成加速度计温度数字信号；并将加速度计数字信号、加速度计温度数字信号传输至信号采集处理通讯模块；

微机械陀螺传感器：输出角速度模拟信号和陀螺温度模拟信号至模数转换电路；模数转换电路接收微机械陀螺传感器输出的角速度模拟信号和陀螺温度模拟信号，对角速度模拟信号依此进行滤波、模数转换处理，生成角速度数字信号；对陀螺温度模拟信号依此进行滤波、模数转换处理，生成陀螺温度数字信号；并将角速度数字信号、陀螺温度数字信号传输至信号采集处理通讯模块；

加热罩：将加热罩温度信号传输至温控模块。

所述温控模块包括通讯模块、信号处理模块、数据采集模块、解算补偿模块、控制模块、X功率驱动模块和Y功率驱动模块；

通讯模块：接收信号采集处理通讯模块传来的加速度计温度数字信号和陀螺温度数字信号，并将加速度计温度数字信号和陀螺温度数字信号传输至数据采集模块；

信号处理模块：接收加热罩传来的加热罩温度信号，将加热罩温度信号转换为加热罩温度电信号，并将加热罩温度电信号传输至数据采集模块；接收外部供电电压信号，将外部供电电压信号衰减至0-5v，并将衰减后的供电电压信号传输至数据采集模块；

数据采集模块：接收通讯模块传来的加速度计温度数字信号和陀螺温度数字信号，并将接收的加速度计温度数字信号和陀螺温度数字信号输出至解算补偿模块；接收信号处理模块传来的衰减后的供电电压信号，将衰减后的供电电压信号转换成衰减后的供电电压数字信号，并将衰减后的供电电压数字信号传输至解算补偿模块；采集温控保温模块周围的外部环境温度信号，将环境温度信号转换成环境温度数字信号，并将环境温度数字信号传输至解算补偿模块；

解算补偿模块：接收数据采集模块传来的加速度计温度数字信号、陀螺温度数字信号、环境温度数字信号、加热罩温度数字信号和衰减后的供电电压数字信号；将接收的加速度计温度数字信号、陀螺温度数字信号、环境温度数字信号、加热罩温度数字信号和衰减后的供电电压数字信号分别解算为实际物理量值，然后将解算出的加速度计温度物理量数字信号、陀螺温度物理量数字信号、环境温度物理量数字信号、加热罩温度物理量数字信号和供电电压物理量数字信号进行补偿校准，生成补偿后的加速度计温度物理量信号、陀螺温度物理量信号、环境温度物理量信号、加热罩温度物理量信号和供电电压物理量信号，并将补偿后的加速度计温度物理量信号、陀螺温度物理量信号、环境温度物理量信号、加热罩温度物理量信号和供电电压物理量信号传输至控制模块；

控制模块：接收解算补偿模块传来的补偿后的加速度计温度物理量信号、陀螺温度物理量信号、环境温度物理量信号Env_Temp、加热罩温度物理量信号Zhao_Temp和供电电压物理量信号VDC；自主选择补偿后的加速度计温度物理量信号或补偿后的陀螺温度物理量信号作为被控对象；计算系统设定温度与被控对象温度的差值e_ss，根据计算得到的温度差值e_ss分阶段采用全功率加热或PID算法的控制方式计算驱动电流量；根据接收的环境温度物理量信号和加热罩温度物理量信号，对计算得到的驱动电流量进行控制补偿，得控制补偿后的驱动电流量I_PID；根据接收的供电电压物理量信号和控制补偿后的驱动电流量I_PID，计算输出驱动顶部加热片的X-PWM值PWM1_reg，并生成驱动顶部加热片的X-PWM信号，将驱动顶部加热片的X-PWM信号输出至X功率驱动模块，计算输出驱动侧边加热片的Y-PWM值PWM2_reg，并生成驱动侧边加热片的Y-PWM信号，将驱动侧边加热片的Y-PWM信号输出至Y功率驱动模块；同时，控制模块将选择的被控对象温度、环境温度物理量信号、加热罩温度物理量信号、衰减后的供电电压物理量信号和控制补偿后的驱动电流量通过串口输出至外部串口数据采集设备；

