自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微机械陀螺仪，特别涉及一种自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统。
【背景技术】
[0002]微机械陀螺仪是利用科氏效应来检测转动物体角速度的一种微惯性传感器。采用微电子机械加工技术制备的微机械陀螺因其成本低、体积小、质量轻、功耗低、结构与工艺简单以及适合量产等特点，广泛应用于航空航天、军事、汽车、消费电子产品等领域。谐振式微机械陀螺仪是一种具有对称结构的典型微机械陀螺，在工程中有广泛的应用。现阶段由于微陀螺仪加工误差和材料的固有特性以及复杂的工作环境造成微机械陀螺仪的精度和稳定性受到一定的限制。影响检测精度和测量误差的主要因素有以下几个方面:刚度非线性、阻尼非线性、正交误差、温度场耦合、加速度对平衡点的影响、输入角速度的复杂性等。
[0003]国内外对于微陀螺的研宄绝大部分都是基于输入角速度为定值并且无加速度的条件而开展的研宄，对于线性系统，这种方法比较实用，但是在提高微陀螺精度的过程中，非线性因素将不可避免的需要研宄，在非线性因素存在的条件下，这种假设条件不再适用，这种输入角速度的变化以及加速度的存在都可能造成微系统谐振失稳，进而影响系统的检测精度。
[0004]微机械陀螺通常的驱动方式是电磁驱动和静电驱动两种。电磁驱动采用洛仑兹力来实现；静电驱动是利用两组电极之间的静电吸引力实现，驱动力较小，但驱动稳定，无需附加措施，较易实现。微机械陀螺通常的检测方式是梳齿压阻检测、静电梳齿电容检测和平行板电容检测三种。本发明案例采用平行板电容检测，平行板电容检测是基于谐振系统振动造成电容极板间距变化对电容大小的影响来检测系统的振动，这种检测方法精度较高，但是制造精度要求较高，工艺复杂，并且微结构的复杂拓扑结构造成系统的空气阻尼变得复杂化，故此类设计需要对微结构真空封装。由于制造误差的存在，当系统输入角速度为零时，系统敏感方向的振幅并不为零，此即为正交误差，正交误差严重影响系统的检测精度，因此需要设计合理的微结构和检测原理以及严格控制加工精度，间接连接结构可以有效降低单谐振质量的微陀螺系统的正交误差。国内外学者都有提出在现有的加工精度条件下通过改进检测原理的方法来降低系统的正交误差。
[0005]谐振式微陀螺系统的制造误差和微结构材料的特性造成微系统的刚度非线性，同时在复杂的温度场工作条件下，微结构的刚度同样受到温度场的影响。国内外学者对单晶硅微结构的温度场耦合有相当多的研宄，并提出多种温度补偿的方法，其中包括控制温度场的变化以及调整驱动频率以适应系统的刚度的变化等方法。另一方面梳齿电容将造成系统阻尼的复杂化并表现为非线性，需要采取真空封装的方法降低空气阻尼的非线性影响。对于系统所存在的非线性因素(主要是刚度非线性和阻尼非线性)可能造成系统的稳定性降低并可能出现分岔及混沌等复杂的动力学行为，特别是在复杂的工作条件下对稳定性要求较高；在学术界和工程领域广泛应用时滞速度反馈控制的方法和时滞位移反馈控制的方法来抑制系统复杂动力学行为并提高系统的稳定性，但是在谐振式微陀螺系统的非线性研宄中，鲜有应用时滞反馈控制的方法来提高稳定性，因此本专利主要针对这一理论方法开展应用研宄，将时滞反馈控制的理论方法推广到谐振式微陀螺仪系统的控制工程应用中。
【发明内容】
[0006]本发明是针对谐振式微陀螺仪系统稳定性的问题，提出了一种自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统，能自动适应不同工作条件并大幅度扩展检测范围，在不同的输入角速度条件下，可以根据输入角速度的大小自动调整系统驱动方向振幅以实现输出振幅在可控的范围，有利提高检测精度，同时对于温度场和输入加速度检测和反馈以及补偿控制的作用。
[0007]本发明的技术方案为:一种自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统，包括微机械陀螺仪和检测驱动控制系统，在微机械陀螺仪中的单谐振质量块互相垂直的驱动方向和检测方向上，间接连接驱动电容和测试电容，驱动电容信号、测试电容信号与检测驱动控制系统形成降低正交误差的闭环控制。
[0008]所述包括谐振质量块、两个平行板电容、两个梳齿驱动电容、四个相同的弹性元件和检测驱动控制系统，四个相同的弹性元件与谐振质量块一体连接，谐振质量块的检测方向对称有两个弹性元件，谐振质量块的驱动方向对称有两个弹性元件，检测方向与驱动方向垂直，平行板电容作为检测元件，一极固定作为检测方向平行板电容固定极板，另一极活动作为检测方向平行板电容活动极板，检测方向平行板电容活动极板与检测方向的弹性元件扣合；梳齿驱动电容作为驱动元件，一极固定作为梳齿驱动电容固定极板，另一极活动作为梳齿驱动电容活动极板，梳齿驱动电容活动极板与驱动方向弹性元件扣合；检测驱动控制系统输出驱动信号到梳齿驱动电容，使谐振质量块产生振动，平行板电容检测信号送检测驱动控制系统，形成闭环控制。
