一种提高MEMS陀螺静态和线性度指标的角速率闭环方法与流程

本发明一种提高mems陀螺静态和线性度指标的角速率闭环方法，属于传感器控制技术领域。

背景技术：

mems陀螺是一种新型角速率传感器。其基本原理是基于机械谐振的科里奥力效应，本质上为机械谐振陀螺的一种，高精度的mems陀螺已经成功应用于很多场合和环境中，但mems陀螺静态的高精度与带宽的矛盾问题很难处理，尽管mems陀螺静态性能已经达到了速率级(10-1000(°)/h)的精度，但在动态范围方面，很难满足带宽>70hz(速率级)的需求，这是因为高精度mems陀螺往往需要减小驱动和检测模态固有频率之差δf来获得较高的机械增益，而mems陀螺开环检测方向的机械带宽约为δf的一半，所以，高精度mems陀螺为获得高的机械增益就需要牺牲mems陀螺的带宽指标，在检测模态采用角速率闭环的方式可以有效的解决mems陀螺静态精度和带宽之间的矛盾问题。相对于开环检测系统，使mems陀螺的质量块在检测模态始终处于平衡在无角速率输入的位置。mems陀螺闭环系统在量程、标度因数非线性、标度因数对称性、重复性、阈值、分辨率和零偏稳定性等性能都得到了极大的改善。这主要由于mems陀螺的闭环检测是基于mems陀螺检测模态的哥式力平衡，mems陀螺的质量块始终工作在检测模态的平衡位置，极大的减少了电容信号的非线性；同时由于加工缺陷、残余应力等结构造成的误差也得到了抑制。

技术实现要素：

本发明的目的：

针对高精度mems陀螺的有效开环带宽不高、零偏稳定性、标度线性度不佳的现状，提出一种提高mems陀螺静态和线性度指标的角速率闭环方法。提升mems陀螺的带宽特性及mems陀螺的动态响应速度、以及mems陀螺的通带平坦度，有效提升mems陀螺的静态精度及标度因数线性度，使mems陀螺进入高精度、高性能应用技术平台。

本发明的技术方案：

一种提高mems陀螺静态和线性度指标的角速率闭环方法，所述方法采取以下步骤：

1)首先利用四阶前馈求和型sigma-delta调制器处理电路检测微弱电容信号，利用mem陀螺角速率相关相位、mem陀螺机械不正交相关相位解调出mem陀螺角速率误差信号、mem陀螺机械不正交误差信号；

2)步骤1中得到的两种误差信号通过cic抽取滤波器、iir带通滤波器、iir带阻滤波器、cic插值滤波器、低通滤波器后，再进入直接—i型控制器，直接—ii型控制器，用直接—i型控制器，直接—ii型控制器分别计算mem陀螺角速率闭环控制量、mem陀螺机械不正交闭环控制量；

3)通过求和电路对步骤1中得到的mem陀螺角速率闭环控制量、mem陀螺机械不正交闭环控制量进行求和，将得到的求和信号加到mems陀螺检测闭环的电极上，以实现mems陀螺检测模态的位移闭环，并将mem陀螺角速率闭环控制量作为闭环陀螺的有效输出信号。

所述方法基于一种四阶前馈求和型sigma-delta调制器架构信号处理电路而实现，所述电路包括连续型可变增益的电容检测电路、模拟低通电路、量化器电路：

所述连续型可变增益的电容检测电路：其功能是将来自mems陀螺检测模态的电容信号转化成电压信号，采用pmos管工艺形成的反馈电阻为差分电容检测提供直流工作点，连续型可变增益的电容检测电路的放大端采用pmos管进行控制；

模拟低通电路：其功能是采用无源低通滤波的方式，将mem陀螺角速率误差信号、mem陀螺机械不正交信号误差信号以差分信号的方式进入射随电路，来驱动后续四阶前馈求和型sigma-delta调制器架构信号处理电路；

量化器电路：采用7路线性比较器逐次比较四阶前馈求和型sigma-delta调制器架构信号处理电路的输出信号，输出7位比较数据，并将其中的3、4、5、6位比较数据分别与1、2、5、6比较数据和0、2、4、6位比较数据做线形相与运算，输出的相与运算信号为3位有效数据。

所述方法采取以下步骤：

1)连续型可变增益的电容检测电路中运算放大器(1)的反相端与运算放大器(2)的电压低端之间利用pmos管截至大电阻作为运放工作的直流工作点反馈电阻；

2)四阶前馈求和型sigma-delta调制器，采用的是开关电容式处理方案，采用mos管延时时间分别形成开关电容的时序，时序控制信号的传递。

所述步骤2采用以下步骤：首先将四阶前馈求和型sigma-delta调制器输出的3bit码流转化成4bit有符号数据，再利用cic抽取滤波器将四阶前馈求和型sigma-delta调制器输出的高速4bit码流的采样率降低，将降低后的4bit码流码流信号通过iir带通滤波器、iir带阻滤波器，再利用cic插值滤波器将其转化为高速并行数据，高速并行数据进行过零比较运算，提取mem陀螺角速率误差信号、mem陀螺机械不正交误差信号的相位信息。

