微机械陀螺的双闭环控制电路

摘要

本发明公开了一种微机械陀螺的双闭环控制电路，分别用于微机械陀螺驱动模态和检测模态闭环控制，属于利用科氏效应的制导或控制装置领域。该电路的驱动模态采用了一种简化的、基于AGC的自激振荡闭环控制电路，能够有效的提高为机械陀螺在驱动模态的频率和幅值稳定性；检测模态的6阶连续带通∑ΔM闭环控制电路具有6阶噪声整形能力，能够提高系统检测信号的信噪比(SNR)、线性度和零偏稳定性。本发明的有益效果是：易于控制，并且电路简单；提高了系统的精度；系统的信噪比(SNR)高；系统自适应调整，稳定性好。

主权项

1.微机械陀螺的双闭环控制电路，其特征在于：由驱动模态的自激振荡闭环控制电路和检测模态的6阶连续带通∑ΔM闭环控制电路组成，驱动模态的自激振荡闭环控制电路为：将频率为f₁的高频载波V_carry(t)加载到微机械陀螺(1)的中心质量块上，微机械陀螺(1)的驱动检测电极输出的位移信号x(t)＝a·cos(2πf₁+φ)，其中，a为驱动位移信号的幅值，φ为驱动位移信号的相移；位移信号x(t)经过前置检测器(2)输出两路全差分高频调制电压信号u(t)和u(t)，经过高通滤波器(26)滤除低频干扰信号；再依次经过解调二极管(27)和低通滤波器(28)组成的解调电路、仪表放大器(29)、自动增益控制器(30)、移相器I(31)后输出电压信号z(t)；z(t)进入加法器(32)和减法器(33)分别与直流量Vdc相加、相减形成驱动电压u_ad2＝Vdc+z′(t)和u_ad3＝Vdc-z′(t)，u_ad2和u_ad3分别加载到陀螺(1)的驱动反馈电极上，实现闭环自激振荡；陀螺驱动模态传递函数的相移前置检测器(2)的相移高通滤波器(26)的相移低通滤波器(28)的相移移相器(31)的相移为满足以下条件：n为整数，以保证整个环路满足自激振荡的相位条件；解调二极管(27)、仪表放大器(29)、自动增益控制器(30)、加法器(31)、减法器(32)不存在相移。检测模态的6阶连续带通∑ΔM闭环控制电路为：微机械陀螺(1)检测模态的全差分检测电极输出的位移信号y(t)经过前置检测器(2)输出两路全差分高频调制电压信号为V_i(t)和V′_i(t)，V_i(t)和V′_i(t)经过高通滤波器(11)将驱动模态耦合信号V′_d(t)滤除得到V_i2(t)和V′_i2(t)，高通滤波器(11)的截止频率f_c1满足：f_c1＞f_x，其中f_x为MEMS陀螺驱动模态的谐振频率；V_i2(t)和V′_i2(t)再经过由二极管(12)和低通滤波器(13)组成的解调电路进行解调和滤波，低通滤波器(13)的截止频率f_c3满足：f_y＜f_c3＜f₁，其中，f_y为陀螺检测模态的谐振频率；解调和滤波后的信号进入增益为G₁的全差分放大电路(14)对其做进一步的全差分放大得到V_i3(t)和V′_i3(t)；相位补偿电路(15)对V_i3(t)和V′_i3(t)进行一定的相位移动使得整个闭环控制回路的相移不等于2n，防止自激振荡；移相后得到信号V_i4(t)和V′_i4(t)进入谐振电路(24)，谐振电路24)包括串联的完全相同的谐振器a(17)和谐振器b(18)，谐振器a(17)和谐振器b(18)的谐振中心频率f₂等于f_x，且谐振器a(17)和谐振器b(18)在f₂处的增益为10-20dB，在其他频率范围内的增益均小于0dB；经过谐振电路(24)之后的信号V_i5(t)和V′_i5(t)进入数字转换电路(25)得到V_i6(t)和V′_i6(t)，数字转换电路(25)包括比较器18)和D触发器(19)；比较器(18)对V_i6(t)和V′_i6(t)两路全差分信号进行比较，产生高低电平的数字比较信号b′(t)，D触发器(19)对b′(t)进行采样和量化，最终输出数字脉宽密度调制信号b(t)；b(t)一路用于控制模拟开关(20)将反馈电压V_fb加载到陀螺(1)检测模态的反馈电极上；另一路经过带通滤波器(21)将[f_y-BW，f_y+BW]频率范围外的量化噪声去除，其中BW为陀螺的带宽；带通滤波之后的信号进入解调器(22)，与经过移相器II(34)的驱动信号V_d(t)进行解调，再通过低通滤波器(23)处理得到角速度信号Ω(t)，低通滤波器(23)的截止频率f_c5的取值范围为：(0.9×BW，1.1×BW)。