说明书一种MEMS陀螺静电平衡电压值的确定方法
技术领域
本发明涉及一种静电平衡电压值的确定方法，特别是一种MEMS陀螺静电 平衡电压值的确定方法，适用于环形MEMS陀螺电路非理想结构的调整。
背景技术
近年来，随着MEMS技术的发展，微机械陀螺仪以其体积小、功耗低、精 度高等优点越来越受到人们的关注，在民用消费领域、航空航天以及现代国防 领域具有广泛的应用前景。
然而，在微机械加工过程中，误差的存在不可避免。加工误差会引起结构 的非理想性(主要包括质量和弹性的非理想性)，造成两个模态的频率不相等， 进而导致信噪比降低，并产生较大的零点漂移，影响精度无法满足系统测试要 求。因此，研究静电平衡调整方法具有重要的实际意义。传统调整方法有激光 平衡法，即通过对硅谐振环上不均匀处进行激光打平和粘附来修复这种非理想 性，但该方法成本高，最小单位材料的消除和粘附都会引起谐振频率很大程度 的改变，所以调整精度不是很高，并且容易造成不可恢复的损坏。
目前主要是增加调整电极，通过静电力的方法改变谐振环的有效弹性系数 来弥补结构上的非理想性。虽然已有方法给出了用静电力调整陀螺仪的不等弹 力，也给出了较详尽的分析调整过程，通过频率响应函数的奈奎斯特图来求得 结构非理想参数，并给出了电压的表达式，然而该方法实验环节较薄弱，理论 指导公式只适合调整电极特定的排列顺序，同时对测试设备要求较高，要用到 网络动态信号分析仪来测试系统的奈奎斯特图，成本较高，并且该推导公式适 用于表头，未必适用于将表头、ASIC以及单片机为一体的陀螺电路，使用范围 较窄。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有方法的不足之处，提供了一种MEMS (Micro Electronic Mechanical System，微电子机械系统)陀螺静电平衡电压 值的确定方法，首先采用m步长搜索平衡电压的潜在解，最后通过1步长搜索 确定最终解，通过简单的软件方式实现了MEMS陀螺静电平衡电压值的确定， 搜索效率高，操作简单，最大程度上满足了环形MEMS陀螺电路非理想结构调 整的需求。
本发明的技术解决方案是：一种MEMS陀螺静电平衡电压值的确定方法， 所述确定方法由位于MEMS陀螺振动环外侧的平衡调整电路实现，所述平衡调 整电路包括第一平衡调整电路和第二平衡调整电路，第一平衡调整电路包括第 一输入端、第一输出端和第二输出端，第二平衡调整电路包括第二输入端、第 三输出端和第四输出端，步骤如下：
(1)根据第一输入端输入值b取值范围和第二输入端输入值b′取值范围确 定平衡调整电路的潜在解集S(b,b′)，一组b和b′的值为一个潜在解，所述b 和b′均为8位二进制数；
(2)第一输入端输入值b和第二输入端输入值b′均以m个A/D最小分辨 率，即m个LSB为步长，在S(b,b′)中进行取值，获得m步长筛选后的潜在解 集为S1(b,b′)，S1(b,b′)中第一输入端输入值b和第二输入端输入值b′的取值 均为m的整数倍；
(3)将步骤(2)中确定的潜在解集S1(b,b′)中第一个值b1和b′1分别作用 于平衡调整电路的第一输入端和第二输入端，首先使第一模态实现恒幅谐振， 记录第一模态的固有谐振频率值L11、第一模态对第二模态的耦合量D11和第二 模态的输出零偏值E11，然后使第二模态实现恒幅谐振，记录第二模态固有谐 振频率值L21、第二模态对第一模态的耦合量D21和第一模态的输出零偏值E21； 获得一组数据P1＝(b1,b′1,L11,D11,E11,L21,D21,E21)；
(4)按顺序取出潜在解集S1(b,b′)中的第一输入端输入值b和第二输入端 输入值b′输入值，重复步骤(3)，取得j组数据，其中第i组数据记作Pi＝(bi, b′i,L1i,D1i,E1i,L2i,D2i,E2i)；所述j为S1(b,b′)中潜在解的个数，i∈[1,j]；；(5) 计算步骤(4)中确定的j组数据中每组数据的频差L1i-L2i，利用每组数据的频 差对该组数据进行筛选，获得频差筛选后的数据集合；具体为：若该组数据的 频差处于预先设定的频差范围内，则保留该组数据，否则删除该组数据；
(6)在频差筛选后的数据集合中，按照预先设定的筛选条件选择两组数据， 筛选获得的第一组数据中第一输入端的输入值为b11，第二输入端的输入值为 b′11，第二组数据中第一输入端的输入值为b22，第二输入端的输入值为b′22， 所述|b11-b22|<＝16；|b′11-b′22|<＝16；
