自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统.pdf

本发明涉及一种自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统，通过对微机械陀螺仪中的单谐振质量块检测方向振幅检测反馈和驱动方向驱动电压以及驱动波形调制来实现智能自适应控制，以此提高微陀螺仪稳定性和精度。系统由两个微处理器作为驱动电压波形调制、调频和计算、检测、采样、反馈。通过检测系统所处环境的加速度、温度、角速度并反馈，根据环境特征的变化，系统对驱动进行及时调整，以保证系统运行稳定可控，以此实现智能自适应检测的目的；与传统的驱动检测系统相比，该系统可以显著提高系统的稳定性和对复杂条件的适应能力；在相同的硬件精度条件下大幅提高检测精度和稳定性。

1.  一种自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统，其特征在于，包括微机械陀螺仪和检测驱动控制系统，在微机械陀螺仪中的单谐振质量块互相垂直的驱动方向和检测方向上，间接连接驱动电容和测试电容，驱动电容信号、测试电容信号与检测驱动控制系统形成降低正交误差的闭环控制。

2.  根据权利要求1所述自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统，其特征在于，所述包括谐振质量块、两个平行板电容、两个梳齿驱动电容、四个相同的弹性元件和检测驱动控制系统，四个相同的弹性元件与谐振质量块一体连接，谐振质量块的检测方向对称有两个弹性元件，谐振质量块的驱动方向对称有两个弹性元件，检测方向与驱动方向垂直，平行板电容作为检测元件，一极固定作为检测方向平行板电容固定极板，另一极活动作为检测方向平行板电容活动极板，检测方向平行板电容活动极板与检测方向的弹性元件扣合；梳齿驱动电容作为驱动元件，一极固定作为梳齿驱动电容固定极板，另一极活动作为梳齿驱动电容活动极板，梳齿驱动电容活动极板与驱动方向弹性元件扣合；检测驱动控制系统输出驱动信号到梳齿驱动电容，使谐振质量块产生振动，平行板电容检测信号送检测驱动控制系统，形成闭环控制。

3.  根据权利要求2所述自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统，其特征在于，所述检测驱动控制系统包括两个微处理器、驱动电路、调频检测电路、温度传感器和两个加速度传感器，两个微处理器互相通信，一个微处理器作为驱动信号处理器，驱动信号处理器输出驱动数字信号到驱动电路，驱动电路中D/A转换模块将驱动数字信号转换成驱动波形，再经过依次电压放大模块、带通滤波器后输出驱动电压到梳齿驱动电容；另一个微处理器作为运算信号处理器，平行板电容上的电压信号输入到调频检测电路，调频检测电路依次包括频振荡器、限幅电路、鉴频电路、放大电路以及A/D电路，调频检测电路输出信号送入运算信号处理器，温度传感器检测环境温度，两个加速度传感器分别检测驱动方向和检测方向的加速度，温度传感器和加速度传感器信号送运算信号处理器，运算信号处理器输出反馈补偿信号回驱动信号处理器。

4.  根据权利要求3所述自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统，其特征在于，所述整个检测驱动控制系统外层有电磁屏蔽层，调频检测电路中的频振荡器、限幅电路、鉴频电路、放大电路外围有电磁屏蔽层，驱动电路中的电压放大模块、带通滤波器外围有电磁屏蔽层。

自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统
技术领域
本发明涉及一种微机械陀螺仪，特别涉及一种自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统。
背景技术
