本发明涉及微机械加速度计，尤其涉及一种微机械加速度计控制方法及装置。
背景技术
微机械加速度计是一种基于硅微加工技术的用于测量加速度信息的惯性传感器，具有低功耗、与集成电路兼容等优点，在民用领域已经获得广泛应用。尤其在军用领域，高精度的微机械加速度计可以准确提供导弹、火箭等的加速度、速度等信息，满足导航与制导控制要求。
高精度的微机械加速度计通常可以通过提高微机械加速度计的灵敏度来达到，也就要求微机械加速度计的弹性系数或者谐振工作频率很低。这可以在设计的时候，通过结构上显著降低微机械加速度计的弹性梁的弹性系数或者结构上设计各类调谐结构并后续电路上直接加固定调谐电压来形成负等效弹性系数。基于这些原理的低谐振频率的高精度微机械加速度计已经取得了很多研究成果。
但是这些高精度的微机械加速度计只能在理论上达到很低的谐振频率，在实际加工以及使用过程中难以实现预期的高精度性能，这主要受限于以下几方面原因：1)实际加工制作工艺存在一定加工误差以及缺陷，难以制作更小的梁宽的低弹性系数的弹性梁，这是无法避免的；2)微机械加速度计的使用过程是一个正负温差很大的温度范围，这会造成硅材料的杨氏模量变化显著，从而改变机械结构的弹性系数，让微机械加速度计原有的谐振频率发生漂移。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术的不足，为微机械加速度计提供一种微机械加速度计控制方法及装置。
本发明的具体方案如下：
本发明首先公开了一种微机械加速度计控制方法，微机械加速度计具有驱动电极结构和混合调谐结构，混合调谐结构包括线性调谐结构和非线性调谐结构(一般的微机械加速度计不一定全部具有驱动电极结构、调谐结构，但是可以在一般的微机械加速度计上增加这些结构，这些增加的结构都是现有技术)，工作在加速度测量闭环的模式上；余弦注入调制信号(余弦注入调制信号的频率要大于微机械加速度计的工作带宽要求)施加到微机械加速度计的驱动电极上，固定调谐电压施加到非线性调谐结构上，将微机械加速度计经过高频载波调制解调模块后的输出信号一路通过频率自调节模块得到调谐控制信号并施加在线性调谐结构上，另一路通过加速度闭环测量模块得到外界输入加速度大小并且形成闭环反馈控制信号，所形成的闭环反馈控制信号和一定频率的余弦注入调制信号一起共同作用到驱动电极上，从而可以通过频率自调节模块使处于闭环模式下的微机械加速度计稳定工作在恒定的谐振频率上。
优选的，控制方法的步骤如下:
1)可编程逻辑器件芯片产生单一固定频率的余弦注入调制信号施加到微机械加速度计的驱动电极上，同时产生固定调谐电压施加到非线性调谐结构上；
2)微机械加速度计的输出信号经过高频载波调制解调模块后，分别输入至频率自调节模块和加速度闭环测量模块；
3)频率自调节模块的输入信号分成第一路信号和第二路信号，第一路信号是经过余弦注入调制信号的同相乘法解调和第一低通滤波器后得到的同相解调信号，第二路信号是经过余弦注入调制信号的正交乘法解调和第二低通滤波器后得到的正交解调信号，同相解调信号和正交解调信号通过坐标旋转数字计算方法得到幅度表征信号和相位表征信号，取其幅度表征信号或相位表征信号，并利用参考控制信号进行自调节控制得到调谐控制信号，施加在线性调谐结构上稳定微机械加速度计的频率；
4)加速度闭环测量模块的输入信号经过第三低通滤波器，由闭环反馈控制器得到外界加速度大小的同时产生闭环反馈控制信号，与余弦注入调制信号一起施加到驱动电极上。
本发明还公开了一种微机械加速度计的控制装置，包括微机械加速度计、非线性调谐电压产生电路、线性调谐电压产生电路、驱动电极反馈电压产生电路、模数转换器、第一数模转换器、第二数模转换器、第三数模转换器、第四数模转换器、第五数模转换器和可编程逻辑器件芯片，
