一种微机械陀螺的正交实时校正方法、设备及相关组件

摘要

本申请公开了一种微机械陀螺的正交实时校正方法、设备及相关组件，应用于力平衡闭环检测下的微机械陀螺，包括：获取当前敏感模态振动位移的电信号；利用所述电信号确定正交反馈信号的幅度；对所述正交反馈信号的幅度进行PI调节，得到正交校正电压；将所述正交校正电压施加到微机械陀螺的正交校正电极，以降低所述正交反馈信号的幅度。本申请通过获取实时的电信号确定施加于正交校正电极上的正交校正电压，实时调节正交误差，从而尽可能降低正交反馈信号的幅度，从而抑制零偏输出受正交误差的干扰，实现环境温度变化下的高稳定性。

权利要求

1.一种微机械陀螺的正交实时校正方法，其特征在于，应用于力平衡闭环检测下的微机械陀螺，包括：获取当前敏感模态振动位移的电信号；

利用所述电信号确定正交反馈信号的幅度；

对所述正交反馈信号的幅度进行PI调节，得到正交校正电压；

将所述正交校正电压施加到微机械陀螺的正交校正电极，以降低所述正交反馈信号的幅度；

所述利用所述电信号确定正交反馈信号的幅度的过程，包括：对所述电信号进行正交解调，然后进行低通滤波后得到正交响应信号的幅度；

对所述正交响应信号的幅度进行PI调节，得到正交反馈信号的幅度；

所述利用所述电信号确定正交反馈信号的幅度的同时，还包括：对所述电信号进行同相解调，然后进行低通滤波后得到科氏响应信号的幅度；

对所述科氏响应信号的幅度进行PI调节，得到科氏反馈信号的幅度；

相应的，所述利用所述电信号确定正交反馈信号的幅度之后，还包括：对所述正交反馈信号的幅度进行同相调制得到调制后正交反馈信号，对所述科氏反馈信号的幅度进行正交调制得到调制后科氏反馈信号；

将所述调制后正交反馈信号和所述调制后科氏反馈信号叠加后得到总平衡力信号；

将所述总平衡力信号施加到所述微机械陀螺的激励电极。

2.根据权利要求1所述正交实时校正方法，其特征在于，所述对所述正交反馈信号的幅度进行PI调节，得到正交校正电压的过程，具体包括：对所述正交反馈信号的幅度进行PI调节并叠加一个偏置电压，得到正交校正电压。

3.一种微机械陀螺的正交实时校正设备，其特征在于，应用于力平衡闭环检测下的微机械陀螺，包括：位移信号拾取电路，用于获取当前敏感模态振动位移的电信号；

力平衡闭环检测模块，用于进行所述力平衡闭环检测，并利用所述电信号确定正交反馈信号的幅度；

正交校正模块，用于对所述正交反馈信号的幅度进行PI调节，得到正交校正电压，并将所述正交校正电压施加到微机械陀螺的正交校正电极，以降低所述正交反馈信号的幅度；

所述力平衡闭环检测模块包括：

第一解调器，用于对所述电信号进行正交解调；

第一滤波器，用于对正交解调后的所述电信号进行低通滤波，得到正交响应信号的幅度；

第一PI控制器，用于对所述正交响应信号的幅度进行PI调节，得到正交反馈信号的幅度；

所述力平衡闭环检测模块还包括：

第二解调器，用于对所述电信号进行同相解调；

第二滤波器，用于对同相解调后的所述电信号进行低通滤波，得到科氏响应信号的幅度；

第二PI控制器，用于对所述科氏响应信号的幅度进行PI调节，得到科氏反馈信号的幅度；

第一调制器，用于对所述正交反馈信号的幅度进行同相调制得到调制后正交反馈信号；

第二调制器，用于对所述科氏反馈信号的幅度进行正交调制得到调制后科氏反馈信号；

第一加法器，用于将所述调制后正交反馈信号和所述调制后科氏反馈信号叠加后得到总平衡力信号，并将所述总平衡力信号施加到所述微机械陀螺的激励电极。

4.根据权利要求3所述正交实时校正设备，其特征在于，所述正交校正模块包括：第三PI控制器，用于对所述正交反馈信号的幅度进行PI调节；

偏置电压源，用于产生一个偏置电压；

第二加法器，用于叠加所述偏置电压和所述第三PI控制器的输出电压，得到正交校正电压，并将所述正交校正电压施加到微机械陀螺的正交校正电极，以降低所述正交反馈信号的幅度。