微机械陀螺仪是利用科氏效应来检测转动物体角速度的一种微惯性传感器。采用微电子机械加工技术制备的微机械陀螺因其成本低、体积小、质量轻、功耗低、结构与工艺简单以及适合量产等特点，广泛应用于航空航天、军事、汽车、消费电子产品等领域。谐振式微机械陀螺仪是一种具有对称结构的典型微机械陀螺，在工程中有广泛的应用。现阶段由于微陀螺仪加工误差和材料的固有特性以及复杂的工作环境造成微机械陀螺仪的精度和稳定性受到一定的限制。影响检测精度和测量误差的主要因素有以下几个方面：刚度非线性、阻尼非线性、正交误差、温度场耦合、加速度对平衡点的影响、输入角速度的复杂性等。
国内外对于微陀螺的研究绝大部分都是基于输入角速度为定值并且无加速度的条件而开展的研究，对于线性系统，这种方法比较实用，但是在提高微陀螺精度的过程中，非线性因素将不可避免的需要研究，在非线性因素存在的条件下，这种假设条件不再适用，这种输入角速度的变化以及加速度的存在都可能造成微系统谐振失稳，进而影响系统的检测精度。
微机械陀螺通常的驱动方式是电磁驱动和静电驱动两种。电磁驱动采用洛仑兹力来实现；静电驱动是利用两组电极之间的静电吸引力实现，驱动力较小，但驱动稳定，无需附加措施，较易实现。微机械陀螺通常的检测方式是梳齿压阻检测、静电梳齿电容检测和平行板电容检测三种。本发明案例采用平行板电容检测，平行板电容检测是基于谐振系统振动造成电容极板间距变化对电容大小的影响来检测系统的振动，这种检测方法精度较高，但是制造精度要求较高，工艺复杂，并且微结构的复杂拓扑结构造成系统的空气阻尼变得复杂化，故此类设计需要对微结构真空封装。由于制造误差的存在，当系统输入角速度为零时，系统敏感方向的振幅并不为零，此即为正交误差，正交误差严重影响系统的检测精度，因此需要设计合理的微结构和检测原理以及严格控制加工精度，间接连接结构可以有效降低单谐振质量的微陀螺系统的正交误差。国内外学者都有提出在现有的加工精度条件下通过改进检测原理的方法来降低系统的正交误差。
谐振式微陀螺系统的制造误差和微结构材料的特性造成微系统的刚度非线性，同时在复杂的温度场工作条件下，微结构的刚度同样受到温度场的影响。国内外学者对单晶硅微结构的温度场耦合有相当多的研究，并提出多种温度补偿的方法，其中包括控制温度场的变化以及调整驱动频率以适应系统的刚度的变化等方法。另一方面梳齿电容将造成系统阻尼的复杂化并表现为非线性，需要采取真空封装的方法降低空气阻尼的非线性影响。对于系统所存在的非线性因素（主要是刚度非线性和阻尼非线性）可能造成系统的稳定性降低并可能出现分岔及混沌等复杂的动力学行为，特别是在复杂的工作条件下对稳定性要求较高；在学术界和工程领域广泛应用时滞速度反馈控制的方法和时滞位移反馈控制的方法来抑制系统复杂动力学行为并提高系统的稳定性，但是在谐振式微陀螺系统的非线性研究中，鲜有应用时滞反馈控制的方法来提高稳定性，因此本专利主要针对这一理论方法开展应用研究，将时滞反馈控制的理论方法推广到谐振式微陀螺仪系统的控制工程应用中。
发明内容
本发明是针对谐振式微陀螺仪系统稳定性的问题，提出了一种自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统，能自动适应不同工作条件并大幅度扩展检测范围，在不同的输入角速度条件下，可以根据输入角速度的大小自动调整系统驱动方向振幅以实现输出振幅在可控的范围，有利提高检测精度，同时对于温度场和输入加速度检测和反馈以及补偿控制的作用。
本发明的技术方案为：一种自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统，包括微机械陀螺仪和检测驱动控制系统，在微机械陀螺仪中的单谐振质量块互相垂直的驱动方向和检测方向上，间接连接驱动电容和测试电容，驱动电容信号、测试电容信号与检测驱动控制系统形成降低正交误差的闭环控制。