(7)利用步骤(6)中得到的两组数据输入端的输入值计算1步长筛选第 一输入端输入值取值区间[bb1，bb2]和第二输入端输入值取值区间[bb′1，bb′2]；
(8)第一输入端输入值b和第二输入端输入值b′分别以1个A/D最小分 辨率为步长在[bb1，bb2]和[[bb′1，bb′2]中取值，获得1步长筛选后的潜在解集 为S2(b,b′)；
(9)用步骤(8)获得的1步长筛选后的潜在解集S2(b,b′)更新步骤(2) 中的S1(b,b′)，重复步骤(3)～步骤(4)，选择第一模态对第二模态的耦合量 D1i、第二模态的输出零偏值E1i、第二模态对第一模态的耦合量D2i和第一模态 的输出零偏值E2i绝对值的和最小的一组数据为最终数据，所述最终数据为： Pbest＝(bbest,b′best,L1best,D1best,E1best,L2best,D2best,E2best)；
(10)利用步骤(9)确定的bbest和b′best，计算出四组电极加的电压值大 小，具体为：
若bbest的最高位为1，则V1为28V，V3可调，若bbest的最高位为0， 则V3为28V，V1可调；所述调整电压的大小由bbest的低七位决定，转换公式 为：电压值＝低七位的十进制数/127×28；
若b′best的最高位为1，则V2为28V，V4可调，若b′best的最高位为0， V4为28V，V2可调，所述调整电压的大小由b′best的低七位决定，转换公式为： 电压值＝低七位的十进制数/127×28。
所述步骤(2)中m的取值范围为：8～16。
所述步骤(3)中L11，D11，E11，L21，D21，E21均通过n次试验求平均获 得。
所述n的取值范围为：100～200。
所述步骤(5)中预先设定频差范围为[-0.5,0.5]。
所述步骤(6)中预先设定的筛选条件具体为：
所选择的两组数据中第一模态对第二模态的耦合量D1i、第二模态的输出零 偏值E1i、第二模态对第一模态的耦合量D2i和第一模态的输出零偏值E2i符号 均相反，且两组数据中第一模态对第二模态的耦合量D1i和第二模态对第一模 态的耦合量D2i绝对值的和最小。
所述步骤(7)中利用步骤(6)中得到的两组数据输入端的输入值计算1 步长筛选第一输入端输入值取值区间[bb1，bb2]和第二输入端输入值取值区间 [bb′1，bb′2]；具体为：
若|b11-b22|＝16，则bb1＝min{b11，b22}，bb2＝max{b11，b22}；否则，bb1＝(b11+b22)/2-8,bb2＝(b11+b22)/2+8；
若|b′11-b′22|＝16，则bb′1＝min{b′11，b′22}，bb′2＝max{b′11，b′22}；否则， bb′1＝(b′11+b′22)/2-8,bb′2＝(b′11+b′22)/2+8。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明先以m步长搜索缩小潜在解范围，然后以1步长搜索确定最 后的电压数值，传统搜索算法潜在解有N＝65536种可能，本发明中的算法有 N′＝65536/m/m+289种可能，效率提高了将近m2倍；
(2)本发明采用两个模态频率相近，且两模态间的耦合值小以及零偏输出 值小来进行最优数据的选取，这是从陀螺结构非理想性产生的影响得出的判断 依据，选取的依据更加合理，选取结果更接近于真实的结果；
(3)本发明对测试环境以及测试仪器的依赖性较小，包括数据的采集、模 态的切换等操作均是通过设计相关软件实现的，对硬件设备的要求低，操作效 率高。已有方法要用到网络动态信号分析仪，成本较高。
附图说明
图1为本发明中陀螺表头的结构图；
图2为MEMS陀螺谐振环振动方式示意图，其中(a)为谐振环第一模态振 动方式示意图，(b)为谐振环第二模态的振动方式；
图3为本发明的系统框图；
图4为本发明的流程图。
具体实施方式
如图1所示为本发明中陀螺表头的结构图，从图1可知，MEMS陀螺振动 环的外侧均匀分布八个电极，顺时针依次为电极1～电极8，其中电极2和电极 6为第一模态的驱动电极，电极4和电极8为第一模态的检测电极，电极3和 电极7为第二模态的驱动电极，电极1和电极5为第二模态的检测电极；图2 为MEMS陀螺谐振环振动方式示意图，其中(a)为谐振环第一模态振动方式示 意图，(b)为谐振环第二模态的振动方式，第二模态在偏离第一模态45°角方 向上振动。