5.一种微机械陀螺的正交实时校正装置，其特征在于，包括：存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1至2任一项所述微机械陀螺的正交实时校正方法的步骤。

6.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至2任一项所述微机械陀螺的正交实时校正方法的步骤。

说明书

一种微机械陀螺的正交实时校正方法、设备及相关组件

技术领域

[0001] 本发明涉及微机械陀螺领域，特别涉及一种微机械陀螺的正交实时校正方法、设备及相关组件。

背景技术

[0002] 硅微机械(Micro‑Electro‑Mechanical System,，MEMS)振动陀螺，简称微机械陀螺，具有尺寸小、重量轻、成本低等优点，在军事和民用领域具有广泛的应用前景。零偏稳定性是微机械陀螺的重要性能指标。由于微加工制造工艺不完善，结构的均匀性很难控制，不可避免地导致阻尼耦合和刚度耦合干扰，形成同相误差和正交误差。理想情况下，正交误差的干扰可以通过90°解调来排除。然而实际的陀螺测控电路会产生相移，这些相移会导致驱动模态工作在非谐振状态，对于力平衡(Force to Rebalance，FTR)闭环检测，则会导致正交通道与科氏通道之间相互耦合，进而对零偏(Zero Rate Output，ZRO)形成干扰。所以，在FTR闭环检测下，零偏输出受到正交误差与电路相移的共同干扰，是导致零偏漂移的重要原因。

[0003] 目前，对于电路相移影响的抑制技术通常为一次性相位补偿。然而，电路相移会随着环境温度发生微小变化，原本相位补偿将不再适用。若此时正交误差波动明显，再微小的相位变化也会导致零偏产生较大的漂移；正交校正与之类似，也是一次性刚度校正，无法满足环境变化时的要求。

[0004] 因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是目前本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种微机械陀螺的正交实时校正方法、设备及相关组件。其具体方案如下：

[0006] 一种微机械陀螺的正交实时校正方法，应用于力平衡闭环检测下的微机械陀螺，包括：

[0007] 获取当前敏感模态振动位移的电信号；

[0008] 利用所述电信号确定正交反馈信号的幅度；

[0009] 对所述正交反馈信号的幅度进行PI调节，得到正交校正电压；

[0010] 将所述正交校正电压施加到微机械陀螺的正交校正电极，以降低所述正交反馈信号的幅度。

[0011] 优选的，所述利用所述电信号确定正交反馈信号的幅度的过程，包括：

[0012] 对所述电信号进行正交解调，然后进行低通滤波后得到正交响应信号的幅度；

[0013] 对所述正交响应信号的幅度进行PI调节，得到正交反馈信号的幅度。

[0014] 优选的，所述利用所述电信号确定正交反馈信号的幅度的同时，还包括：

[0015] 对所述电信号进行同相解调，然后进行低通滤波后得到科氏响应信号的幅度；

[0016] 对所述科氏响应信号的幅度进行PI调节，得到科氏反馈信号的幅度；

[0017] 相应的，所述利用所述电信号确定正交反馈信号的幅度之后，还包括：

[0018] 对所述正交反馈信号的幅度进行同相调制得到调制后正交反馈信号，对所述科氏反馈信号的幅度进行正交调制得到调制后科氏反馈信号；

[0019] 将所述调制后正交反馈信号和所述调制后科氏反馈信号叠加后得到总平衡力信号；

[0020] 将所述总平衡力信号施加到所述微机械陀螺的激励电极。

[0021] 优选的，所述对所述正交反馈信号的幅度进行PI调节，得到正交校正电压的过程，具体包括：

[0022] 对所述正交反馈信号的幅度进行PI调节并叠加一个偏置电压，得到正交校正电压。

[0023] 相应的，本申请还公开了一种微机械陀螺的正交实时校正设备，应用于力平衡闭环检测下的微机械陀螺，包括：

[0024] 位移信号拾取电路，用于获取当前敏感模态振动位移的电信号；

[0025] 力平衡闭环检测模块，用于进行所述力平衡闭环检测，并利用所述电信号确定正交反馈信号的幅度；

[0026] 正交校正模块，用于对所述正交反馈信号的幅度进行PI调节，得到正交校正电压，并将所述正交校正电压施加到微机械陀螺的正交校正电极，以降低所述正交反馈信号的幅度。

