一种硅MEMS陀螺仪多回路数字化闭环控制装置的制作方法

本发明涉及微机电系统(mems)和微惯性导航的测量仪表技术领域，特别是涉及一种硅mems陀螺仪多回路数字化闭环控制装置。

背景技术：

硅微陀螺仪作为一种能够测量角速率的微型惯性传感器，具有体积小、功耗低、集成度高等优点，因此被广泛应用于民用和军事领域，具体包括汽车侧翻监测、消费类电子产品转向检测以及姿态角控制等。尽管如此，现有的硅微陀螺仪在偏置稳定性方面仍落后于光纤陀螺仪、环形激光陀螺仪以及其他高精度陀螺仪。因此，如何进一步提高硅微陀螺仪的性能仍是一个研究热点。模态匹配技术、闭环检测以及正交误差校正技术都是提高硅微陀螺仪精度的重要手段。其中，模态匹配技术通过消除硅微陀螺仪的驱动模态和检测模态之间的谐振频率差，能有效提高其偏置稳定性和机械灵敏度，再配合闭环检测和正交误差校正技术，可进一步提高对哥氏加速度信号检测的准确度。传统模拟电路易受温度、电磁场等因素干扰，且需消耗大量器件才能实现一些简单算法，而使用fpga系统将控制回路数字化，既可以减小外界因素干扰，又可以利用其高速并行处理数据的能力来实现大量控制算法，因此将fpga系统运用至硅微陀螺仪的控制具有良好的运用前景。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术不足，本发明提出了一种硅mems陀螺仪多回路数字化闭环控制装置。

技术方案：一种硅mems陀螺仪多回路数字化闭环控制装置，该装置包括：前端的硅微陀螺仪检测模块、中端的模拟接口模块和后端的fpga模块，硅微陀螺仪检测模块和fpga模块通过模拟接口模块相连，形成三个闭环控制回路；

所述硅微陀螺仪检测模块包括：

一对力反馈电极ef+和ef-，将第一数/模转换器或第二数/模转换器生成的模拟电压信号施加于力反馈机构；

力反馈机构，将模拟电压信号转化为静电力，对检测机构产生激励作用；

进一步地，所述力反馈机构包括一对与力反馈电极ef+、ef-分别相连的力反馈极板和施以载波信号的活动极板；所述力反馈电极ef+、ef-接入数字双边输入信号vi或数字检测反馈信号vf经第一数/模转换器转换并输出的模拟信号；所述第一数/模转换器输出的模拟信号经力反馈极板转换而产生静电力，推或者拉活动极板沿检测方向产生位移，作用至检测机构上；

检测机构，将力反馈机构产生的激励作用转换为电容变化量；受到正交校正机构的校正力和频率调谐机构的模拟直流调谐电压的作用，使正交信号和检测模态频率发生变化；

进一步地，所述检测机构包括一对与检测输出电极es+，es-相连的检测输出极板(11，12)和接收外部设备施加的高频载波信号的活动极板(10)；所述活动极板(10)根据力反馈机构的作用，产生相应的位移，使活动极板(10)与检测输出极板(11，12)间的电容量发生变化；所述检测输出电极es+和es-将电容变换量传输至c/v转换器；

一对检测输出电极es+，es-，检测并输出在力反馈机构作用下检测机构的电容变化量；

正交校正电极eq，将第三数/模转换器输出的模拟正交校正电压施加于正交校正机构；

正交校正机构，将数字正交校正信号vq转换为硅微陀螺仪检测方向的校正力，作用在检测机构上，用于消除硅微陀螺仪的正交误差；

频率调谐电极et，将第四数/模转换器输出的模拟直流调谐电压施加于频率调谐机构；

频率调谐机构，受频率调谐电极et产生的模拟直流调谐电压的作用，根据静电负刚度效应，硅微陀螺仪检测方向结构刚度发生变化，改变检测模态谐振频率，完成硅微陀螺仪的模态匹配；