所述步骤2中还包括以下步骤：mem陀螺角速率误差信号、mem陀螺机械不正交误差信号进入直接—i型控制器，直接—ii型控制器，直接—i型控制器，直接—ii型控制器采用前馈和反馈求和的方式，使得直接—i型控制器，直接—ii型控制器的零、极点位置来满足系统的控制需求，形成闭环动态、静态性能。

本发明具有的优点和有益效果：

1)本发明有效提升mems陀螺的零偏稳定特性，mems闭环陀螺的静态稳定性指标达到5.2°/h，可以有效的提升mems陀螺静态精度。mems陀螺角速率闭环控制后，可以极大的缩小mems陀螺差频以提高陀螺静态机械增益，在获得高的机械增益之后，可以获得高的静态精度，而不损失mems陀螺的带宽，且高精度的四阶前馈求和型sigma-delta解调电路具备电容解调信噪比佳，架构简单等优势，可以在最小的实现开销的同时取得良好的信噪比优势。

2)本发明对提升mems陀螺的标度因数线性度也有着有益结果，测试结果339.3ppm，表明采用角速率闭环控制技术的mems陀螺传感器始终工作点检测模态的平衡位置，外界影响因素小，抗干扰能力强，mems陀螺可以在极小的位移下获得更高的机械动态范围，电容检测的非理想因素降低，以获得较高的标度因数线性度，使得陀螺系统可以获得更加优良的线性度指标。

附图说明

图1是mems陀螺角速率误差控制方案；

图2是mems陀螺用高精度电容检测方案；

图3是cic抽取滤波器架构；

图4陀螺cic插值滤波器架构；

图5可变增益电容电压转换电路；

图6调制器求和电路；

图7mems陀螺角速率误差控制器架构；

图8mems陀螺机械不正交误差控制器架构

其中，1是四阶前馈求和型sigma-delta解调电路，2是低通滤波器，3是超前补偿控制器，4是加法电路，5是电容电流转换电路中增益控制的pmos管电路，6是电容电流转换电路中负责直流反馈的pmos管电路。

具体实施方式

本发明的原理：mems双质量块陀螺是一种新型角速率传感器。其基本原理是基于机械谐振的哥式力效应，即在mems双质量块陀螺驱动方向上保持驱动幅度的稳定性，为哥氏力效应提供稳定的环境，便于利用哥氏力效应测试陀螺角速率。现阶段主要采用的是检测模态开环检测的模式，本发明主要介绍的是检测模态闭环的工作模式，利用高精度电容检测模式对mems陀螺的检测模态的机械不正交、角速率信号进行误差解调，将误差信号分别进入控制器，利用控制输出的补偿信号叠加到检测模态施力电极上，实现检测模态的哥式力平衡，使mems陀螺工作点稳定，以获得较高的零偏稳定性及标度因数线性度指标。

一种提高mems陀螺静态和线性度指标的角速率闭环方法，所述方法采取以下步骤：

1)首先利用四阶前馈求和型sigma-delta调制器处理电路检测微弱电容信号，利用mem陀螺角速率相关相位、mem陀螺机械不正交相关相位解调出mem陀螺角速率误差信号、mem陀螺机械不正交误差信号，如图1中1所示，四阶前馈求和型sigma-delta调制器处理电路包括电容电流转化电路、低通滤波电路、模数转换电路、量化电路等四部分组成。mems陀螺角速率误差信号进入电容解调模块，其中，电容电流转化电路采用可变增益控制的电容转换电路，如图3所示，电容电流转换电路由pmos管截至电阻形成负反馈，为运放提供直流工作点，如图3中6处所示。再由pmos管来控制电容电流转化电路的反馈支路的通断，形成不同的增益倍数如图3中5处所示。达到增益可控的效果。误差信号通过电容转换电路之后进入模数转换电路环节，模数转换电路由四阶前馈求和型电路组成，开关电容的方式形成电路形态，电路形态如图2所示，四个积分器分别前馈求和后进入量化器电路，电路以开关电容的方式形成图2所示的系数，如图4所示，开关电容采用c1_s21、c1_s22、c2_s21、c2_s22四种开关信号，使得电容在图4中电路进行转移，完成图2系统图中a1-a4、c1-c3、b1、b2等系数的整定，形成稳定的调制器架构，并具有相当的信噪比特性。误差信号随后进入量化器处理电路，量化器处理电路采用7路线性比较器逐次比较出7位数据，并将3、4、5、6位与1、2、5、6与0、2、4、6位分别做一组相与，输出的信号为2m速率的3位有效数据。角速率信号从σδ调制器输出后，以2m频率的3bit码流的形式进入数字滤波环节。即3bit码流转化成4bit有符号数据，再利用cic抽取滤波器将调制器输出的高速码流的采样率降低，通过iir带通、iir带阻滤波器之后再由cic插值滤波器将信号转化为高速并行数据，最后利用低通滤波器处理差频信号，并利用过零比较，精准提取驱动相位信息，形成312k的24位有效误差数据；