[0027] 优选的，所述力平衡闭环检测模块包括：

[0028] 第一解调器，用于对所述电信号进行正交解调；

[0029] 第一滤波器，用于对正交解调后的所述电信号进行低通滤波，得到正交响应信号的幅度；

[0030] 第一PI控制器，用于对所述正交响应信号的幅度进行PI调节，得到正交反馈信号的幅度。

[0031] 优选的，所述力平衡闭环检测模块还包括：

[0032] 第二解调器，用于对所述电信号进行同相解调；

[0033] 第二滤波器，用于对同相解调后的所述电信号进行低通滤波，得到科氏响应信号的幅度；

[0034] 第二PI控制器，用于对所述科氏响应信号的幅度进行PI调节，得到科氏反馈信号的幅度；

[0035] 第一调制器，用于对所述正交反馈信号的幅度进行同相调制得到调制后正交反馈信号；

[0036] 第二调制器，用于对所述科氏反馈信号的幅度进行正交调制得到调制后科氏反馈信号；

[0037] 第一加法器，用于将所述调制后正交反馈信号和所述调制后科氏反馈信号叠加后得到总平衡力信号，并将所述总平衡力信号施加到所述微机械陀螺的激励电极。

[0038] 优选的，所述正交校正模块包括：

[0039] 第三PI控制器，用于对所述正交反馈信号的幅度进行PI调节；

[0040] 偏置电压源，用于产生一个偏置电压；

[0041] 第二加法器，用于叠加所述偏置电压和所述第三PI控制器的输出电压，得到正交校正电压，并将所述正交校正电压施加到微机械陀螺的正交校正电极，以降低所述正交反馈信号的幅度。

[0042] 相应的，本申请还公开了一种微机械陀螺的正交实时校正装置，包括：

[0043] 存储器，用于存储计算机程序；

[0044] 处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文任一项所述微机械陀螺的正交实时校正方法的步骤。

[0045] 相应的，本申请还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文任一项所述微机械陀螺的正交实时校正方法的步骤。

[0046] 本申请公开了一种微机械陀螺的正交实时校正方法，应用于力平衡闭环检测下的微机械陀螺，包括：获取当前敏感模态振动位移的电信号；利用所述电信号确定正交反馈信号的幅度；对所述正交反馈信号的幅度进行PI调节，得到正交校正电压；将所述正交校正电压施加到微机械陀螺的正交校正电极，以降低所述正交反馈信号的幅度。本申请通过获取实时的电信号确定施加于正交校正电极上的正交校正电压，实时调节正交误差，从而尽可能降低正交反馈信号的幅度，从而抑制零偏输出受正交误差的干扰，实现环境温度变化下的高稳定性。

附图说明

[0047] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

[0048] 图1为本发明实施例中一种微机械陀螺的正交实时校正方法的步骤流程图；

[0049] 图2为本发明实施例中一种微机械陀螺的正交实时校正方法的控制框图；

[0050] 图3为本发明实施例中一种微机械陀螺的正交实时校正设备的结构分布图。

具体实施方式

[0051] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0052] 目前，对于电路相移影响的抑制技术通常为一次性相位补偿。然而，电路相移会随着环境温度发生微小变化，原本相位补偿将不再适用。若此时正交误差波动明显，再微小的相位变化也会导致零偏产生较大的漂移；正交校正与之类似，也是一次性刚度校正，无法满足环境变化时的要求。

[0053] 本申请通过获取实时的电信号确定施加于正交校正电极上的正交校正电压，实时调节正交误差，从而尽可能降低正交反馈信号的幅度，从而抑制零偏输出受正交误差的干扰，实现环境温度变化下的高稳定性。

[0054] 本发明实施例公开了一种微机械陀螺的正交实时校正方法，应用于力平衡闭环检测(Force to Rebalance，FTR)的微机械陀螺，参见图1所示，该正交实时校正方法包括：

[0055] S1：获取当前敏感模态振动位移的电信号；

[0056] S2：利用电信号确定正交反馈信号的幅度；

[0057] S3：对正交反馈信号的幅度进行PI调节，得到正交校正电压；

[0058] S4：将正交校正电压施加到微机械陀螺的正交校正电极，以降低正交反馈信号的幅度。

[0059] 具体的，信号变换的过程如图2所示，步骤S1中获取电信号的过程包括：敏感模态下，获取输出电极的初始信号，将其通过电荷转移电路、高通滤波器、检波器和放大器，最终得到一个可用的电信号；

