硅微陀螺儀高精度驅(qū)動技術(shù)研究與實現(xiàn)
發(fā)布時間:2021-03-09 12:29
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)】:
期刊論文
[1]AGC環(huán)路設(shè)計的Matlab-Simulink模型建模及驗證[J]. 井永成,尹軍艦,李仲茂,唐舸宇,冷永清. 現(xiàn)代電子技術(shù). 2019(06)
[2]井下短距無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用[J]. 盧中原,范白濤,馮衛(wèi)華,劉境玄. 石油鉆采工藝. 2018(S1)
[3]高Q值微機(jī)電陀螺的快速起振控制[J]. 陳志勇,宋霖,張嶸,周斌,魏琦. 光學(xué)精密工程. 2018(05)
[4]基于峰值檢波的自動增益控制器的設(shè)計[J]. 李智豪,蒲小年,勞健濤,戚慧珊. 大學(xué)物理實驗. 2018(02)
[5]基于PID控制的兩輪自平衡小車設(shè)計[J]. 胡志. 電子質(zhì)量. 2017(12)
[6]雙H型石英音叉陀螺驅(qū)動信號頻率跟蹤算法的研究[J]. 張志雄,馮立輝,王剛,王健,孫雨南. 北京理工大學(xué)學(xué)報. 2012(11)
[7]適用于精密電子裝備的高分辨率圖像采集系統(tǒng)[J]. 凌曉春,陳安,胡躍明. 儀表技術(shù)與傳感器. 2011(10)
[8]基于鎖相環(huán)技術(shù)的直流電機(jī)調(diào)速控制[J]. 范忠,張紅梅. 電工電氣. 2011(04)
[9]FPGA在TD-SCDMA通用開發(fā)平臺中的應(yīng)用[J]. 鄧華陽,李彬. 現(xiàn)代電子技術(shù). 2011(05)
[10]基于隧道效應(yīng)振動梁式陀螺儀自檢電極設(shè)計[J]. 王凌云,陳義華,孫道恒. 傳感器與微系統(tǒng). 2006(05)
碩士論文
[1]基于數(shù)字校正和反饋的硅微陀螺測控技術(shù)研究[D]. 詹超.東南大學(xué) 2018
[2]脈沖光纖激光器中時域ASE研究與抑制[D]. 蔡振.國防科技大學(xué) 2017
[3]硅微機(jī)械陀螺儀性能提升技術(shù)研究與試驗[D]. 朱昆朋.東南大學(xué) 2017
[4]硅微陀螺儀信號反饋及誤差校正電路研究[D]. 王行軍.東南大學(xué) 2016
[5]寬溫范圍微機(jī)械陀螺溫度特性研究及性能改善[D]. 王凱.東南大學(xué) 2016
[6]石英陀螺中低諧波失真驅(qū)動電路的分析與設(shè)計[D]. 呂秋葉.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2015
[7]基于FPGA的硅微陀螺儀數(shù)字測控電路關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 柳小軍.南京信息工程大學(xué) 2015
[8]硅微陀螺接口分布參數(shù)建模及測控電路優(yōu)化設(shè)計[D]. 湯衛(wèi)豐.南京理工大學(xué) 2015
[9]功率放大器數(shù)字基帶預(yù)失真系統(tǒng)的實現(xiàn)[D]. 王驍.電子科技大學(xué) 2012
[10]WCDMA終端測試儀中低功耗、低雜散頻率合成器的研究與設(shè)計[D]. 郭鴻雁.天津大學(xué) 2011
本文編號:3072850
【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)】:
期刊論文
[1]AGC環(huán)路設(shè)計的Matlab-Simulink模型建模及驗證[J]. 井永成,尹軍艦,李仲茂,唐舸宇,冷永清. 現(xiàn)代電子技術(shù). 2019(06)
[2]井下短距無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用[J]. 盧中原,范白濤,馮衛(wèi)華,劉境玄. 石油鉆采工藝. 2018(S1)
[3]高Q值微機(jī)電陀螺的快速起振控制[J]. 陳志勇,宋霖,張嶸,周斌,魏琦. 光學(xué)精密工程. 2018(05)
[4]基于峰值檢波的自動增益控制器的設(shè)計[J]. 李智豪,蒲小年,勞健濤,戚慧珊. 大學(xué)物理實驗. 2018(02)
[5]基于PID控制的兩輪自平衡小車設(shè)計[J]. 胡志. 電子質(zhì)量. 2017(12)
[6]雙H型石英音叉陀螺驅(qū)動信號頻率跟蹤算法的研究[J]. 張志雄,馮立輝,王剛,王健,孫雨南. 北京理工大學(xué)學(xué)報. 2012(11)
[7]適用于精密電子裝備的高分辨率圖像采集系統(tǒng)[J]. 凌曉春,陳安,胡躍明. 儀表技術(shù)與傳感器. 2011(10)
[8]基于鎖相環(huán)技術(shù)的直流電機(jī)調(diào)速控制[J]. 范忠,張紅梅. 電工電氣. 2011(04)
[9]FPGA在TD-SCDMA通用開發(fā)平臺中的應(yīng)用[J]. 鄧華陽,李彬. 現(xiàn)代電子技術(shù). 2011(05)
[10]基于隧道效應(yīng)振動梁式陀螺儀自檢電極設(shè)計[J]. 王凌云,陳義華,孫道恒. 傳感器與微系統(tǒng). 2006(05)
碩士論文
[1]基于數(shù)字校正和反饋的硅微陀螺測控技術(shù)研究[D]. 詹超.東南大學(xué) 2018
[2]脈沖光纖激光器中時域ASE研究與抑制[D]. 蔡振.國防科技大學(xué) 2017
[3]硅微機(jī)械陀螺儀性能提升技術(shù)研究與試驗[D]. 朱昆朋.東南大學(xué) 2017
[4]硅微陀螺儀信號反饋及誤差校正電路研究[D]. 王行軍.東南大學(xué) 2016
[5]寬溫范圍微機(jī)械陀螺溫度特性研究及性能改善[D]. 王凱.東南大學(xué) 2016
[6]石英陀螺中低諧波失真驅(qū)動電路的分析與設(shè)計[D]. 呂秋葉.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2015
[7]基于FPGA的硅微陀螺儀數(shù)字測控電路關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 柳小軍.南京信息工程大學(xué) 2015
[8]硅微陀螺接口分布參數(shù)建模及測控電路優(yōu)化設(shè)計[D]. 湯衛(wèi)豐.南京理工大學(xué) 2015
[9]功率放大器數(shù)字基帶預(yù)失真系統(tǒng)的實現(xiàn)[D]. 王驍.電子科技大學(xué) 2012
[10]WCDMA終端測試儀中低功耗、低雜散頻率合成器的研究與設(shè)計[D]. 郭鴻雁.天津大學(xué) 2011
本文編號:3072850
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