X功率驱动模块：接收控制模块传来的驱动顶部加热片的X-PWM信号，进行功率放大后驱动顶部加热片对加热罩进行加热；

Y功率驱动模块：接收控制模块传来的驱动侧边加热片的Y-PWM信号，进行功率放大后驱动侧边加热片对加热罩进行加热。

所述微机械陀螺传感器为三向测量传感器，微机械加速度计传感器为三向测量传感器，测量方向均为x、y、z；所述信号采集处理通讯模块与温控模块的通讯方式为RS422总线或其他非共地的串口通讯总线方式；所述温控模块控制温度比微机械加速度计传感器和微机械陀螺传感器最高环境温度高3-10℃。

根据计算得到的温度差值e_ss分阶段采用全功率加热或PID算法的控制方式计算驱动电流量的方法为：当e_ss>20℃时，采用全功率加热，同时根据顶部加热片的被控对象温度和侧边加热片的被控对象温度差，以一定的比例减小温度较高一路的温度较高一路的X-PWM或Y-PWM的值，使顶部与侧边温度均匀平衡地上升；当e_ss≤20℃且e_ss≥-2℃时，采用PID算法分别计算顶部与侧边加热片的电流控制量，与供电电压结合计算X-PWM和Y-PWM输出量；当-2℃≤e_ss≤0℃时，仍然采用PID算法控制减小温度超调后的稳态误差；当e_ss≤-2℃时，加热片功率输出为0。

其中，采用全功率加热控制方式计算驱动电流量的方法为：

XI_FULL＝(VDC-V_EC)/RL_X-K_{XFULL_P}(Temp_X-Temp_Y)

YI_FULL＝(VDC-V_EC)/RL_Y-K_{YFULL_P}(Temp_Y-Temp_X)

VDC为温控系统供电电压物理量信号；

V_EC为功率管压降；

XI_FULL为顶部加热片全功率驱动电流；

RL_X为顶部加热片阻值；

Temp_X为顶部加热片对应被控对象的温度值；

K_{XFULL_P}为顶部均衡升温控制比例系数；

YI_FULL为侧边加热片全功率驱动电流；

RL_Y为侧边加热片阻值；

Temp_Y为侧边加热片对应被控对象的温度值；

K_{YFULL_P}为侧边均衡升温控制比例系数。

采用PID算法的控制方式计算驱动电流量的方法为：

首先结合环境温度计算当前环境下加热罩应到达的温度与采集加热罩温度差值和保温结构热平衡电流，公式如下：

Xe_ss＝Temp_set-Temp_X；

XI_erro＝k2_XI×Env_Temp²+k1_XI×Env_Temp+k0_XI；

Ye_ss＝Temp_set-Temp_Y；

YI_erro＝k2_YI×Env_Temp²+k1_YI×Env_Temp+k0_YI；

Zhao_erro＝(k1_zhao×Env_Temp-k0_zhao)-Zhao_Temp；

式中，Temp_set为温度控制设定温度，比组合最高工作环境温度高3～10℃；Temp_X为顶部加热片对应被控对象的温度值；Xe_ss为设定温度与顶部被控对象温度差值；k2_XI、k1_XI、k0_XI为环境温度与顶部保温结构热平衡电流的二次项拟合系数；XI_erro为环境温度下顶部保温结构热平衡电流值；Temp_Y为侧边加热片对应被控对象的温度值；Ye_ss为设定温度与被侧边控对象温度差值；k2_YI、k1_YI、k0_YI为环境温度与侧边保温结构热平衡电流的二次项拟合系数；YI_erro为环境温度下侧边保温结构热平衡电流值；Zhao_Temp为采集的加热罩温度；Env_Temp为采集的环境温度；k1_zhao、k0_zhao为环境温度下加热罩应到达温度的一次项拟合系数；Zhao_erro为环境温度下加热罩应到达的温度与采集加热罩温度差值；

根据计算的差值和热平衡电流，进行PID计算，算法分为稳态控制和动态控制，顶部PID控制驱动电流公式如下:

XI_PI＝K_XP_Temp×Xe_ss+K_XP_Zhao×Zhao_e_ss+XI_erro+K_XI_Temp×Sum_Xe_ss；

XI_D＝K_XD_Temp×(Temp_X-Temp_X_1S)+K_XD_Zhao×(Zhao_Temp-Zhao_Temp_1S)+K_XD_Env×(Env_Temp-Env_Temp_1S)；