进一步地，所述频率调谐机构包括连接至频率调谐电极et的调谐极板、施以载波信号的公共极板，所述频率调谐电极et接入数字直流调谐信号vt经第四数/模转换器转换并输出的模拟信号；所述调谐极板和公共极板之间的静电力在硅微陀螺仪驱动和检测方向上都保持平衡，用于根据直流调谐信号vt的变化改变硅微陀螺仪检测方向上的刚度，使检测模态谐振频率匹配至驱动模态谐振频率。

所述模拟接口模块包括：

c/v转换器，将一对检测输出电极es+，es-输出的电容变化量转换成电压信号；

仪表放大器，对c/v转换器转换的电压信号幅度进行差分放大得到模拟响应信号vo，所述模拟响应信号vo在模态匹配之前包含双边输入信号vi响应幅度信息，在模态匹配之后，包含哥氏加速度信号和正交误差信号；

模/数转换器，将仪表放大器差分放大后的模拟响应信号vo转换为数字量，并输出至fpga模块；

第一数/模转换器，将输入子模块生成的数字双边输入信号vi转换为模拟电压信号后输出至力反馈电极ef+和ef-；

第二数/模转换器，将第一解调子模块解调出的数字检测反馈信号vf转换为模拟电压信号后输出至力反馈电极ef+和ef-；

第三数/模转换器，将第一解调子模块解调出的数字正交校正信号vq转换为模拟信号后输出至正交校正电极eq；

第四数/模转换器，将第二解调子模块解调出的数字直流调谐信号vt转换为模拟直流调谐电压后输出至频率调谐电极et；

所述fpga模块包括：

输入子模块，采用复数相乘算法生成并输出数字双边输入信号vi和一对解调基准sinw1t、sinw2t；

第一解调子模块，采用平方解调算法提取模拟响应信号vo的幅度差，并对幅度差作pi(比例-积分)控制得到数字直流调谐信号vt；

第二解调子模块，在模态匹配完成之后，采用相乘解调算法对模拟响应信号vo进行解调，生成数字检测反馈信号vf和数字正交校正信号vq。

进一步地，所述输入子模块包括：

复数相乘子模块，采用复数相乘算法生成连续的等量增大角度的正弦值和余弦值，并输出至数字振荡器；

数字振荡器，通过对其设置相应的频率控制字和相位控制字，可控制复数相乘算法的初始角度和角度增量，进而控制数字振荡器输出信号的频率和初始相位，实现两路输入子信号cosw1t、cosw2t和两路解调子基准sinw1t、sinw2t的直接合成，其中频率w1和w2与驱动模态谐振频率wd之间差值相等，且该差值需大于检测模态与驱动模态之间谐振频率差，以避免直流调谐信号的饱和；

第一加法器，用于将输入子信号cosw1t、cosw2t相加，生成双边输入信号vi。

进一步地，所述第一解调子模块包括数字解调器和数字pi控制子模块；

所述数字解调器包括：

第一乘法器，用于对模/数转换器输出的数字量与输入子信号cosw1t做乘积运算，生成第一路乘积信号；

第二乘法器，用于对模/数转换器输出的数字量与解调子基准sinw1t做乘积运算，生成第二路乘积信号；

第三乘法器，用于对模/数转换器输出的数字量与输入子信号cosw2t做乘积运算，生成第三路乘积信号；

第四乘法器，用于对模/数转换器输出的数字量与解调子基准sinw2t做乘积运算，生成第四路乘积信号；

所述所述第一、二、三、四路乘积信号均为一路包含类直流分量和交流分量的信号；

第一iir滤波器，用于对第一、二、三、四路乘积信号作低通滤波，分别得到第一、二、三、四类直流信号；所述类直流信号包含双边输入信号vi的两路子信号的幅度响应和相位响应信息；