所述包括谐振质量块、两个平行板电容、两个梳齿驱动电容、四个相同的弹性元件和检测驱动控制系统，四个相同的弹性元件与谐振质量块一体连接，谐振质量块的检测方向对称有两个弹性元件，谐振质量块的驱动方向对称有两个弹性元件，检测方向与驱动方向垂直，平行板电容作为检测元件，一极固定作为检测方向平行板电容固定极板，另一极活动作为检测方向平行板电容活动极板，检测方向平行板电容活动极板与检测方向的弹性元件扣合；梳齿驱动电容作为驱动元件，一极固定作为梳齿驱动电容固定极板，另一极活动作为梳齿驱动电容活动极板，梳齿驱动电容活动极板与驱动方向弹性元件扣合；检测驱动控制系统输出驱动信号到梳齿驱动电容，使谐振质量块产生振动，平行板电容检测信号送检测驱动控制系统，形成闭环控制。
所述检测驱动控制系统包括两个微处理器、驱动电路、调频检测电路、温度传感器和两个加速度传感器，两个微处理器互相通信，一个微处理器作为驱动信号处理器，驱动信号处理器输出驱动数字信号到驱动电路，驱动电路中D/A转换模块将驱动数字信号转换成驱动波形，再经过依次电压放大模块、带通滤波器后输出驱动电压到梳齿驱动电容；另一个微处理器作为运算信号处理器，平行板电容上的电压信号输入到调频检测电路，调频检测电路依次包括频振荡器、限幅电路、鉴频电路、放大电路以及A/D电路，调频检测电路输出信号送入运算信号处理器，温度传感器检测环境温度，两个加速度传感器分别检测驱动方向和检测方向的加速度，温度传感器和加速度传感器信号送运算信号处理器，运算信号处理器输出反馈补偿信号回驱动信号处理器。
所述整个检测驱动控制系统外层有电磁屏蔽层，调频检测电路中的频振荡器、限幅电路、鉴频电路、放大电路外围有电磁屏蔽层，驱动电路中的电压放大模块、带通滤波器外围有电磁屏蔽层。
本发明的有益效果在于：本发明自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统，采用静电梳齿驱动方式，避免了电磁驱动力不稳定，提供较为稳定的驱动力，无需附加措施，较易实现；微结构采用真空封装，降低了复杂拓扑形状的微结构的空气阻尼，因此降低了空气阻尼非线性对系统稳定性的影响；系统采用微处理器通过软件编程实现对系统控制的智能化和自动化控制检测，扩大了检测范围，提高了系统的适应能力，同时有利于检测精度的提高，真正做到智能检测；系统采用数字化控制，对于高精度灵敏系统来说，可以有效降低环境电磁干扰对控制系统的影响；系统设计的驱动频率和检测频率相差较大，因此可以有效降低系统自身电磁场的干扰，同时对于电磁辐射较大的微处理器及数字电路外的系统进行电磁屏蔽，有效的降低环境磁场和自身电磁场的影响；系统对工作环境检测并反馈，并根据不同的环境条件适时自动的调整系统的驱动模式，以适应相应的工作环境；系统振动的检测采用直放式调频检测电路检测系统电容随振动的变化特征，提高检测的抗干扰能力，检测频率较高，因此相应速度快；系统采取隔震和隔热措施，降低环境机械振动对系统的影响，使系统的适应能力和稳定性提高。
附图说明
图1为本发明间接连接的单谐振质量的结构示意图；
图2为本发明自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统结构示意图；
图3为本发明直放式调频检测电路框图；
图4为本发明电磁隔离系统方案示意图；
图5为本发明自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统流程图；
图6为本发明驱动部分流程图。
具体实施方式
本发明自适应时滞反馈控制微机械陀螺仪系统，特别是静电驱动的谐振式微机械陀螺仪的时滞反馈控制，静电梳齿驱动和静电梳齿电容和平行板电容相结合共同检测，包含温度补偿和加速度补偿和敏感方向振幅反馈，通过微处理器对驱动电压的频率振幅和波形调制。