振动环的内圈均匀分布有16个电极实现静电平衡调整，顺时针依次为电极 9～电极24，所述16个电极分为4组，第一组包括电极9、电极13、电极17 和电极21，电压值记住V1，第二组包括电极10、电极14、电极18和电极22， 电压值记住V2，第三组包括电极11、电极15、电极19和电极23，电压值记 住V3，第四组包括电极12、电极16、电极20和电极24，电压值记住V4。
所述每一组中4个电极所加电压大小相等，电压在0～28V范围内取值，所 述第一组电极和第三组电极的电压由第一平衡调整电路控制，对应第一输入端 b，第二和第四组由第二平衡调整电路控制，对应第二输入端b′，第一输入端 输入值b和第二输入端输入值b′均为8位二进制数据，其取值范围为0～255；
第一平衡调整电路和第二平衡调整电路中的两个输出端电压只有一组电压 可调，由第一平衡调整电路和第二平衡调整电路输入端电压值的高位控制，若 第一输入端输入值b的最高位为1，V1为28V(等于陀螺中振动环的偏置电压)， V3可调，若第一输入端输入值b的最高位为0，V3为28V，V1可调；若第二 输入端输入值b′的最高位为1，V2为28V，V4可调，若第二输入端输入值b′ 的最高位为0，V4为28V，V2可调，调整电压的大小由低七位决定，取值为 0～127，其中127对应28V，0对应0V，转换公式为:电压值＝低七位的十进 制数/127×28。
图3为本发明的系统框图，第一模态的检测电极4,8的检测信号经ASIC 电路处理以后得到信号A和B，第二模态的检测电极(1,5)的检测信号经ASIC 电路处理后得到信号D和E。微处理器MCU接收到ASIC发送来的数据，若 实现第一模态的恒幅谐振，A反映第一模态振幅大小的信息，B反映第一模态 的频率偏离谐振频率程度的信息，MCU对信号A进行AGC自动增益环路数字 控制器的处理，得到驱动信号A′，对B进行锁相环路数字控制器的处理，得到 锁相信息B′，然后将A′和B′发送给ASIC，经ASIC处理后作用于第一模态的 驱动电极2,6实现第一模态的恒幅谐振，为了减小第一模态恒幅谐振的过程以 及随机噪声对测量结果的影响，本发明采用100次数据求平均得到第一模态的 信息(L1，D1，E1)，其中第一模态的频率L1通过上位机程序控制频率计测量 得到，D反映第一模态对第二模态的耦合值的大小D1，E反映第二模态的零偏 值的大小E1。通过软件切换实现第二模态的恒幅谐振，D反映第二模态振幅大 小的信息，E反映第二模态的频率偏离谐振频率程度的信息，MCU对信号D 进行AGC自动增益环路数字控制器的处理，得到驱动信号D′，对E进行锁相 环路数字控制器的处理，得到锁相信息E′，然后将D′和E′发送给ASIC，经ASIC 处理后作用于第二模态的驱动电极(3,7)，为了减小第二模态恒幅谐振的过程 以及随机噪声对测量结果的影响，本发明采用100次数据求平均得到第二模态 的信息(L2，D2，E2)，其中第二模态的频率L2通过上位机程序控制频率计测 量得到，A反映第二模态对第一模态的耦合值的大小D2，B反映第一模态的零 偏值的大小E2。如图4所示为本发明的流程图，从图4可知，本发明提出的一 种MEMS陀螺静电平衡电压值的确定方法，所述确定方法由位于MEMS陀螺 振动环外侧的平衡调整电路实现，所述平衡调整电路包括第一平衡调整电路和 第二平衡调整电路，第一平衡调整电路包括第一输入端、第一输出端和第二输 出端，第二平衡调整电路包括第二输入端、第三输出端和第四输出端，具体步 骤如下：
(1)根据第一输入端输入值b取值范围和第二输入端输入值b′取值范围确 定平衡调整电路的潜在解集S(b,b′)，一组b和b′的值为一个潜在解，所述b 和b′均为8位二进制数，b的取值范围为0～255，共256种取值，b′的取值范 围为0～255，共256种取值，这样传统穷举算法潜在解共有N＝256×256＝65536 种取值；
(2)第一输入端输入值b和第二输入端输入值b′均以m个A/D最小分辨 率，即m个LSB为步长，在S(b,b′)中进行取值，获得m步长筛选后的潜在解 集为S1(b,b′)，S1(b,b′)中第一输入端输入值b和第二输入端输入值b′的取值 均为m的整数倍；所述m的取值范围为：8～16；