微机械加速度计的信号输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与可编程逻辑器件芯片的输入端相连，可编程逻辑器件芯片的第一输出端与第一数模转换器的输入端相连，第一数模转换器的输出端与非线性调谐电压产生电路的输入端相连，非线性调谐电压产生电路的输出端与微机械加速度计的非线性调谐结构相连，可编程逻辑器件芯片的第二输出端与第二数模转换器的输入端相连，第二数模转换器的输出端与线性调谐电压产生电路的第一输入端相连，可编程逻辑器件芯片的第三输出端与第三数模转换器的输入端相连，第三数模转换器的输出端与线性调谐电压产生电路的第二输入端相连，线性调谐电压产生电路的输出端与微机械加速度计的线性调谐结构相连，可编程逻辑器件芯片的第四输出端与第四数模转换器的输入端相连，第四数模转换器的输出端与驱动电极反馈电压产生电路的第一输入端相连，可编程逻辑器件芯片的第五输出端与第五数模转换器的输入端相连，第五数模转换器的输出端与驱动电极反馈电压产生电路的第二输入端相连，驱动电极反馈电压产生电路的输出端与微机械加速度计的驱动电极相连。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：
1)本发明可以在不影响原有的微机械加速度计的加速度闭环测量模块的基础上，巧妙地引入频率自调节模块实现微机械加速度计的高精度控制；
2)本发明可以对温度变化以及加工误差造成的微机械加速度计的谐振频率偏移进行实时检测和自调节控制，使其能稳定控制工作谐振状态；
3)本发明适合在可编程逻辑器件芯片上实施，不需要额外的集成电路或者工艺制造的要求，具有很好的普适性。
附图说明
图1是一种微机械加速度计控制方法的实现框图；
图2是本发明中的频率自调节模块的实现框图；
图3是本发明中的频率自调节模块中的自调节控制实现框图；
图4是本发明中的加速度闭环测量模块的实现框图；
图5是本发明中的控制方法的谐振频率仿真图；
图6是本发明中的控制方法的闭环输出加速度仿真图；
图7是一种微机械加速度计的控制装置电路框图；
图8是本发明中的非线性调谐电压产生电路图；
图9是本发明中的线性调谐电压产生电路图；
图10是本发明中的驱动电极反馈电压产生电路图。
具体实施方式
一种微机械加速度计控制方法，其微机械加速度计具有驱动电极结构和混合调谐结构，混合调谐结构包括线性调谐结构和非线性调谐结构，工作在加速度测量闭环的模式上，一定频率的余弦注入调制信号施加到微机械加速度计的驱动电极上，固定调谐电压施加到非线性调谐结构上，将微机械加速度计经过高频载波调制解调模块后的输出信号一路通过频率自调节模块得到调谐控制信号并施加在线性调谐结构上，另一路通过加速度闭环测量模块得到外界输入加速度大小并且形成闭环反馈控制信号，所形成的闭环反馈控制信号和一定频率的余弦注入调制信号一起共同作用到驱动电极上，从而可以通过频率自调节模块使处于闭环模式下的微机械加速度计稳定工作在恒定的谐振频率上。
如图1所示，一种微机械加速度计控制方法的具体实施步骤如下:
1)可编程逻辑器件芯片产生单一固定频率的余弦注入调制信号施加到微机械加速度计的驱动电极上，同时产生固定调谐电压施加到非线性调谐结构上；
2)微机械加速度计的输出信号经过高频载波调制解调模块后，分别输入至频率自调节模块和加速度闭环测量模块；
3)频率自调节模块的输入信号分成两路信号，一路为相对于余弦注入调制信号的同相乘法解调和第一低通滤波器，另一路为相对于余弦注入调制信号的正交乘法解调和第二低通滤波器，两路信号变成只有0(直流)频率信号后，通过坐标旋转数字计算方法得到幅度表征信号和相位表征信号，取其幅度表征信号或相位表征信号，并利用参考控制信号进行自调节控制得到调谐控制信号，施加在线性调谐结构上稳定微机械加速度计的频率；
4)加速度闭环测量模块的输入信号经过第三低通滤波器，由闭环反馈控制器得到外界加速度大小的同时产生闭环反馈控制信号，与余弦注入调制信号一起施加到驱动电极上。
如图2所示，对于步骤3)所述的频率自调节模块进行计算说明：
假设频率为ω0的余弦注入调制信号为cos(ω0t)，简化微机械加速度计的二阶动力学模型为二阶传递传递函数gacc(s)
其中，ωr为加速度计的无阻尼自然谐振频率，q为品质因子。据此可以得到微机械加速度计的幅频特性函数h(ω)和相频特性函数φ(ω)