图1所示为间接连接的单谐振质量的结构示意图，其中坐标X轴方向为驱动方向，Y轴方向为检测方向，Ωz为输入角速度方向，1为检测方向平行板电容固定极板，2为平行板电容活动极板，敏感方向采用平行板电容检测，可以大幅提高电容极板的有效面积以及电容的变化率，在敏感方向采用平行板电容检测，此结构设计可降低正交误差对敏感电容的影响；在驱动方向采用梳齿电容进行驱动，4为梳齿驱动电容固定极板，5为梳齿驱动电容活动极板，此种结构有利于提高驱动力；3为锚点（用于固定弹性元件6的固定端和梳齿电容5以及检测电容1），6为U形弹簧，8为谐振质量块，谐振质量块四边分别有四个隔离弹簧7，采用间接连接的方法即图中的弹性元件7，这种弹性元件在其垂直方向的刚度较小，在其平行方向上的刚度较大，谐振质量块8在两个方向上都有振动，采用这种弹性元件可以降低其垂直方向上的谐振质量块振动对其垂直方向振动的影响，可有效的降低正交误差。
图2所示为整个控制系统示意图，包含一个谐振式微陀螺仪，两个微处理器201、215，驱动电路、直放式调频检测电路、两个微加速度传感器218，一个温度传感器219。其中两个微加速度传感器和温度传感器是用于对系统工作环境检测并反馈；微处理器201是作为驱动电压调制的主要元件，通过对驱动电压的频率、幅值以及波形调制，其输出的驱动电压原始波形为正弦波，处理器201根据驱动波形信息输出相应的数字信号（对驱动波形采样，输出对应时刻幅值的数字量），然后通过高速D/A转换模块202将处理器201输出的数字量信号还原成相应的驱动波形，在经过电压放大模块203将驱动波形放大至适当的幅值，此外由于驱动电压的频率相对固定，经过采样还原放大过程后，波形中将包含一些高频和低频的波形特征，因此通过带通滤波器204将高频和低频信号滤除，然后再将相应的驱动电压输入微陀螺205的驱动梳齿电容，以此方式来控制微陀螺系统的稳定运行；驱动频率等于谐振系统205固有频率的一半，在此基础上根据反馈的时滞位移、敏感方向的振幅、环境温度和输入加速度对驱动波形调制，包括振幅、频率、波形和直流偏置电压的调制；微处理器输出的数字量为14位二进制数据，输出频率为100KHz，微结构的振动中心频率1KHz,即在一个机械振动周期内，对驱动电压的波形调制数量为200个数字量，这样可以精确的控制驱动电压波形，输出的数字量经过14位高速数模转换并通过带通滤波和放大电路最终输入梳齿驱动电容微结构的振动。其中微处理器215是作为整个系统控制的上位处理器，主要是对系统的检测信号预处理并反馈通信以及角速度结果的计算，并将计算结果反馈至微处理器201，以便于对驱动波形调制。整个系统是通过软件和硬件系统共同驱动。谐振系统205的电容检测包括驱动方向和敏感方向的振动响应检测，驱动方向检测信号依次通过频振荡器210、限幅电路211、鉴频电路212、放大电路213以及A/D电路214送入微处理器215，敏感方向检测信号次通过频振荡器206、限幅电路207、鉴频电路208、放大电路209以及A/D电路217送入微处理器215，此均采用均为直放式调频检测电路，如图3所示，包含调频振荡器、限幅电路、鉴频电路、放大电路以及A/D电路组成；该电路完成对系统驱动方向和敏感方向变化电容在线检测，检测频率为100KHz，即保证一个系统周期内完成系统电容检测5次，根据五次电容的检测数据来计算对应时刻的位移、速度、加速度和振幅。
图4所示为电磁屏蔽设计示意图，微处理器工作时会产生一定频率的电磁干扰，但是对于灵敏系统来说，干扰信号将会造成系统的检测误差甚至无法测量，因此，系统不仅要对外部电磁场隔离，还要对自身电磁场隔离。检测部分的输出信号较弱，容易受到干扰的影响，因此需要对检测部分进行单独隔离；整个隔离包括三个层次，第一层是整个系统的电磁屏蔽，如图4最外的黑线框，主要隔离外部电磁场的影响；第二层是将数字处理部分与其他部分的隔离，主要是降低数字电路工作时产生的电磁辐射对模拟电路及微结构所产生的影响，如图4中41、42；第三层是微结构驱动方向检测和敏感方向检测系统的直放调频检测电路的分别隔离，如图4中44、45，主要是避免两个方向的调频检测的电场耦合。