平方器，用于对第一、二、三、四类直流信号作平方运算，得到第一、二、三、四类直流信号平方；

第二加法器，用于对第一、二类直流信号平方作加法运算，得到第一类直流信号平方和；

第三加法器，用于对第三、四类直流信号平方作加法运算，得到第二类直流信号平方和；

第一减法器，用于对第一、二类直流信号平方和作差，得到双边输入信号两路子信号幅度响应的幅度差；

数字pi控制子模块包括：

参考值预置模块，该模块参考值设为0，当双边输入信号两路子信号幅度响应的幅度差为参考值时，数字pi控制子模块停止工作，获得准确的直流调谐信号；

第二减法器，用于获得双边输入信号两路子信号幅度响应的幅度差与参考值的差值；

第一数字pi控制器，用于对第二减法器输出的差值进行pi控制，以此生成直流调谐信号vt。

进一步地，所述第二解调子模块包括：

第五乘法器，用于对经过模/数转换器转换后的数字量与驱动信号sinwdt作乘法运算，所述数字量包含哥氏加速度信号与正交误差信号，乘积为包含类直流分量和交流分量的第五路乘积信号；所述驱动信号sinwdt由mems陀螺仪的驱动模态回路引入，其中wd为驱动模态谐振频率；

第六乘法器，用于对经过模/数转换器转换后的数字量与驱动检测信号coswdt作乘法运算，所述数字量包含哥氏加速度信号与正交误差信号，乘积为包含类直流分量和交流分量的第六路乘积信号；所述驱动检测信号coswdt由驱动回路引入，其中wd为驱动模态谐振频率；

第二iir滤波器，用于对第五路乘积信号进行低通滤波，输出第五类直流信号；

第三iir滤波器，用于对第六路乘积信号进行低通滤波，输出第六类直流信号；

第三减法器，用于对第五类直流信号和第二数字pi控制器的参考值0作差值运算；

第四减法器，用于对第六类直流信号和第三数字pi控制器的参考值0作差值运算；

第二pi控制器，用于对第三减法器输出的差值进行比例-积分控制，生成并输出检测反馈信号的幅度；

第三pi控制器，用于对第四减法器输出的差值进行比例-积分控制，生成并输出正交校正信号vq；

第七乘法器，用于将检测反馈信号的幅度与驱动检测信号coswdt相乘，得到检测反馈信号vf，其中wd为驱动模态谐振频率。

有益效果：

(1)本发明使用fpga模块实现硅微陀螺仪频率调谐；利用检测反馈以及正交校正的控制算法，将控制回路数字化，具有高效的数据处理能力，同时可有效抑制因温度变化、回路间相互耦合等因素对控制系统带来的干扰；

(2)本发明通过将调谐电压反馈至陀螺仪检测模态，实现了闭环控制，相比于前期调谐方法，闭环控制可实现实时在线的模态匹配；

(3)本发明利用硅微陀螺仪检测模态幅度响应的对称性来校对模态匹配程度，避免了实时测量模态频率的难点，同时能获得较高的调谐精度；

(4)本发明采用检测反馈的方式检测哥氏加速度，可有效减小模态匹配后的硅微陀螺仪机械灵敏度增大而对工作带宽的影响；同时使用正交校正回路来消除硅微陀螺仪正交误差，有效地提高了检测准确度。

附图说明：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为输入子模块的结构示意图；

图3为第一解调子模块的结构示意图；

图4为第二解调子模块的结构示意图；

图5为频率调谐机构的示意图；

图6为正交校正机构的示意图；

图7为力反馈机构与检测机构的示意图。

具体实施方式

如图1，其示出了本发明所述一种硅mems陀螺仪多回路数字化闭环控制装置的整体结构示意图，该装置包括：位于前端的硅微陀螺仪检测模块、位于中端的模拟接口模块和位于后端的fpga模块，硅微陀螺仪检测模块和fpga模块通过模拟接口模块相连，形成三个闭环控制回路。

所述硅微陀螺仪检测模块由一对力反馈电极ef+和ef-、力反馈机构、检测机构、一对检测输出电极es+和es-、正交校正电极eq、正交校正机构、频率调谐电极et以及频率调谐机构组成。