[0060] 具体的，步骤S2中利用电信号确定正交反馈信号的幅度的过程，包括：

[0061] 对电信号进行正交解调，然后进行低通滤波后得到正交响应信号的幅度；

[0062] 对正交响应信号的幅度进行PI调节，得到正交反馈信号的幅度Vq。

[0063] 进一步的，步骤S2利用电信号确定正交反馈信号的幅度的同时，还包括：

[0064] 对电信号进行同相解调，然后进行低通滤波后得到科氏响应信号的幅度；

[0065] 对科氏响应信号的幅度进行PI调节，得到科氏反馈信号的幅度VΩ；

[0066] 相应的，利用电信号确定正交反馈信号的幅度之后，还包括：

[0067] 对正交反馈信号的幅度进行同相调制得到调制后正交反馈信号，对科氏反馈信号的幅度进行正交调制得到调制后科氏反馈信号；

[0068] 将调制后正交反馈信号和调制后科氏反馈信号叠加后得到总平衡力信号Vbalance；

[0069] 将总平衡力信号Vbalance施加到微机械陀螺的激励电极。

[0070] 其中，通过电信号确定总平衡力信号Vbalance的过程，也就是双路FTR闭环检测，其中科氏反馈信号VΩ通过低通滤波作为微机械陀螺的角速度输出。

[0071] 根据文献《Effect of circuit phase delay on bias stability of MEMS gyroscope under force rebalance detection and self‑compensation method》可知，在双路FTR闭环检测下，当驱动模态和敏感模态的检测电路具有相同相移时，两路平衡力信号：正交反馈信号Vq和科氏反馈信号VΩ的平衡力表达式分别为：

[0072]

[0073] 式中，Vq和VΩ具体指信号幅度， 为驱动模态相移，AI为同相力幅度，Aq为正交耦合力幅度，Kvf为微机械陀螺中电压到力的转换系数。

[0074] 对于轴对称高Q值陀螺，AI通常比Aq小几个数量级，可忽略不计，则该平衡力表达式可近似为：

[0075]

[0076] 由于驱动模态通过锁相环(PLL)对相位进行控制，因此存在 其中为敏感模态的检测电路的相移。

[0077] 理想情况下，一次性电路相位补偿将 补偿到近似0°，以减小正交误差对零偏的干扰，具体的，此时 所以存在 又由于Aq通常也远大于AΩ，存在则上文中平衡力表达式可简化为：

[0078]

[0079] 当输入角速率Ω＝0时，零偏输出表示为：

[0080]

[0081] 然而，当环境温度发生变化，电路相移 不可避免地产生变化，导致原本一次性电路相位补偿无法满足补偿要求，也即 同时对于高Q值陀螺，Aq也随着温度发生较大幅度的波动，导致 的值发生波动，从而零偏 发生漂移。

[0082] 为了解决该问题，本实施例设置了对零偏的实时补偿，实际中要将相位 实时补偿到0°非常困难，此处选择将正交耦合力幅度Aq实时抑制到0，具体通过正交刚度实时校正来实现，从而达到陀螺在环境温度变化下的高稳定输出。

[0083] 具体的，正交刚度实时校正是在正交校正电极上施加一个直流电压，也即正交校正电压VC，降低谐振子在该方向上的刚度系数，对于偏离的振动轴方向进行校正，从而降低正交误差，也即将正交耦合力幅度Aq抑制到0。

[0084] 由于通常情况下，正交校正电压VC与正交耦合力幅度Aq呈现负相关关系；根据上文已知 因此正交校正电压VC与正交反馈信号的幅度Vq也呈现负相关关系，基于以上相关关系，能够通过正交校正电压VC调整即可使正交反馈信号的幅度Vq的值趋于0。当环境温度变化，正交反馈信号的幅度Vq随之变化，本实施例实时调整了正交校正电压VC，从而使得正交反馈信号的幅度Vq恒定为0，同时使正交耦合力幅度Aq恒定为0，从而实现了对正交误差干扰的实时抑制。

[0085] 进一步的，由于实际应用中需要的正交校正电压VC可能较大，而数字式控制器的电压输出范围优先，为了降低PI调节时的调节幅度，可设置一个偏置电压Vb，在保证正交校正电压的调节效果不变的情况下，针对正交反馈信号的调节量降低，从而降低了PI调节功率，提高了调节效率，也即，对正交反馈信号的幅度进行PI调节，得到正交校正电压的过程，具体包括：对正交反馈信号的幅度进行PI调节并叠加一个偏置电压Vb，得到正交校正电压VC。从而扩展了正交校正电压VC的绝对电压范围，也降低了PI调节时对控制器的电压可调节范围的要求。