图5、6为整个系统控制与驱动的软件系统流程图，主要阐明软件控制原理。系统的软件包括两个部分，分别装载在两个微处理器中。图5 所示为主程序，装载在微处理器215中，对整个系统控制计算和输出，主要的检测是：检测温度(铂电阻温度传感器)、检测加速度 (两个相互垂直安装的微加速度传感器)、检测电容（直放式调频检测电路的A/D值检测），主要的计算是对输出角速度计算，根据微陀螺动力学原理检测敏感方向电容的变化特征计算出输入角速度的大小，其中输入角速度与检测电容变化的幅值呈线性关系，可以通过简单的计算获得。加速度检测主要是通过已有的检测模块输出的数字信号来通信，并将加速度信号换算成相应的直流偏置电压来补偿微结构的平衡点偏置。微结构振动检测主要是通过已有的硬件电路将频率信号转化为数字信号输入微处理器215中通过简单的计算快速获得微结构振动的速度、位移、振幅、频率等特征，对于驱动方向的电容检测还包含时滞反馈的要求。对于程序结构中的加速度、温度、驱动方向振动、敏感方向振动的检测计算采用中断优先级来控制四部分子程序的运行，优先级依次为敏感方向振动、驱动方向振动、加速度、温度。
要使系统的时滞量可以在较宽的范围内调整，就需要系统的检测频率足够高，在此设计的单个检测周期为50微秒（其中延时的目的是保证单次执行检测的时间补充，以达到稳定检测频率的目的），即在50微秒中要对系统的所有信号完成一次检测和计算并反馈。由于系统存在非线性因素，在一些工作条件下很容易失稳，一旦失稳，微结构振动检测将会出现异常，表现为微结构振动频率混乱、振幅不稳定，因此在检测振动特征 过程中一旦出现这些现象，系统可以对一些参数(时滞量、时滞增益系数、直流偏置电压和驱动电压振幅以及频率)进行自动调整，来保证系统始终工作在稳定状态。具体调整方案是根据系统试验方法分别确立系统参数调整的优先级、调整范围和调整原则。参数的调整主要是保证在不同工作条件下的系统谐振稳定性适、检测稳定性和可控的振幅。在上述调整参数中，独立的调整参数分别是：直流偏置电压（与系统的加速度引起的平衡点位置偏移量呈线性关系）、驱动电压的幅值（与输入角速度正相关）和驱动电压频率（与系统工作温度变化相关，根据温度与弹性元件刚度关系调整系统驱动频率）；稳定性的参数调整主要是时间滞后量以及时滞增益，优先调整系统时间滞后量，其次是时滞增益；时间滞后量的调整范围是大于一个检测周期，且小于一个谐振周期，即大于50微秒小于1000微秒，时滞增益系数的调整在为0到0.2范围内。
图6程序是装载在微处理器201中，主要作用是根据微处理器215反馈的信号对驱动电压波形进行调制。智能自适应的原理是根据敏感方向振幅来对驱动方向的驱动电压幅值进行调整，以此实现敏感方向的振幅始终在一个可控范围内。微处理器201的主要作用是根究反馈信号进行波形调制和调频，处理器需要高速输出数字量以对驱动波形精确控制，直接影响驱动系统的稳定性和可靠性，因此在程序设计上降低程序的复杂程度，以保证其对波形控制的可靠性。
该系统由静电梳齿驱动谐振式硅微陀螺仪和驱动电路以及检测电路共同组成；微机械陀螺仪部分为单晶硅微结构的单谐振质量块的静电梳齿驱动，并采用真空封装；驱动力的大小和幅值通过对驱动电压的调频调幅以及波形修正控制来实现，检测方向梳齿电容大小通过频率调制来检测；通过检测敏感方向的振幅大小实现反馈，进而调整驱动方向的驱动力的大小，以此实现智能自适应检测；陀螺仪的微结构动力学模型表现为非线性，通过对驱动方向和敏感方向振幅和瞬时速度及位移的快速检测并反馈，进而根据对驱动电压的波形调制，并通过调整反馈时间滞后量来控制系统，以此实现提高系统稳定性的目的；微陀螺仪的微结构刚度受温度影响较大，在结构设计中引入温度检测与控制系统，温度的微小变化依然对系统的固有频率影响较大，为了更精确抑制温度对系统的影响，采取温度补偿与反馈的控制原理，根据温度微小变化适时调整驱动电压的频率以维持系统谐振。系统在一定加速度下工作，对微机械谐振系统的位移有偏置作用，因此在驱动和检测方向分别引入直流偏置电压以补偿系统线加速度对系统平衡位置的影，在系统中加入加速度检测模块，通过检测工作平面的加速度方向和大小并反馈，以此来控制直流偏置电压的大小来实现平衡位置的补偿。