本实施例中，所述模拟接口模块包括：采用mb6s芯片的c/v转换器、采用ad8221芯片的仪表放大器、采用ad7767芯片的模/数转换器以及芯片型号均为cs4344的第一、二、三、四数/模转换器。

本实施例中，所述fpga模块采用ep3c55f484i7芯片，该模块包括输入子模块、第一解调子模块以及第二解调子模块。

fpga模块中输入子模块与第一数/模转换器相连接，将输入子模块生成的数字双边输入信号vi转换为模拟电压信号。第一数/模转换器分别与力反馈电极ef+和ef-相连接，将模拟双边输入信号施加于力反馈机构。力反馈机构的作用为将模拟电压信号转化为静电力，模拟双边输入信号经转换后的静电力将会对检测机构产生激励作用。

检测输出电极es+和es-用于输出在输入信号作用下检测机构的电容变化量，由于电容变化量无法被直接测量，因此使用c/v转换器将其转换成电压信号。所述c/v转换器与仪表放大器相连接，对电压信号幅度进行差分放大。放大后的模拟信号为包含双边输入信号响应幅度信息的模拟响应信号vo，因此通过模/数转换器将其转换为数字量输入fpga模块来进行幅度提取与处理。

所述第一解调子模块用于提取响应信号vo的幅度差，生成数字直流调谐信号vt，并通过与该模块相连接的第四数/模转换器，将数字直流调谐信号vt转换为模拟直流调谐电压，输入至频率调谐电极et，进而作用在频率调谐机构上。根据静电负刚度效应，当频率调谐机构受到直流电压作用时，会带来硅微陀螺仪检测方向结构刚度的变化，进而导致检测模态谐振频率的变化，实现模态匹配的目的。

由于模态匹配会导致陀螺仪机械灵敏度增大，因此，为减小其对陀螺仪工作带宽的影响，使用闭环检测的方式检测哥氏加速度，同时使用正交误差校正机构消除正交误差。进一步地，当模态匹配完成后，响应信号vo包含哥氏加速度信号和正交误差信号。

所述第二解调子模块用于将解调出的数字检测反馈信号vf经由与该模块相连接的第二数/模转换器转换为模拟检测反馈信号，并输入至力反馈电极ef+和ef-；同时，第二解调子模块还将数字正交校正信号vq输出至与该模块相连接的第三数/模转换器转换为模拟信号后，输入至正交校正电极eq。所述力反馈机构将模拟检测反馈信号生成的静电力作用于检测机构，形成闭环检测反馈，同时，正交校正机构在受到正交校正信号作用时，产生一个检测方向的校正力，作用在检测机构上，以此消除正交误差。

fpga模块主要用于完成双边输入信号vi、解调基准、直流调谐信号vt、检测反馈信号vf以及正交校正信号vq的生成算法。

如图2，其示出了输入子模块的结构示意图，该模块用于生成输入信号和解调基准。输入子模块主要包括复数相乘子模块、数字振荡器以及第一加法器。所述复数相乘子模块生成连续的等量增大角度的正弦值和余弦值，并输出至数字振荡器。通过设置数字振荡器相应的频率控制字和相位控制字，可直接合成两路输入子信号cosw1t、cosw2t和两路解调基准sinw1t、sinw2t，其中，频率w1和w2与驱动模态谐振频率之间差值相等，且该差值需大于检测模态与驱动模态之间谐振频率差。输入子信号cosw1t、cosw2t通过第一加法器生成双边输入信号vi。