[0009]所述检测驱动控制系统包括两个微处理器、驱动电路、调频检测电路、温度传感器和两个加速度传感器，两个微处理器互相通信，一个微处理器作为驱动信号处理器，驱动信号处理器输出驱动数字信号到驱动电路，驱动电路中D/A转换模块将驱动数字信号转换成驱动波形，再经过依次电压放大模块、带通滤波器后输出驱动电压到梳齿驱动电容；另一个微处理器作为运算信号处理器，平行板电容上的电压信号输入到调频检测电路，调频检测电路依次包括频振荡器、限幅电路、鉴频电路、放大电路以及A/D电路，调频检测电路输出信号送入运算信号处理器，温度传感器检测环境温度，两个加速度传感器分别检测驱动方向和检测方向的加速度，温度传感器和加速度传感器信号送运算信号处理器，运算信号处理器输出反馈补偿信号回驱动信号处理器。
[0010]所述整个检测驱动控制系统外层有电磁屏蔽层，调频检测电路中的频振荡器、限幅电路、鉴频电路、放大电路外围有电磁屏蔽层，驱动电路中的电压放大模块、带通滤波器外围有电磁屏蔽层。
[0011]本发明的有益效果在于:本发明自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统，采用静电梳齿驱动方式，避免了电磁驱动力不稳定，提供较为稳定的驱动力，无需附加措施，较易实现；微结构采用真空封装，降低了复杂拓扑形状的微结构的空气阻尼，因此降低了空气阻尼非线性对系统稳定性的影响；系统采用微处理器通过软件编程实现对系统控制的智能化和自动化控制检测，扩大了检测范围，提高了系统的适应能力，同时有利于检测精度的提高，真正做到智能检测；系统采用数字化控制，对于高精度灵敏系统来说，可以有效降低环境电磁干扰对控制系统的影响；系统设计的驱动频率和检测频率相差较大，因此可以有效降低系统自身电磁场的干扰，同时对于电磁辐射较大的微处理器及数字电路外的系统进行电磁屏蔽，有效的降低环境磁场和自身电磁场的影响；系统对工作环境检测并反馈，并根据不同的环境条件适时自动的调整系统的驱动模式，以适应相应的工作环境；系统振动的检测采用直放式调频检测电路检测系统电容随振动的变化特征，提高检测的抗干扰能力，检测频率较高，因此相应速度快；系统采取隔震和隔热措施，降低环境机械振动对系统的影响，使系统的适应能力和稳定性提尚。
【附图说明】
[0012]图1为本发明间接连接的单谐振质量的结构示意图；
图2为本发明自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统结构示意图；
图3为本发明直放式调频检测电路框图；
图4为本发明电磁隔离系统方案示意图；
图5为本发明自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统流程图；
图6为本发明驱动部分流程图。
【具体实施方式】
[0013]本发明自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统，特别是静电驱动的谐振式微机械陀螺仪的时滞反馈控制，静电梳齿驱动和静电梳齿电容和平行板电容相结合共同检测，包含温度补偿和加速度补偿和敏感方向振幅反馈，通过微处理器对驱动电压的频率振幅和波形调制。
[0014]图1所示为间接连接的单谐振质量的结构示意图，其中坐标X轴方向为驱动方向，Y轴方向为检测方向，Ω z为输入角速度方向，I为检测方向平行板电容固定极板，2为平行板电容活动极板，敏感方向采用平行板电容检测，可以大幅提高电容极板的有效面积以及电容的变化率，在敏感方向采用平行板电容检测，此结构设计可降低正交误差对敏感电容的影响；在驱动方向采用梳齿电容进行驱动，4为梳齿驱动电容固定极板，5为梳齿驱动电容活动极板，此种结构有利于提高驱动力；3为锚点(用于固定弹性元件6的固定端和梳齿电容5以及检测电容I)，6为U形弹簧，8为谐振质量块，谐振质量块四边分别有四个隔离弹簧7，采用间接连接的方法即图中的弹性元件7，这种弹性元件在其垂直方向的刚度较小，在其平行方向上的刚度较大，谐振质量块8在两个方向上都有振动，采用这种弹性元件可以降低其垂直方向上的谐振质量块振动对其垂直方向振动的影响，可有效的降低正交误差。
[0015]图2所示为整个控制系统示意图，包含一个谐振式微陀螺仪，两个微处理器201、215，驱动电路、直放式调频检测电路、两个微加速度传感器218，一个温度传感器219。其中两个微加速度传感器和温度传感器是用于对系统工作环境检测并反馈；微处理器201是作为驱动电压调制的主要元件，通过对驱动电压的频率、幅值以及波形调制，其输出的驱动电压原始波形为正弦波，处理器201根据驱动波形信息输出相应的数字信号(对驱动波形采样，输出对应时刻幅值的数字量)，然后通过高速D/A转换模块202将处理器201输出的数字量信号还原成相应的驱动波形，在经过电压放大模块203将驱动波形放大至适当的幅值，此外由于驱动电压的频率相对固定，经过采样还原放大过程后，波形中将包含一些高频和低频的波形特征，因此通过带通滤波器204将高频和低频信号滤除，然后再将相应的驱动电压输入微陀螺205的驱动梳齿电容，以此方式来控制微陀螺系统的稳定运行；驱动频率等于谐振系统205固有频率的一半，在此基础上根据反馈的时滞位移、敏感