[发明专利]基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法

说明书

本发明针对低品质因数、小频差的硅微机械陀螺仪最优解调相角易受外界温度影响的问题，利用驱动谐振频率与温度之间的线性关系，提出了基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，并在FPGA中实现了该补偿方法。该方法不需要增加额外的元器件，且便于参数调整。

技术领域

本发明涉及硅微机械陀螺仪领域，特别是涉及一种基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法。

背景技术

硅微机械陀螺仪是基于哥氏效应来测量敏感轴的输入角速度，它是MEMS技术和惯性技术相结合的产物。相比于传统陀螺仪，它具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、易于集成化、可批量生产等特点，这使得它在军用和民用领域都有广阔的应用前景。

美国的Drapper实验室在1988年研制出了第一个硅微机械陀螺仪，此后，随着在MEMS加工工艺以及微电子工艺上不断取得的技术突破，陀螺仪精度大大提高，使得很多研究成果转化为产品被应用到不同领域。现阶段，在陀螺测控系统中运用数字电路的灵活性，实现一些较为复杂的控制算法，在提升陀螺仪测量精度上发挥越来越大的作用。

硅微陀螺的加工材料薄硅片是热敏材料，温度对其机械尺寸和材料弹性模量都有影响，当温度发生变化时，不仅结构尺寸要变性，材料的弹性模量也会发生巨大变化。这些变化体现在对陀螺谐振频率和品质因数等关键参数上，由于检测模态相位与陀螺谐振频率和品质因数有关，检测模态相位决定了最优解调相角。

然而，现有技术中品质因数低、频差小的硅微陀螺仪的最优解调相角易受外界温度影响。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对现有技术中品质因数低、频差小的硅微陀螺仪的最优解调相角易受外界温度影响的问题，提供一种基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的基于谐振频率的硅微陀螺仪最优解调相角数字补偿方法，包括以下步骤：

S1：在-40～60℃的温度范围内，硅微机械陀螺仪数字测控系统工作在稳定状态，对陀螺仪驱动谐振频率f进行提取；

S2：在-40～60℃的温度范围内，硅微机械陀螺仪数字测控系统工作在稳定状态，对陀螺仪检测模态相位进行提取；

S3：将步骤S2得到的驱动谐振频率f和检测模态相位进行分段线性拟合，建立两者之间的关系模型；

S4：将步骤S3得到的关系模型中的检测模态相位转化为延时计数值N，驱动谐振频率f转换为FPGA中的驱动谐振量化频率F，得到驱动谐振量化频率F与延时计数值N之间的F-N模型，F-N模型用于表征不同温度下通过延时补偿的解调相角；在FPGA中实现F-N模型，并将其嵌入到陀螺仪测控电路中，实现解调相角的最优补偿。

进一步，所述步骤S1中，通过以下方法得到驱动谐振频率f：陀螺仪驱动模态采用锁相环保证其工作在谐振状态，硅微机械陀螺仪数字测控系统稳定时，将锁相环中压控振荡器的频率通过串口进行采集，得到驱动谐振频率f。

进一步，所述步骤S2中，通过以下方法得到检测模态相位令初始解调相角为零，对检测通道进行同相和正交解调，利用解调出的哥氏信号和正交误差信号来计算检测模态相位表示为：

式(1)中，A_c1为第一次测量的哥氏信号，A_q1为第一次测量的正交误差信号，A_c2为第二次测量的哥氏信号，A_q2为第二次测量的正交误差信号。

进一步，所述步骤S3中，关系模型通过式(2)得到：