【摘要】：硅微機(jī)械陀螺因具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn),在軍民領(lǐng)域均有著重要的應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。目前,硅微機(jī)械陀螺正朝著智能化、集成化、高性能的方向發(fā)展。采用圓片級(jí)真空封裝技術(shù)提高陀螺結(jié)構(gòu)的集成度,采用數(shù)字技術(shù)和專用集成電路技術(shù)提高信號(hào)檢測(cè)與控制電路的集成度,以充分發(fā)揮硅微機(jī)械陀螺的優(yōu)點(diǎn)。 本文以課題組自主設(shè)計(jì)的Z軸音叉硅微機(jī)械陀螺為研究對(duì)象,以提高陀螺的零偏穩(wěn)定性和標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性為目標(biāo),以測(cè)控電路的可ASIC (Application Specific Integrated Circuit,專用集成電路)化為著眼點(diǎn),開(kāi)展了硅微機(jī)械陀螺測(cè)控電路的數(shù)字化研究。主要包括接口電路的分析設(shè)計(jì)、閉環(huán)控制技術(shù)研究、閉環(huán)檢測(cè)技術(shù)研究和溫度補(bǔ)償技術(shù)研究。 論文論證了硅微機(jī)械陀螺測(cè)控電路的總體方案。通過(guò)對(duì)比模擬控制技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù),選擇了數(shù)字控制技術(shù)作為硅微機(jī)械陀螺測(cè)控電路的控制技術(shù),并設(shè)計(jì)了數(shù)字化測(cè)控系統(tǒng)的總體方案。根據(jù)硅微機(jī)械陀螺的性能指標(biāo),在性能指標(biāo)分配的基礎(chǔ)上,分析了電容/電壓轉(zhuǎn)換電路(C/V轉(zhuǎn)換電路)的噪聲性能,設(shè)計(jì)陀螺的接口電路。分析設(shè)計(jì)了數(shù)字化測(cè)控系統(tǒng)的其他環(huán)節(jié),在分析計(jì)算采樣頻率和量化位數(shù)的基礎(chǔ)上選擇了ADC和DAC的產(chǎn)品型號(hào);通過(guò)對(duì)比DSP和FPGA的優(yōu)缺點(diǎn)選擇了FPGA作為數(shù)字信號(hào)的處理器。構(gòu)建了硅微機(jī)械陀螺的數(shù)字化硬件系統(tǒng),為后續(xù)信號(hào)處理與控制算法的研究和設(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 論文研究了硅微機(jī)械陀螺的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。將自激鎖相閉環(huán)驅(qū)動(dòng)分為低頻AGC(自動(dòng)增益控制,Automatic Gain Control)幅值控制部分和高頻PLL(鎖相環(huán),Phase Locked Loop)相位、頻率控制部分,而后通過(guò)線性化對(duì)這兩個(gè)部分分別進(jìn)行了穩(wěn)定性分析和噪聲性能分析。通過(guò)穩(wěn)定性分析得到了環(huán)路參數(shù)和環(huán)路動(dòng)態(tài)性能之間的關(guān)系,并得到了環(huán)路的穩(wěn)定性條件；通過(guò)噪聲性能分析得到了閉環(huán)驅(qū)動(dòng)中C/V轉(zhuǎn)換電路的噪聲功率譜密度設(shè)計(jì)指標(biāo),得到了PLL輸出信號(hào)的噪聲功率譜密度與輸入信號(hào)的噪聲功率譜密度之間的關(guān)系。論文還特別分析了PLL的捕獲性能和跟蹤性能,得到了PLL捕獲帶寬和跟蹤帶寬與環(huán)路參數(shù)之間的關(guān)系,為PLL的參數(shù)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。在理論分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)設(shè)置主導(dǎo)極點(diǎn)的方法將所研究的三階AGC和PLL環(huán)節(jié)降為二階,并根據(jù)環(huán)路性能指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。Simulink仿真和實(shí)驗(yàn)均證明了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)的正確性,取得了良好的閉環(huán)性能。 論文研究了硅微機(jī)械陀螺的閉環(huán)檢測(cè)技術(shù)。分析了正弦波電壓反饋形式和脈沖密度電壓反饋形式對(duì)敏感模態(tài)負(fù)剛度的影響,得到了正弦波電壓反饋時(shí)敏感模態(tài)負(fù)剛度隨外界輸入角速度的變化而變化,而脈沖密度電壓反饋時(shí)敏感模態(tài)負(fù)剛度不隨外界輸入角速度的變化而變化的結(jié)論�；谠撜J(rèn)識(shí),采用了機(jī)電結(jié)合Sigma Delta調(diào)制器(SDM)閉環(huán)檢測(cè)技術(shù)。以電路SDM為中介,以環(huán)路的信噪比為設(shè)計(jì)指標(biāo),采用DSToolbox設(shè)計(jì)工具,根據(jù)Z軸音叉硅微機(jī)械陀螺的特點(diǎn),對(duì)閉環(huán)檢測(cè)環(huán)路設(shè)計(jì)時(shí)的兩大難點(diǎn)—確定環(huán)路結(jié)構(gòu)形式和選擇環(huán)路參數(shù)進(jìn)行了研究。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了閉環(huán)設(shè)計(jì)的正確性。 針對(duì)硅微機(jī)械陀螺性能受溫度影響較大的特點(diǎn),論文以“控制為主、補(bǔ)償為輔”的思路研究了溫度補(bǔ)償技術(shù)。分析表明C/V轉(zhuǎn)換電路的增益穩(wěn)定性是影響陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)振動(dòng)速度幅值穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。由此,提出了具有增益補(bǔ)償功能的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)技術(shù),以提高振動(dòng)速度的幅值穩(wěn)定性。進(jìn)一步的理論分析表明此技術(shù)具有與陀螺結(jié)構(gòu)參數(shù)和電路參數(shù)無(wú)關(guān)的特性,便于對(duì)批量生產(chǎn)的陀螺進(jìn)行批量化溫度補(bǔ)償,體現(xiàn)了“控制”的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用該技術(shù)使開(kāi)環(huán)檢測(cè)陀螺的標(biāo)度因數(shù)溫度系數(shù)和零偏溫度系數(shù)分別降低了89.5%和67.6%。利用陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率和溫度之間存在的線性關(guān)系,以驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率作為溫度測(cè)量的敏感量,研究了陀螺標(biāo)度因數(shù)和零偏的二階溫度補(bǔ)償算法,指出了陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的高品質(zhì)因數(shù)有利于高精度的溫度補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)表明該技術(shù)使陀螺的標(biāo)度因數(shù)溫度系數(shù)和零偏溫度系數(shù)在增益補(bǔ)償閉環(huán)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上再次下降了59.3%和73.1%。 最后,對(duì)數(shù)字化雙閉環(huán)硅微機(jī)械陀螺的溫度特性進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明相對(duì)于溫度補(bǔ)償前,溫度補(bǔ)償后的硅微機(jī)械陀螺,其零偏穩(wěn)定性提高了38.0%,零偏重復(fù)性提高了38.3%,標(biāo)度因數(shù)和零偏的溫度系數(shù)分別降低了45.8%和61.7%,證明了溫度補(bǔ)償方法可有效地降低陀螺的溫度系數(shù),提高陀螺性能。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TN96

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2509801