專利名稱：一種微機械陀螺驅動方法
技術領域：
本發明涉及微機械陀螺，尤其涉及一種微機械陀螺驅動方法。
背景技術：
微機械陀螺因其體積小、功耗低、可批量產生等優點，逐漸在民用甚至軍用領域得到重視。穩定性作為微機械陀螺系統的一個關鍵性能指標，受到諸多因素制約，其中驅動位移或是驅動速度信號的穩定性是最重要的因素之一。因此，好的驅動方法對提高微機械陀螺系統的穩定性至關重要。現有技術普遍使交流驅動信號適應微機械陀螺參數的變化而變化，以保證驅動模態檢測信號的幅度保持恒定。現有技術中最具代表性的方法是相位和幅度雙閉環方法，該方法利用驅動模態諧振時驅動位移信號與驅動力信號具有90°相移這一特點，通過相位鎖定技術將驅動模態檢測信號的相位實時鎖定在陀螺驅動模態諧振時的相位，并通過自動增益控制技術將驅動模態檢測信號的幅度保持在一個恒定值，此時，交流驅動信號可以實時跟蹤驅動模態的諧振頻率，并保持驅動模態檢測信號的幅度保持恒定。現有的微機械陀螺驅動方法僅僅保證了驅動模態檢測信號幅度的穩定性，而其頻率是實時發生變化的，這就對微機械陀螺系統穩定性帶來了影響。以相位和幅度雙閉環驅動方法為例，當驅動頻率發生變化時，系統中如濾波器等與頻率相關的模塊在不同的驅動頻率下產生的相移是不一樣的，這就使得通過相位鎖定技術跟蹤到的驅動模態諧振頻率并不是真實的諧振頻率，是與真實頻率存在偏差的，并且該偏差隨驅動頻率的變化而變化，此時驅動位移信號與驅動力信號之間的相位差也隨驅動頻率的變化而變化，這就導致了陀螺信號檢測的不穩定性。因此，現有的微機械陀螺驅動方法本身會對微機械陀螺系統帶來一 定的不穩定性。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種微機械陀螺驅動方法。微機械陀螺驅動方法的步驟如下
1)通過交流驅動信號產生模塊產生兩路相互正交的信號，并將其中一路作為交流驅動信號，通過彈性系數補償模塊產生彈性系數補償信號，通過阻尼系數補償模塊產生阻尼系數補償信號，所述的交流驅動信號、彈性系數補償信號和阻尼系數補償信號經相加后作為交流信號輸入至靜電驅動信號產生模塊；
2)靜電驅動信號產生模塊根據輸入的交流信號和模塊自身的直流偏置來產生靜電驅動信號，輸入至微機械陀螺以產生靜電驅動力來驅動微機械陀螺振動；
3)信號檢測模塊檢測微機械陀螺隨靜電力作用而產生的振動信號，將振動信號轉換成可測量的電壓信號，該電壓信號具有與交流驅動信號相同的頻率；
4)幅度和相位提取模塊對信號檢測模塊檢測的電壓信號進行幅度和相位提取，得到相位信號和幅度信號，將相位信號輸入至彈性系數補償模塊，將幅度信號輸入至阻尼系數補償模塊。所述的交流驅動信號具有恒定的頻率和幅度。所述彈性系數補償模塊是將如步驟4)所述的相位信號與驅動模態諧振時的參考相位進行對比，得到誤差信號，將誤差信號通過比例-積分控制來自適應地確定反饋系數，并將該反饋系數調制在如步驟I)所述的與交流驅動信號正交的信號上，產生彈性系數補償信號。所述彈性系數補償模塊產生的彈性系數補償是通過反饋與驅動位移信號相位相同的靜電力來實現，用以補償彈性系數的擾動，保持微機械陀螺驅動模態的諧振頻率不變。所述阻尼系數補償模塊是將如步驟4)所述的幅度信號與驅動模態諧振時的參考幅度進行對比，得到誤差信號，將誤差信號通過比例-積分控制來自適應地確定反饋系數，并將該反饋系數調制在如步驟I)所述的交流驅動信號上，產生阻尼系數補償信號。所述阻尼系數補償模塊產生的阻尼系數補償是通過反饋與驅動速度信號相位相同的靜電力來實現，用以補償阻尼系數的擾動，保持微機械陀螺驅動模態的品質因子不變。