则对于上述微机械加速度计的二阶动力学模型而言，可以根据一般线性系统的理论认为，当输入正余弦信号时，输出信号的稳态值也是正余弦信号，其输出信号的频率与输入信号的频率相同[10]；根据h(ω)和φ(ω)的表达式，输出信号的幅值和输出信号的相位不仅与输入信号的频率有关，还与此二阶动力学模型的系统参数ωr和q有关。因此，对于微机械加速度计的二阶系统而言，如果输入固定频率ω0的已知余弦信号，并且认为品质因子q不变，则输出信号的幅值和相位将只与加速度计的动力学模型参数ωr有关。换而言之，可以利用输出信号的幅度表征信号或相位表征信号来表征加速度计的谐振频率或弹性系数的变化，产生对应的调谐电压，补偿加速度计的谐振频率变化量，从而稳定控制微加速度计。
本实施例中，余弦注入调制信号为cos(ω0t)，施加到驱动电极上后，高频载波调制解调模块会产生对应的余弦信号h(ω0)cos(ω0t+φ(ω0))，其中h(ω0)为幅度表征信号和φ(ω0)为相位表征信号，一路信号经过同相乘法解调和第一低通滤波，信号过程如下：
同理另一路信号经过正交乘法解调和第二低通滤波，信号过程如下：
所以
如图3所示，所述的频率自调节模块的自调节控制中，参考控制信号是取余弦注入调制信号在先断开频率自调节模块的自调节控制时得到的幅度表征信号h(ω0)或相位表征信号φ(ω0)的数值作为参考控制信号，频率自调节模块在微机械加速度计的实际使用过程中始终保持幅度表征信号或相位表征信号在参考控制信号处，也就是将微机械加速度计维持在原来的谐振频率处进行加速度测量。
如图4所示，频率自调节模块的第一低通滤波器和第二低通滤波器的截止频率要远远低于加速度闭环测量模块的第三低通滤波器的截止频率，余弦注入调制信号的频率要远远大于第三低通滤波器的截止频率，使得余弦注入调制信号在系统带宽外。
如图7所示，本发明还公开了一种微机械加速度计的控制装置，包括微机械加速度计、非线性调谐电压产生电路、线性调谐电压产生电路、驱动电极反馈电压产生电路、模数转换器、第一数模转换器、第二数模转换器、第三数模转换器、第四数模转换器、第五数模转换器和可编程逻辑器件芯片，
微机械加速度计的信号输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与可编程逻辑器件芯片的输入端相连，可编程逻辑器件芯片的第一输出端与第一数模转换器的输入端相连，第一数模转换器的输出端与非线性调谐电压产生电路的输入端相连，非线性调谐电压产生电路的输出端与微机械加速度计的非线性调谐结构相连，可编程逻辑器件芯片的第二输出端与第二数模转换器的输入端相连，第二数模转换器的输出端与线性调谐电压产生电路的第一输入端相连，可编程逻辑器件芯片的第三输出端与第三数模转换器的输入端相连，第三数模转换器的输出端与线性调谐电压产生电路的第二输入端相连，线性调谐电压产生电路的输出端与微机械加速度计的线性调谐结构相连，可编程逻辑器件芯片的第四输出端与第四数模转换器的输入端相连，第四数模转换器的输出端与驱动电极反馈电压产生电路的第一输入端相连，可编程逻辑器件芯片的第五输出端与第五数模转换器的输入端相连，第五数模转换器的输出端与驱动电极反馈电压产生电路的第二输入端相连，驱动电极反馈电压产生电路的输出端与微机械加速度计的驱动电极相连。
如图7所示，在本发明的一个优选实施例中，所述的可编程逻辑芯片将输入端信号进行高频载波调制解调，可编程逻辑芯片内部产生固定调谐电压、频率自调节模块的调谐电压、余弦注入调制信号以及加速度闭环测量模块的闭环反馈控制信号，固定调谐电压经可编程逻辑器件芯片的第一输出端输出，频率自调节模块产生的调谐电压经可编程逻辑器件芯片的第二输出端和第三输出端输出，余弦注入调制信号经可编程逻辑器件芯片的第四输出端输出，加速度闭环测量模块的闭环反馈控制信号经可编程逻辑器件芯片的第五输出端输出。
如图8所示，在本发明的一个优选实施例中，所述的非线性调谐电压产生电路为：非线性调谐电压产生电路的输入信号与第一电阻r1的一端连接，第一电阻r1的另一端与第一运算放大器的负输入端连接，第一运算放大器的正输入端与第三电阻r3连接，第三电阻r3的另一端接地，第一运算放大器的负输入端与第二电阻r2的一端连接，第二电阻r2的另一端与第一运算放大器的输出端连接，第一运算放大器的输出端为非线性调谐电压产生电路的输出信号。