如图3，其示出了第一解调子模块的结构示意图，该模块用于生成调谐电压信号。第一解调子模块主要包括数字解调器和数字pi控制子模块。其中，数字解调器由四路乘法器、第一iir滤波器、平方器、第二加法器、第三加法器以及第一减法器组成。响应信号vo经模/数转换器输入fpga模块后，分别与两路输入信号cosw1t、cosw2t和两路解调基准sinw1t、sinw2t通过第一、二、三、四乘法器相乘，四路乘积均包含类直流分量和交流分量的信号，为了滤除乘积中的交流分量，使用第一iir滤波器对四路乘积进行低通滤波。滤波后的类直流信号包含基准信号vo的幅度和相位信息，为了提取幅度信息，使用平方器和第二加法器、第三加法器对四路类直流信号进行平方求和，将两路平方和通过第一减法器作差，得到两路响应信号的幅度差。由于硅微陀螺仪检测模态幅度响应的对称性,在完全模态匹配状态下，幅度差为0，因此将数字pi控制子模块中的参考值设置为0，幅度差与参考值的差值通过第二减法器获得并输入第一数字pi控制器，生成直流调谐信号vt。

如图4，其示出了第二解调子模块的结构示意图，该模块用于生成检测反馈信号和正交校正信号。第二解调子模块主要包括第五、六、七乘法器、第二iir滤波器、第三iir滤波器、第三减法器、第四减法器、第二pi控制器、第三pi控制器。其中，哥氏加速度信号与正交误差信号经模/数转换器输入进fpga模块后，与信号sinwdt、coswdt分别通过第五、六乘法器相乘，生成一路包含类直流分量和交流分量的第五路乘积信号和第六路乘积信号，其中wd为驱动信号频率，且信号sinwdt、coswdt由驱动回路引入。将第五、六路乘积信号分别通过第二、三iir滤波器进行低通滤波，滤波器输出仅保留类直流信号，当驱动模态达到谐振状态且正交误差被完全抑制时，检测反馈回路与正交校正回路的类直流信号都将稳定于0，因此第二、三数字pi控制器的参考值均设置为0。通过第三、四减法器得到类直流信号与参考值差值，将其输入第二、三数字pi控制器，其输出分别为检测反馈信号的幅度与正交校正信号vq。检测反馈信号的幅度与信号coswdt通过第七乘法器相乘，得到检测反馈信号vf。

如图5，其示出了频率调谐机构的示意图，该机构由调谐极板1和公共极板2组成，其中，调谐极板1连至频率调谐电极et。数字直流调谐信号vt经第四数/模转换器转换为模拟信号后，输入至频率调谐电极et，同时在公共极板2上施加一个载波信号，调谐极板1和公共极板2之间的静电力在驱动和检测方向上保持平衡。同时，根据静电负刚度效应，所施加直流调谐信号vt会引起硅微陀螺仪检测方向上的刚度3变化，进而导致检测模态谐振频率的变化，实现频率调谐的功能。

如图6，其示出了正交校正机构的示意图，该机构由校正极板4和公共极板5组成，其中，校正极板4连接至正交校正电极eq。数字正交校正信号vq第三经数/模转换器转换为模拟信号后，输入至正交校正电极eq，同时在公共极板5上施加载波信号，由于公共极板5的梳齿与校正极板4间的上下间距不等，直流正交校正信号vq在检测方向产生的静电力具有不平衡性，导致检测方向上产生正交校正力6，实现检测模态的正交误差的校正。

如图7，其示出了力反馈机构与检测机构的示意图。所述力反馈机构由一对力反馈极板7和8和活动极板9构成，其中，力反馈极板7和8分别与力反馈电极ef+和ef-相连。数字双边输入信号vi经第一数/模转换器转换为模拟信号后，输入至力反馈电极ef+和ef-。同时，在活动极板9上施加载波信号。双边输入信号vi或检测反馈信号vf经第一数/模转换器或第二数/模转换器转换而产生静电力将“推”或者“拉”活动极板9沿检测方向产生位移，进而作用在检测机构4上。所述检测机构4中的活动极板10将会产生一个相应的位移，继而使活动极板10与检测输出极板11和12间的电容量产生变化。检测输出电极es+和es-分别与检测输出极板11和12相连，将电容变换量传输至c/v转换器，转换成电压信号以便后续处理。