本文關(guān)鍵詞：硅微陀螺儀信號(hào)反饋及誤差校正電路研究

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【摘要】：硅微陀螺儀是一種新型的MEMS慣性傳感器,與傳統(tǒng)的陀螺儀相比具有體積小、重量輕、易于數(shù)字化、可批量生產(chǎn)、功耗低等優(yōu)點(diǎn),其在國民經(jīng)濟(jì)和國防軍事領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。因此,研究硅微陀螺儀測控技術(shù)對(duì)提高陀螺儀精度具有重要意義。本論文在目前的工藝水平下,從測控電路的角度以FPGA為核心研制了硅微陀螺儀閉環(huán)檢測、正交誤差校正以及頻率調(diào)諧系統(tǒng),減小了陀螺儀輸出信號(hào)的誤差與漂移,提高微機(jī)械陀螺儀的穩(wěn)定性與高精度。主要研究內(nèi)容：(1) 硅微陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)的建模與分析在硅微陀螺的驅(qū)動(dòng)測控電路中分別采用鎖相環(huán)(PLL)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)頻率的實(shí)時(shí)跟蹤和自動(dòng)增益控制(AGC)系統(tǒng)提供穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)振動(dòng)幅值。構(gòu)建雙閉環(huán)驅(qū)動(dòng)模型,通過仿真驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)模態(tài)的可行性。根據(jù)仿真設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)模態(tài)的閉環(huán)測控電路系統(tǒng),通過最終的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案的正確性和實(shí)用性。(2) 正交誤差校正系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析分析了正交誤差的產(chǎn)生原因,通過在結(jié)構(gòu)上增加正交校正電極,利用負(fù)剛度效應(yīng)抑制正交誤差的方法。根據(jù)理論分析構(gòu)建了正交校正的控制模型,并對(duì)正交系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,通過仿真結(jié)果可以驗(yàn)證正交系統(tǒng)可以消除正交誤差,通過消除耦合誤差陀螺輸出信號(hào)中的正交分量。最后進(jìn)行正交誤差的實(shí)驗(yàn)測試,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到零偏穩(wěn)定性得到明顯的改善。(3) 檢測模態(tài)的閉環(huán)檢測硅微陀螺儀信號(hào)檢測方式有開環(huán)檢測和閉環(huán)檢測兩種方法。闡述了開環(huán)檢測的原理、并進(jìn)行了仿真分析。同時(shí)在閉環(huán)檢測的優(yōu)勢(shì)上,利用力反饋閉環(huán)檢測,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證閉環(huán)檢測對(duì)陀螺儀性能的影響。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了閉環(huán)檢測回路明顯的提高了陀螺儀的精度和應(yīng)用可靠性上。(4) 陀螺儀模態(tài)匹配的分析分析了模態(tài)匹配的必要性,并利用負(fù)剛度效應(yīng)實(shí)現(xiàn)模態(tài)匹配。在頻率調(diào)諧回路中通過正交信號(hào)的輔助功能,實(shí)現(xiàn)模態(tài)匹配,使得陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測模態(tài)頻差在一定的范圍內(nèi)。通過仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的可行性,并且明顯的提高了機(jī)械靈敏度,改善了系統(tǒng)信噪比。(5) 電路數(shù)字化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了硅微陀螺儀的測控電路控制系統(tǒng)。以FPGA為系統(tǒng)核心芯片和信號(hào)處理平臺(tái),編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)字算法,包括DCO、數(shù)字PI、數(shù)字濾波器和控制等軟件算法。實(shí)現(xiàn)了以FPGA和高性能ADC、DAC為核心的硬件測控電路(6) 硅微陀螺儀實(shí)驗(yàn)研究完成電路各模塊的調(diào)試,詳細(xì)測試了全閉環(huán)情況下的硅微陀螺儀性能,并對(duì)所設(shè)計(jì)的硅微陀螺儀數(shù)字測控電路進(jìn)行性能測試,驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的軟硬件電路的正確性,采用正交校正、閉環(huán)檢測及頻率調(diào)諧技術(shù)后,陀螺靜態(tài)動(dòng)態(tài)性能得到很大的改善,很好的達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo),為后續(xù)進(jìn)一步研究和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP212

【參考文獻(xiàn)】

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