如图9所示，在本发明的一个优选实施例中，所述的线性调谐电压产生电路为：线性调谐电压产生电路的第一输入端与第六电阻r6的一端连接，第六电阻r6的另一端与第二运算放大器的负输入端连接，线性调谐电压产生电路的第二输入端与第七电阻r7的一端连接，第七电阻r7的另一端与第二运算放大器的负输入端连接，第一电容c1的一端和第二电容c2的一端连接并接地，第一电容c1的另一端和第二电容c2的另一端都与电源和第四电阻r4的一端连接，第四电阻r4的另一端分别接第一基准电压源的一端和第五电阻r5的一端，第一基准电压源的另一端接地，第五电阻r5的另一端分别接第二运算放大器的负输入端和第八电阻r8的一端，第八电阻r8的另一端与第二运算放大器的输出端连接，第二运算放大器的正输入端与第九电阻r9的一端连接，第九电阻r9的另一端接地，第二运算放大器的输出端为线性调谐电压产生电路的输出端。
如图10所示，在本发明的一个优选实施例中，所述的驱动电极反馈电压产生电路为：驱动电极反馈电压产生电路的第一输入端与第十电阻r10的一端连接，第十电阻r10的另一端与第三运算放大器的负输入端连接，驱动电极反馈电压产生电路的第二输入端与第十一电阻r11的一端连接，第十一电阻r11的另一端与第三运算放大器的负输入端连接，第三运算放大器的正输入端与第十二电阻r12的一端连接，第十二电阻r12的另一端接地，第三运算放大器的负输入端与第十三电阻r13的一端连接，第十三电阻r13的另一端与第三运算放大器的输出端连接，第三运算放大器的输出端分别与第十五电阻r15的一端和第十七电阻r17的一端连接，第十五电阻r15的另一端接第四运算放大器的负输入端，第十七电阻r17的另一端分别接第五运算放大器的负输入端和第二十一电阻r21的一端，第二十一电阻r21的另一端接第五运算放大器的输出端，第三电容c3的一端和第四电容c4的一端连接并接地，第三电容c3的另一端和第四电容c4的另一端都与电源和第十四电阻r14的一端连接，第十四电阻r14的另一端分别接第二基准电压源的一端、第十六电阻r16的一端和第十八电阻r18的一端，第二基准电压源的另一端接地，第十六电阻r16的另一端分别接第四运算放大器的负输入端和第十九电阻r19的一端，第十九电阻r19的另一端接第四运算放大器的输出端，第四运算放大器的正输入端接第二十电阻r20的一端，第二十电阻r20的另一端接地，第十八电阻r18的另一端分别接第五运算放大器的正输入端和第二十二电阻r22的一端，第二十二电阻r22的另一端接地，第四运算放大器的输出端和第五运算放大器的输出端为驱动电极反馈电压产生电路的输出端。
根据本实施例，对本微机械加速度计控制方法进行了数值仿真。仿真的条件为，余弦注入调制信号为0.01cos(450*2πt)，频率为450hz。对非线性调谐结构施加固定调谐电压的微加速度计的机械梁弹性系数设为70n/m,谐振频率为401hz。在断开频率自调节模块时，可以通过外部电路引入电压信号，给线性调谐结构施加-18.26v的调谐电压，产生-5n/m的弹性系数，则微机械加速度计的的等效弹性系数为65n/m，等效的谐振频率为386hz。根据上述参考控制信号的选取方法，频率自调节模块断开时，可以得到450hz的余弦注入调制信号在386hz的等效频率处的幅度参考信号的数字量为516.5。
如图5，仿真时，为了验证微机械加速度计控制方法的有效性，仿真模拟了微机械加速度计的谐振频率随温度而变化的情况，让谐振频率从401hz先变成411hz后变成391hz，理论上可以计算得到，频率自调节模块所需要施加到线性调谐结构上的调谐电压从-18.26v先为-23.6619v再-10.6188v。从图5的仿真结果可知，温度变化导致的谐振频率改变，可以被本发明所述的微机械加速度计实时抵偿，实时产生-18.26v、-23.6619v和-10.6188v的线性调谐结构的调谐电压，将微机械加速度计的等效谐振频率自动控制在386hz处，与理论值计算符合。
如图6，应用本发明的微机械加速度计控制方法后，在温度变化时，0.5g的给定加速度输入对应的闭环输出加速度不随温度而变化，也就实现了对温度不敏感的要求。