本發明與現有技術相比具有的有益效果是
I)本發明可在不增加硬件成本的基礎上提高微機械陀螺系統的穩定性。2)本發明可避免微機械陀螺系統中如濾波器等與頻率相關的模塊對系統穩定性帶來的影響，提高微機械陀螺系統的穩定性。3)本發明能使驅動模態檢測信號的頻率和幅度保持恒定，并且該信號與交流驅動信號的相位差也保持恒定，進一步提高了微機械陀螺系統的穩定性。
圖I是本發明中的微機械陀螺驅動方法實現框圖。圖2是本發明中的彈性系數補償的實現框圖。圖3是本發明中的阻尼系數補償的實現框圖。
具體實施例方式如圖I所示，微機械陀螺驅動方法的步驟如下
1)通過交流驅動信號產生模塊產生兩路相互正交的信號，并將其中一路作為交流驅動信號，通過彈性系數補償模塊產生彈性系數補償信號，通過阻尼系數補償模塊產生阻尼系數補償信號，所述的交流驅動信號、彈性系數補償信號和阻尼系數補償信號經相加后作為交流信號輸入至靜電驅動信號產生模塊，兩路相互正交的信號的產生在具體實施時可通過坐標旋轉數字計算機算法或是直接數字式頻率合成等方法來實現；
2)靜電驅動信號產生模塊根據輸入的交流信號和模塊自身的直流偏置來產生靜電驅動信號，輸入至微機械陀螺以產生靜電驅動力來驅動微機械陀螺振動；
3)信號檢測模塊檢測微機械陀螺隨靜電力作用而產生的振動信號，將振動信號轉換成可測量的電壓信號，該電壓信號具有與交流驅動信號相同的頻率，對于位移檢測方式而言，檢測的電壓信號反應了驅動模態的位移信息，對于速度檢測方式而言，檢測的電壓信號反應了驅動模態的速度信息；
4)幅度和相位提取模塊對信號檢測模塊檢測的電壓信號進行幅度和相位提取，得到相位信號和幅度信號，將相位信號輸入至彈性系數補償模塊，將幅度信號輸入至阻尼系數補償模塊，幅度和相位的提取可通過正交解調的方式得到兩路輸出Z和_7，則ar_> /x)反應了相位信息，^/x3 +J3反應了幅度信息。所述的交流驅動信號具有恒定的頻率和幅度。所述彈性系數補償模塊是將如步驟4)所述的相位信號與驅動模態諧振時的參考相位進行對比，得到誤差信號，將誤差信號通過比例-積分控制來自適應地確定反饋系數，并將該反饋系數調制在如步驟I)所述的與交流驅動信號正交的信號上，產生彈性系數補償信號。所述彈性系數補償模塊產生的彈性系數補償是通過反饋與驅動位移信號相位相同的靜電力來實現，用以補償彈性系數的擾動，保持微機械陀螺驅動模態的諧振頻率不變，由于微機械陀螺驅動模態在諧振時，驅動位移信號與交流驅動信號之間有90°相移，因此所述的彈性系數補償信號可用于反饋補償彈性系數的擾動。所述阻尼系數補償模塊是將如步驟4)所述的幅度信號與驅動模態諧振時的參考幅度進行對比，得到誤差信號，將誤差信號通過比例-積分控制來自適應地確定反饋系數，并將該反饋系數調制在如步驟I)所述的交流驅動信號上，產生阻尼系數補償信號。所述阻尼系數補償模塊產生的阻尼系數補償是通過反饋與驅動速度信號相位相同的靜電 力來實現，用以補償阻尼系數的擾動，保持微機械陀螺驅動模態的品質因子不變，由于微機械陀螺驅動模態在諧振時，驅動速度信號與交流驅動信號之間有180°相移，因此所述的阻尼系數補償信號可用于反饋補償阻尼系數的擾動。
