隨著MEMS傳感器技術(shù)的發(fā)展,硅微陀螺儀在民用、軍工、航天等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。高精度硅微陀螺儀是實現(xiàn)精準(zhǔn)定位和預(yù)測的主要技術(shù)手段之一,陀螺儀驅(qū)動技術(shù)的高精度是保證陀螺儀精度的必要前提,因此研究陀螺儀驅(qū)動技術(shù)對提高硅微陀螺儀精度有著重要意義。本文從硅微陀螺儀數(shù)字驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計、仿真和硬件實現(xiàn)等方面出發(fā),主要研究以下幾個方面的內(nèi)容:第一,建立MEMS硅微陀螺儀數(shù)字驅(qū)動雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型,其中用基于鎖相環(huán)閉環(huán)回路實現(xiàn)驅(qū)動的頻率控制和基于自動增益控制回路實現(xiàn)驅(qū)動的幅值控制。鎖相環(huán)閉環(huán)回路中,在分析三階鎖相環(huán)實現(xiàn)頻率控制性能的基礎(chǔ)上,提出用二階鎖頻環(huán)輔助三階鎖相環(huán)的驅(qū)動頻率控制方法,對回路中的相位檢測器、濾波器以及二階鎖頻環(huán)和三階鎖相環(huán)的結(jié)合方式等進(jìn)行了理論分析和設(shè)計。第二,在Matlab/Simulink中對三階鎖相環(huán)和二階鎖頻環(huán)輔助三階鎖相環(huán)這兩種驅(qū)動頻率控制方法分別與自動增益控制環(huán)路構(gòu)成的雙閉環(huán)驅(qū)動控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究,結(jié)果驗證了二階鎖頻環(huán)輔助三階鎖相環(huán)的驅(qū)動頻率方法能在更短的時間內(nèi)以更高的精度跟蹤驅(qū)動頻率。第三,在理論分析和模型仿真的基礎(chǔ)上,使用Verilog HDL語言編寫硬件程序... 

【文章來源】：西安建筑科技大學(xué)陜西省

【文章頁數(shù)】：71 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

根特大學(xué)硅微陀螺儀數(shù)字測控系統(tǒng)框圖[20]

西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文60.0073()/(s.Hz-1/2)，帶寬為100Hz[24]。圖1.2清華大學(xué)提出的硅微陀螺數(shù)字讀出系統(tǒng)框架[24]2009年，東南大學(xué)提出了基于FPGA的硅微機(jī)械陀螺儀數(shù)字化測控方案[25]。在FPGA中實現(xiàn)基于自激振蕩技術(shù)的驅(qū)動頻率控制、基于自動增益控制(AGC)的幅度控制雙閉環(huán)算法，以及同步相敏解調(diào)算法。2010年，東南大學(xué)在上述方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了方案改進(jìn)，在FPGA中實現(xiàn)了基于數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)的驅(qū)動頻率以及數(shù)字自動增益控制(DAGC)的驅(qū)動幅度控制算法，提升了陀螺儀驅(qū)動模態(tài)的控制精度[1][26]。2014年北京大學(xué)提出了基于改進(jìn)模糊算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的微機(jī)電系統(tǒng)振動陀螺自動實時匹配控制方法。其設(shè)計采用閉環(huán)正交校正回路，以及閉環(huán)檢測控制回路，并且兩回路同時基于檢測力反饋控制梳齒[20][27]。該團(tuán)隊還利用改進(jìn)的模糊控制系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)模式匹配，實驗結(jié)果證實該方法在-40°C至80°C的溫度范圍內(nèi)，只需約8s即可實現(xiàn)模態(tài)匹配控制誤差在0.3Hz以內(nèi)。2018年，清華大學(xué)提出了“自激-鎖相”驅(qū)動軸控制方案[28]，如圖1.3所示，先采用自激振蕩方式使陀螺快速起振，再轉(zhuǎn)為鎖相環(huán)方式使振動頻率精確穩(wěn)定。經(jīng)實驗測試，采用鎖相環(huán)方案，當(dāng)初始頻率偏差在10Hz以內(nèi)，陀螺的啟動時間為2s；采用自激-鎖相方案，只要初始頻率偏差在1000Hz以內(nèi)，陀螺均可在0.3s內(nèi)達(dá)到頻率誤差小于0.01%，在0.4s內(nèi)達(dá)到振幅誤差小于0.1%�！白约�-鎖相”方案大幅度縮短了陀螺的啟動時間，而且對陀螺初始頻率的設(shè)置偏差不敏感，對環(huán)境溫度變化的適應(yīng)性好，適用于微機(jī)電陀螺的批量生產(chǎn)。

西安建筑科技大學(xué)碩士學(xué)位論文7圖1.3數(shù)字鎖相控制環(huán)路結(jié)構(gòu)2019年，中航工業(yè)飛行研究所介紹了一種雙質(zhì)量塊音叉式硅微陀螺[29]，通過將兩個完全相同的全解耦結(jié)構(gòu)進(jìn)行并排復(fù)制和耦合梁的巧妙設(shè)計，實現(xiàn)了音叉式硅微陀螺全解耦結(jié)構(gòu)設(shè)計。該款硅微陀螺采用鍵合＋刻蝕工藝（BDRIE）加工而成，通過圓片級封裝工藝技術(shù)，實現(xiàn)了高真空度密封，品質(zhì)因數(shù)優(yōu)于25萬。硅微陀螺外圍電路采用數(shù)�；旌霞呻娐穼崿F(xiàn)，保證了陀螺形態(tài)的緊湊。其中驅(qū)動模態(tài)采用閉環(huán)控制方案，檢測模態(tài)采用開環(huán)檢測方案。經(jīng)測試，該型硅微陀螺的零偏不穩(wěn)定性優(yōu)于0.66，刻度系數(shù)非線性優(yōu)于100ppm。1.3研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排本文基于自主研制的蝶形單質(zhì)量硅微陀螺儀開展關(guān)于硅微機(jī)械陀螺驅(qū)動控制方法研究，從驅(qū)動閉環(huán)控制系統(tǒng)的理論分析、系統(tǒng)設(shè)計和仿真、硬件實現(xiàn)和性能測試展開相關(guān)的研究。論文的章節(jié)安排如下：第二章主要介紹了硅微陀螺儀的基礎(chǔ)理論，內(nèi)容包括哥氏效應(yīng)、單質(zhì)量硅微陀螺的振動模型和動力學(xué)方程以及陀螺儀的驅(qū)動原理。第三章主要講述了驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計。詳細(xì)介紹了本文所研究的數(shù)字化驅(qū)動控制原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，給出了驅(qū)動控制的實現(xiàn)方案，設(shè)計了基于鎖相環(huán)的頻率控制和基于自動增益控制的幅值控制的閉環(huán)反饋系統(tǒng)。第四章主要講述驅(qū)動控制系統(tǒng)的建模和仿真分析。結(jié)合實際硅微陀螺的參數(shù)，以及設(shè)計的閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，在Simulink中進(jìn)行建模和仿真分析，驗證驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計方案的可行性。第五章主要講述硬件電路的實現(xiàn)和性能驗證實驗的結(jié)果與分析。先描述了前端濾波器電路、數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、電容/電壓轉(zhuǎn)換電路以及FPGA開發(fā)板的VerilogHDL語言編寫和調(diào)試，然后結(jié)合前端電路進(jìn)行了陀螺儀雙閉環(huán)驅(qū)動控制電路的實驗驗證，最后通過采集的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了結(jié)果

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號：3072850