XI_PID＝XI_PI+XI_D；

式中K_XP_Temp 为设定温度与顶部被控对象温度差值的比例系数；

Xe_ss 为设定温度与顶部被控对象温度差值；

K_XI_Temp 为设定温度与顶部被控对象温度差值的积分系数；

Sum_Xe_ss 为设定温度与顶部被控对象温度差值的积分值；

K_XD_Temp 为顶部被控对象温度的微分系数；

Temp_X 为顶部加热片对应被控对象的温度值；

Temp_X_1S 为1s前顶部被控对象温度；

K_XP_Zhao 为顶部加热罩温度差值的比例系数；

Zhao_e_ss 为环境温度下加热罩应到达的温度与采集加热罩温度差值；

K_XD_Zhao 为顶部加热罩温度的微分系数；

Zhao_Temp 为采集的加热罩温度；

Zhao_Temp_1S 为1s前加热罩温度；

XI_erro 为环境温度下顶部保温结构热平衡电流值；

K_XD_Env 为顶部环境温度的微分系数；

Env_Temp 为采集的环境温度；

Env_Temp_1S 为1s前环境温度；

XI_PI 为顶部加热片的稳态控制电流；

XI_D 为顶部加热片的动态控制电流；

XI_PID 为顶部加热片的PID控制驱动电流。

侧边PID控制驱动电流公式如下:

YI_PI＝K_YP_Temp×Ye_ss+K_YP_Zhao×Zhao_e_ss+YI_erro+K_YI_Temp×Sum_Ye_ss；

YI_D＝K_YD_Temp×(Temp_Y-Temp_Y_1S)+K_YD_Zhao×(Zhao_Temp-Zhao_Temp_1S)+K_YD_Env×(Env_Temp-Env_Temp_1S)；

YI_PID＝YI_PI+YI_D；

式中K_YP_Temp 为设定温度与侧边被控对象温度差值的比例系数；

Ye_ss 为设定温度与侧边被控对象温度差值；

K_YI_Temp 为设定温度与侧边被控对象温度差值的积分系数；

Sum_Ye_ss 为设定温度与侧边被控对象温度差值的积分值；

K_YD_Temp 为侧边被控对象温度的微分系数；

Temp_Y 为侧边加热片对应被控对象的温度值；

Temp_Y_1S 为1s侧边部被控对象温度；

K_YP_Zhao 为侧边加热罩温度差值的比例系数；

Zhao_e_ss 为环境温度下加热罩应到达的温度与采集加热罩温度差值；

K_YD_Zhao 为侧边加热罩温度的微分系数；

Zhao_Temp 为采集的加热罩温度；

Zhao_Temp_1S 为1s前加热罩温度；

YI_erro 为环境温度下侧边保温结构热平衡电流值；

K_YD_Env 为侧边环境温度的微分系数；

Env_Temp 为采集的环境温度；

Env_Temp_1S 为1s前环境温度；

YI_PI 为侧边加热片的稳态控制电流；

YI_D 为侧边加热片的动态控制电流；

YI_PID 为侧边加热片的PID控制驱动电流。

采用PID算法的控制方式计算驱动电流量转换为PWM值的方法为：

式中，X_PWM为顶部加热片PWM控制信号输出寄存器值；

Y_PWM为侧边加热片PWM控制信号输出寄存器值；

Full_PWM为PWM寄存器位数满值，例如14位PWM寄存器Full_PWM＝16383；

XI_PID为顶部加热片的PID控制驱动电流；

RL_X为顶部加热片阻值；

YI_PID为侧边加热片的PID控制驱动电流；

RL_Y为侧边加热片阻值；

VDC为温控系统供电电压；

V_EC为功率驱动电路功率管压降。

与现有技术相比，根据本发明用于低成本微机械惯性测量组合的温度控制系统，在本发明中特点在于：

1、利用微机械惯性测量电路采集的温度信号，经422通讯总线发送给温控电路板，避免温控电路对惯性信号测量电路的干扰，温度信号既可为惯性信号进行温度补偿，又可作为温度被控对象，提高微机械惯性测量组合的精度；

2、温度控制点比微机械惯性测量组合最高工作环境温度高3℃～10℃，只采用加热片加热(无制冷)的方式可降低组合成本和体积重量；

3、以顶部和侧边微机械惯性传感器温度为控制量，经两路控制算法计算控制量，经两路功率驱动电路分别控制顶部和侧边加热片，使升温过程更迅速，保温结构内温度更均匀；

4、采集环境温度、加热罩温度和供电电压参与控制算法的解算过程，使控制温度在大范围工作环境温度和供电电压变化的条件下具有良好的控制精度和趋于临界阻尼的超调量。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。