(3)将步骤(2)中确定的潜在解集S1(b,b′)中第一个值b1和b′1分别 作用于平衡调整电路的第一输入端和第二输入端，首先将代表驱动力大小的驱 动电压作用于第一模态的驱动电极(2,6)，使第一模态实现恒幅谐振，其驱动 的幅度和频率由ASIC芯片和MCU闭环控制，记录第一模态的固有谐振频率 值L11、第一模态对第二模态的耦合量D11和第二模态的输出零偏值E11，然后 在相同平衡调整电路输入值的情况下，将代表驱动力大小的驱动电压作用于第 二模态的驱动电极(3,7)，使第二模态实现恒幅谐振，记录第二模态固有谐振 频率值L21、第二模态对第一模态的耦合量D21和第一模态的输出零偏值E21； 获得一组数据P1＝(b1,b′1,L11,D11,E11,L21,D21,E21)；所述L11，D11，E11，L21， D21，E21均通过n次试验求平均获得，n的取值范围为：100～200；
(4)按顺序取出潜在解集S1(b,b′)中的第一输入端输入值b和第二输入端 输入值b′输入值，重复步骤(3)，取得j组数据，其中第i组数据记作Pi＝(bi, b′i,L1i,D1i,E1i,L2i,D2i,E2i)；所述j为S1(b,b′)中潜在解的个数，i∈[1,j]；
(5)计算步骤(4)中确定的j组数据中每组数据的频差L1i-L2i，利用每组 数据的频差对该组数据进行筛选，获得频差筛选后的数据集合；具体为：若该 组数据的频差处于预先设定的频差范围内，则保留该组数据，否则删除该组数 据；所述预先设定频差范围为[-0.5,0.5]；
(6)在频差筛选后的数据集合中，按照预先设定的筛选条件选择两组数据， 筛选获得的第一组数据中第一输入端的输入值为b11，第二输入端的输入值为 b′11，第二组数据中第一输入端的输入值为b22，第二输入端的输入值为b′22， 所述|b11-b22|<＝16；|b′11-b′22|<＝16；
所述预先设定的筛选条件具体为：
所选择的两组数据中第一模态对第二模态的耦合量D1i、第二模态的输出零 偏值E1i、第二模态对第一模态的耦合量D2i和第一模态的输出零偏值E2i符号 均相反，且两组数据中第一模态对第二模态的耦合量D1i和第二模态对第一模 态的耦合量D2i绝对值的和最小；
(7)利用步骤(6)中计算得到的两组数据输入端的输入值确定1步长筛 选第一输入端输入值取值区间[bb1，bb2]和第二输入端输入值取值区间[bb′1， bb′2]；具体为：
若|b11-b22|＝16，则bb1＝min{b11，b22}，bb2＝max{b11，b22}；否则，bb1＝(b11+b22)/2-8,bb2＝(b11+b22)/2+8；
若|b′11-b′22|＝16，则bb′1＝min{b′11，b′22}，bb′2＝max{b′11，b′22}；否则， bb′1＝(b′11+b′22)/2-8,bb′2＝(b′11+b′22)/2+8；
(8)第一输入端输入值b和第二输入端输入值b′分别以1个A/D最小分 辨率为步长在[bb1，bb2]和[[bb′1，bb′2]中取值，获得1步长筛选后的潜在解集 为S2(b,b′)；
(9)用步骤(8)获得的1步长筛选后的潜在解集S2(b,b′)更新步骤(2) 中的S1(b,b′)，重复步骤(3)～步骤(4)，选择第一模态对第二模态的耦合量 D1i、第二模态的输出零偏值E1i、第二模态对第一模态的耦合量D2i和第一模态 的输出零偏值E2i绝对值的和最小的一组数据为最终数据，所述最终数据为： Pbest＝(bbest,b′best,L1best,D1best,E1best,L2best,D2best,E2best)；
(10)利用步骤(9)确定的bbest和b′best，计算出四组电极加的电压值大 小，具体为：
若bbest的最高位为1，则V1为28V，V3可调，若bbest的最高位为0， 则V3为28V，V1可调；所述调整电压的大小由bbest的低七位决定，转换公式 为：电压值＝低七位的十进制数/127×28；
若b′best的最高位为1，则V2为28V，V4可调，若b′best的最高位为0， V4为28V，V2可调，所述调整电压的大小由b′best的低七位决定，转换公式为： 电压值＝低七位的十进制数/127×28。
实施例
以某陀螺电路为例，其实现步骤如下：