[0086] 本申请公开了一种微机械陀螺的正交实时校正方法，应用于力平衡闭环检测下的微机械陀螺，包括：获取当前敏感模态振动位移的电信号；利用所述电信号确定正交反馈信号的幅度；对所述正交反馈信号的幅度进行PI调节，得到正交校正电压；将所述正交校正电压施加到微机械陀螺的正交校正电极，以降低所述正交反馈信号的幅度。本申请实施例通过获取实时的电信号确定施加于正交校正电极上的正交校正电压，实时调节正交误差，从而尽可能降低正交反馈信号的幅度，从而抑制零偏输出受正交误差的干扰，实现环境温度变化下的高稳定性。

[0087] 相应的，本申请实施例还公开了一种微机械陀螺的正交实时校正设备，应用于力平衡闭环检测下的微机械陀螺，参见图3所示，该正交实时校正设备包括：

[0088] 位移信号拾取电路1，用于获取当前敏感模态振动位移的电信号；

[0089] 力平衡闭环检测模块2，用于进行所述力平衡闭环检测，并利用电信号确定正交反馈信号的幅度；

[0090] 正交校正模块3，用于对正交反馈信号的幅度进行PI调节，得到正交校正电压，并将正交校正电压施加到微机械陀螺的正交校正电极，以降低正交反馈信号的幅度。

[0091] 本申请实施例通过获取实时的电信号确定施加于正交校正电极上的正交校正电压，实时调节正交误差，从而尽可能降低正交反馈信号的幅度，从而抑制零偏输出受正交误差的干扰，实现环境温度变化下的高稳定性。

[0092] 在一些具体的实施例中，唯一信号拾取电路1包括：电荷转换电路、高通滤波器、检波器和放大器；

[0093] 在一些具体的实施例中，力平衡闭环检测模块2包括：

[0094] 第一解调器211，用于对电信号进行正交解调；

[0095] 第一滤波器212，用于对正交解调后的电信号进行低通滤波，得到正交响应信号的幅度；

[0096] 第一PI控制器213，用于对正交响应信号的幅度进行PI调节，得到正交反馈信号的幅度。

[0097] 在一些具体的实施例中，力平衡闭环检测模块2还包括：

[0098] 第二解调器221，用于对电信号进行同相解调；

[0099] 第二滤波器222，用于对同相解调后的电信号进行低通滤波，得到科氏响应信号的幅度；

[0100] 第二PI控制器223，用于对科氏响应信号的幅度进行PI调节，得到科氏反馈信号的幅度；

[0101] 第一调制器214，用于对正交反馈信号的幅度进行同相调制得到调制后正交反馈信号；

[0102] 第二调制器224，用于对科氏反馈信号的幅度进行正交调制得到调制后科氏反馈信号；

[0103] 第一加法器23，用于将调制后正交反馈信号和调制后科氏反馈信号叠加后得到总平衡力信号，并将总平衡力信号施加到微机械陀螺的激励电极。

[0104] 在一些具体的实施例中，力平衡闭环检测模块2还包括第三滤波器225，用于对科氏反馈信号进行低通滤波，并输出角速率。

[0105] 在一些具体的实施例中，正交校正模块3包括：

[0106] 第三PI控制器31，用于对正交反馈信号的幅度进行PI调节；

[0107] 偏置电压源32，用于产生一个偏置电压；

[0108] 第二加法器33，用于叠加偏置电压和第三PI控制器31的输出电压，得到正交校正电压，并将正交校正电压施加到微机械陀螺的正交校正电极，以降低正交反馈信号的幅度。

[0109] 相应的，本申请实施例还公开了一种微机械陀螺的正交实时校正装置，包括：

[0110] 存储器，用于存储计算机程序；

[0111] 处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文任一项所述微机械陀螺的正交实时校正方法的步骤。

[0112] 相应的，本申请实施例还公开了一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上文任一项所述微机械陀螺的正交实时校正方法的步骤。

[0113] 其中，本实施例中具体有关微机械陀螺的正交实时校正方法的内容，可以参照上文实施例中的相关描述，此处不再赘述。

[0114] 其中，本实施例中微机械陀螺的正交实时校正装置具有与上文实施例中微机械陀螺的正交实时校正方法相同的技术效果，此处不再赘述。

[0115] 最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0116] 以上对本发明所提供的一种微机械陀螺的正交实时校正方法、设备及相关组件进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。