2)步骤1中得到的两种误差信号通过cic抽取滤波器、iir带通滤波器、iir带阻滤波器、cic插值滤波器、低通滤波器后，再进入直接—i型控制器，直接—ii型控制器，用直接—i型控制器，直接—ii型控制器分别计算mem陀螺角速率闭环控制量、mem陀螺机械不正交闭环控制量，类似于低通滤波器。由于cic抽取滤波器的系数为1，所以结构中没有乘法器，只用到加法器和延迟器，这样电路系统可以在没有乘法器的情况下，降低或者升高采样率，很适合用fpga实现并向asic方案移植。采用的cic抽取、cic插值滤波器的架构为图5、图6所示。

3)通过求和电路对步骤1中得到的mem陀螺角速率闭环控制量、mem陀螺机械不正交闭环控制量进行求和，将得到的求和信号加到mems陀螺检测闭环的电极上，以实现mems陀螺检测模态的位移闭环，并将mem陀螺角速率闭环控制量作为闭环陀螺的有效输出信号。

所述方法基于一种四阶前馈求和型sigma-delta调制器架构信号处理电路而实现，所述电路包括连续型可变增益的电容检测电路、模拟低通电路、量化器电路：

所述连续型可变增益的电容检测电路：其功能是将来自mems陀螺检测模态的电容信号转化成电压信号，采用pmos管工艺形成的反馈电阻为差分电容检测提供直流工作点，连续型可变增益的电容检测电路的放大端采用pmos管进行控制；

模拟低通电路：其功能是采用无源低通滤波的方式，将mem陀螺角速率误差信号、mem陀螺机械不正交信号误差信号以差分信号的方式进入射随电路，来驱动后续四阶前馈求和型sigma-delta调制器架构信号处理电路；

量化器电路：采用7路线性比较器逐次比较四阶前馈求和型sigma-delta调制器架构信号处理电路的输出信号，输出7位比较数据，并将其中的3、4、5、6位比较数据分别与1、2、5、6比较数据和0、2、4、6位比较数据做线形相与运算，输出的相与运算信号为3位有效数据。

所述方法采取以下步骤：

1)连续型可变增益的电容检测电路中运算放大器(1)的反相端与运算放大器(2)的电压低端之间利用pmos管截至大电阻作为运放工作的直流工作点反馈电阻；

2)四阶前馈求和型sigma-delta调制器，采用的是开关电容式处理方案，采用mos管延时时间分别形成开关电容的时序，时序控制信号的传递。

所述步骤2采用以下步骤：首先将四阶前馈求和型sigma-delta调制器输出的3bit码流转化成4bit有符号数据，再利用cic抽取滤波器将四阶前馈求和型sigma-delta调制器输出的高速4bit码流的采样率降低，将降低后的4bit码流码流信号通过iir带通滤波器、iir带阻滤波器，再利用cic插值滤波器将其转化为高速并行数据，高速并行数据进行过零比较运算，提取mem陀螺角速率误差信号、mem陀螺机械不正交误差信号的相位信息。

所述步骤2中还包括以下步骤：mem陀螺角速率误差信号、mem陀螺机械不正交误差信号进入直接—i型控制器，直接—ii型控制器，直接—i型控制器，直接—ii型控制器采用前馈和反馈求和的方式，使得直接—i型控制器，直接—ii型控制器的零、极点位置来满足系统的控制需求，形成闭环动态、静态性能。

实施例一

mems陀螺产品加入角速率闭环功能之后，mems陀螺机械不正交误差项在全温环境下均可以保持稳定，且mems陀螺的角速率误差输入也保持在稳定的零输入位置，即采用角速率闭环技术的mems陀螺可以将陀螺的检测模态误差项趋进为零，使mems陀螺在检测模态处于平衡位置。

当mems陀螺的角速率误差项为零后，mems陀螺的机械不正交误差项也趋近于零，mems陀螺的标度因数系数受外界环境的影响因素降低，陀螺在外界环境中不存在机械不正交误差项，使陀螺的标度因数稳定性特性大大增强，加入角速率闭环功能的mems陀螺在系统应用中，即飞行管理系统、飞弹航姿系统中充分利用mems陀螺的标度因数稳定性好的性能优势。如附图2所示，mems陀螺的标度因数可以达到400ppm量级，满足弹载导航、飞控系统的使用。

在本项应用场合中，选用低频特性优良的控制器参数，使mems角速率闭环陀螺的频谱特性在低频段通带增益高，中频通带增益稳定，高频段抑制比高，充分利用角速率闭环的对mems陀螺性能的提升。

实施例二

mems陀螺的静态指标和动态带宽是一对矛盾的共同体。mems陀螺产品加入角速率闭环功能之后，mems陀螺可以在提升静态增益的同时，可以有效提升陀螺的带宽，突破带宽和静态精度之间的矛盾点，使mems陀螺的零偏稳定性测试性能提升了一个数量级，mems陀螺的静态零偏稳定性指标提升了一个数量级，可以满足5°/h的战术级的使用需求，使mems陀螺在姿态控制、测量系统、定位定向方面的应用更加理想，使mems陀螺在井下轨迹测量、轨道轨迹测量等领域充分体现mems陀螺的应用优势。