微機(jī)械陀螺儀與其他傳統(tǒng)陀螺儀相比,體積小,質(zhì)量輕,特別是其低成本、適于大批量生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)使得微機(jī)械陀螺在日常生活中應(yīng)用廣泛,受到了人們的廣泛關(guān)注。例如,在浸入式游戲中,可以在微機(jī)械陀螺幫助下,捕獲游戲者的方位、動(dòng)作和姿態(tài),使游戲者獲得更好的游戲體驗(yàn)。傳統(tǒng)微機(jī)械陀螺使用模擬方式實(shí)現(xiàn)讀出電路。模擬讀出電路使用分立的模擬器件實(shí)現(xiàn)。模擬器件會(huì)隨使用時(shí)間增加產(chǎn)生老化問(wèn)題,并且容易受溫度變化影響,這會(huì)導(dǎo)致模擬器件的參數(shù)偏離原先值,引起陀螺性能下降甚至失效。另外,由于微機(jī)械加工工藝的限制,陀螺表頭的驅(qū)動(dòng)軸和檢測(cè)軸不總是相互垂直,這使得兩軸會(huì)在陀螺使用期間產(chǎn)生耦合。這種因耦合導(dǎo)致的嚴(yán)重測(cè)量誤差,被稱(chēng)為正交誤差。為解決上述問(wèn)題,本文提出了數(shù)字化陀螺讀出電路和正交誤差補(bǔ)償算法。數(shù)字讀出電路有固定的編碼、固定的參數(shù)和固定的響應(yīng),與易受溫度變化、器件老化等問(wèn)題影響的模擬讀出電路相比具有較大優(yōu)勢(shì)。為解決驅(qū)動(dòng)軸與檢測(cè)軸間的耦合問(wèn)題,本文采用了數(shù)字I/Q解調(diào)方法,該方法將正交誤差信號(hào)與真正角速度信號(hào)分離開(kāi)。而且,本文使用改進(jìn)PID控制器形成閉環(huán)控制系統(tǒng),將正交誤差信號(hào)反饋到陀螺表頭,用于校正兩軸不垂直引起的誤差。本文... 

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根特大學(xué)微機(jī)械陀螺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

第一章緒論5圖1-3亞琛工業(yè)大學(xué)微機(jī)械陀螺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2013年亞琛工業(yè)大學(xué)對(duì)微機(jī)械陀螺進(jìn)行改進(jìn)，圖1-3為該陀螺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[20]。一般微機(jī)械陀螺檢測(cè)軸諧振頻率為10~30kHz，該微機(jī)械陀螺將檢測(cè)軸諧振頻率提升至100kHz，遠(yuǎn)高于其他陀螺。這樣做一方面提高了系統(tǒng)的健壯性，另一方面導(dǎo)致正交誤差問(wèn)題更為突出。其正交誤差補(bǔ)償電路在FPGA上實(shí)現(xiàn)，通過(guò)精確補(bǔ)償有效抑制系統(tǒng)內(nèi)存在的正交誤差。我國(guó)在微機(jī)械陀螺領(lǐng)域的起步較晚，經(jīng)過(guò)科研人員長(zhǎng)期不懈的努力，已經(jīng)取得了令人欣喜的發(fā)展與進(jìn)步。同濟(jì)大學(xué)、北京大學(xué)、清華大學(xué)、中北大學(xué)等院校以及中電13所、6所、上海微系統(tǒng)等單位均對(duì)陀螺進(jìn)行著深入研究，提出了新的架構(gòu)，提高了陀螺的性能[21]。2014年，東南大學(xué)在已有微機(jī)械陀螺的基礎(chǔ)上，對(duì)陀螺靜電補(bǔ)償與控制技術(shù)進(jìn)行深入研究[22]。其檢測(cè)軸采用基于比例積分相位超前控制器（PIPLC）和偶極子補(bǔ)償器的閉環(huán)檢測(cè)方案，有效地平衡了科里奧利力，提升了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的正交誤差，該文獻(xiàn)對(duì)雙質(zhì)量塊整體校正方式和雙質(zhì)量塊獨(dú)立校正方式進(jìn)行比較，證明了獨(dú)立校正方式優(yōu)于整體校正方式。

電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文6圖1-4南京理工大學(xué)微機(jī)械陀螺結(jié)構(gòu)原理圖圖1-4為南京理工大學(xué)2016年報(bào)道的振動(dòng)式音叉陀螺的結(jié)構(gòu)原理圖[23]。該陀螺采用SOI工藝制造，采用真空封裝。其驅(qū)動(dòng)軸采用AGC閉環(huán)控制，檢測(cè)軸工作方式為開(kāi)環(huán)。讀出電路采用ASIC集成技術(shù)，整個(gè)芯片供電電壓為3.3V，功耗僅為8mW。測(cè)試結(jié)果表明，在保證量程為o±300/s的前提下，其帶寬超過(guò)100Hz。此外，一些中國(guó)的商業(yè)公司，如深迪半導(dǎo)體公司也推出了自己的微機(jī)械陀螺芯片。深迪專(zhuān)注于消費(fèi)者電子與汽車(chē)電子領(lǐng)域，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MEMS工藝和集成技術(shù)[24]。1.3研究目的與指標(biāo)微機(jī)械陀螺體積孝質(zhì)量輕，易于集成，并且適合批量生產(chǎn)，成本低廉，在消費(fèi)者電子領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，比如手機(jī)、筆記本電腦、照相機(jī)、玩具、游戲機(jī)等等均使用微機(jī)械陀螺測(cè)量目標(biāo)的角速度信息。因此，微機(jī)械陀螺受到人們廣泛關(guān)注，是慣性傳感器的研究熱點(diǎn)之一。雖然國(guó)內(nèi)MEMS行業(yè)不斷努力，取得了可喜的成績(jī)，但是我們依然要正視我國(guó)與國(guó)際在MEMS行業(yè)的差距�？傮w上講，國(guó)內(nèi)MEMS陀螺技術(shù)的研究落后于國(guó)際水平。國(guó)外商用陀螺儀比較普遍，但是成熟應(yīng)用的國(guó)產(chǎn)商業(yè)化陀螺鮮有報(bào)道。以模擬方式實(shí)現(xiàn)的讀出電路容易受外界因素、寄生效應(yīng)等干擾，并且模擬器件會(huì)產(chǎn)生老化問(wèn)題，導(dǎo)致電路參數(shù)發(fā)生變化，影響陀螺的性能。數(shù)字電路能夠克服模擬電路的缺點(diǎn)，具有準(zhǔn)確、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且數(shù)字電路容易對(duì)算法進(jìn)行測(cè)試與優(yōu)化。因此，實(shí)現(xiàn)微機(jī)械陀螺讀出電路的數(shù)字化是一件非常有必要的事情。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
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[3]Sigma-delta ADC中降采樣數(shù)字濾波器的研究與設(shè)計(jì)[D]. 任雪.西安電子科技大學(xué) 2014
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本文編號(hào)：3375066