權利要求
1.一種微機械陀螺驅動方法，其特征在于它的步驟如下 1)通過交流驅動信號產生模塊產生兩路相互正交的信號，并將其中一路作為交流驅動信號，通過彈性系數補償模塊產生彈性系數補償信號，通過阻尼系數補償模塊產生阻尼系數補償信號，所述的交流驅動信號、彈性系數補償信號和阻尼系數補償信號經相加后作為交流信號輸入至靜電驅動信號產生模塊； 2)靜電驅動信號產生模塊根據輸入的交流信號和模塊自身的直流偏置來產生靜電驅動信號，輸入至微機械陀螺以產生靜電驅動力來驅動微機械陀螺振動； 3)信號檢測模塊檢測微機械陀螺隨靜電力作用而產生的振動信號，將振動信號轉換成可測量的電壓信號，該電壓信號具有與交流驅動信號相同的頻率； 4)幅度和相位提取模塊對信號檢測模塊檢測的電壓信號進行幅度和相位提取，得到相位信號和幅度信號，將相位信號輸入至彈性系數補償模塊，將幅度信號輸入至阻尼系數補償模塊。
2.根據權利要求I所述的一種微機械陀螺驅動方法，其特征在于所述的交流驅動信號具有恒定的頻率和幅度。
3.根據權利要求I所述的一種微機械陀螺驅動方法，其特征在于所述彈性系數補償模塊是將如步驟4)所述的相位信號與驅動模態諧振時的參考相位進行對比，得到誤差信號，將誤差信號通過比例-積分控制來自適應地確定反饋系數，并將該反饋系數調制在如步驟I)所述的與交流驅動信號正交的信號上，產生彈性系數補償信號。
4.根據權利要求I所述的一種微機械陀螺驅動方法，其特征在于所述彈性系數補償模塊產生的彈性系數補償是通過反饋與驅動位移信號相位相同的靜電力來實現，用以補償彈性系數的擾動，保持微機械陀螺驅動模態的諧振頻率不變。
5.根據權利要求I所述的一種微機械陀螺驅動方法，其特征在于所述阻尼系數補償模塊是將如步驟4)所述的幅度信號與驅動模態諧振時的參考幅度進行對比，得到誤差信號，將誤差信號通過比例-積分控制來自適應地確定反饋系數，并將該反饋系數調制在如步驟I)所述的交流驅動信號上，產生阻尼系數補償信號。
6.根據權利要求I所述的一種微機械陀螺驅動方法，其特征在于所述阻尼系數補償模塊產生的阻尼系數補償是通過反饋與驅動速度信號相位相同的靜電力來實現，用以補償阻尼系數的擾動，保持微機械陀螺驅動模態的品質因子不變。
全文摘要
本發明公開了一種微機械陀螺驅動方法，該方法包括交流信號產生、靜電驅動信號產生、信號檢測、幅度和相位提取四個步驟。本發明通過對微機械陀螺內部擾動的主動補償，能使驅動模態檢測信號的頻率和幅度保持恒定，并且該信號與交流驅動信號的相位差也保持恒定。本發明無需跟蹤驅動模態的諧振頻率，避免了微機械陀螺系統中如濾波器等與頻率相關的模塊對系統帶來的影響，能提高系統穩定性。
文檔編號G01C19/5776GK102706339SQ20121015349
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月17日 優先權日2012年5月17日
發明者劉義東, 朱輝杰, 胡世昌, 金仲和 申請人:浙江大學