(1)确定平衡调整电路的潜在解集S(b,b′)，其取值范围为((0,0),(0,1), (0,2)…(0,255),(1,0),(1,1)…(1,255),(2,0),(2,1),(2,2)…(255,255)), 共有N种可能取值，N＝256×256＝65536。
(2)确定8步长静电平衡调整电路的潜在解集S1(b,b′)，其中b和b′的 取值均为8的倍数，其取值范围为((0,0),(0,8),(0,16)…(0,248),(8,0),(8,8), (8,16)…(8,248)…(248,0),(248,8)…(248,248))，共有N1种可能取值， N1＝32×32＝1024。
(3)依次将S1中的值作用于平衡调整电路，得到数据集合P如表1所示:
表1
b b′ L1 D1 E1 L2 D2 E2
… … … … … … … …
192 168 3474.11 10161 936 3474.06 921 617
192 176 3473.955 10760 -967 3474.844 -1307 354
… … … … … … … …
200 160 3474.091 -19333 -9439 3473.769 -678 -196
200 168 3474.128 2190 -55 3474.433 -243 434
… … … … … … … …
(4)计算每组数据的频差值L1i-L2i，按照频差排序，挑选出频差在[-0.5,0.5] 范围内的数据集合，如表2所示：
表2
b b′ L1 D1 E1 L2 D2 E2 L1-L2
… … … … … … … … …
192 168 3474.11 10161 936 3474.06 921 617 0.0500
208 160 3474.173 -16708 -2190 3473.863 -1169 -468 0.3100
200 160 3474.091 -19333 -9439 3473.769 -678 -196 0.3220
192 160 3474.028 3008 -7407 3473.562 -193 -3 0.4660
(5)在频差筛选后的数据集合中选择两组数据，P1＝(192,168, 3474.11,10161,936,3474.06,921,617),P2＝(200,160,3474.091,-19333, -9439,3473.769,-678,-196)。其中10161和-19333相反，936和-9439符号 相反，921和-678符号相反，617和-196符号相反。
(6)确定1步长搜索的范围。其中b的取值区间由P1中的192和P2中 的200确定,bb1＝(192+200)/2-8＝188,bb2＝(192+200)/2+8＝204，即b的范围 为188～204。b′的取值区间由P1中的168和P2中的160确定,其中 bb′1＝(168+160)/2-8＝156,bb′2＝(168+160)/2+8＝172，即b′的范围为156～172。 则一步长的取值范围为S2((188,156)…(188,172),(189,156)…(189,172)… (204,156)…(204,172)),共有N2种可能取值，N2＝17×17＝289。
(7)将S2中的值作用于平衡调整电路，得到数据集合如表3所示:
表3
b b′ L1 D1 E1 L2 D2 E2
… … … … … … … …
190 160 3474.478 2276 -494 3473.961 -123 48
190 161 3474.49 458 27 3474.04 -2 59
190 162 3474.503 -1721 789 3474.11 131 103
… … … … … … … …
从表3中挑选出耦合值和零偏输出值小的一组数据Pbest＝(190,161, 3474.49,458,27,3474.04,-2,59,)，bbest＝190＝0b10111110,b′best＝161＝ 0b10100001。根据bbest和b′best即可计算出四组电极加的电压值的大小。bbest的最高位为1，则V1为28V，V3＝13.6693。b′best的最高位为1，则V2为28V， V4＝7.2756。
传统穷举算法潜在解有N＝65536种可能，改进穷举算法有 N′＝N1+N2＝1313种可能，在m＝8时效率提高了将近50倍。