双框架硅微型机械振动陀螺仪鲁棒控制研究

　　1　引　　言

　　微机械陀螺由于具有极其重要的军用和民用价值,十几年来它一直得到国内外的特别重视。几乎所有的MEMS陀螺都是采用硅材料制作的两自由度(x方向,y方向)非耦合振动系统[1～2],其工作原理是:先用已知的力矩驱动陀螺产生x方向的确定的振动,当有外输入角速度时(陀螺壳体转动),由于哥氏加速度作用,x向振动和y向振动发生耦合,引起y向振动,通过检测y向振动可以确定外输入角速度。微机械陀螺一般设计制造成x向和y向具有相同的固有频率,驱动力矩频率则等于这个固有频率,这样陀螺的灵敏度最高。微机械陀螺按有无反馈可以分为开环和闭环二种。目前大多数微机械陀螺都是开环的。开环陀螺由于敏感轴(y向)上不需要控制力矩,后处理电路简单,所以价格便宜。但是开环陀螺的性能对制造误差和参数摄动敏感[3～4],例如:陀螺振动品质因数很高,共振峰很尖,制造误差造成的x向和y向固有频率的微小偏差将导致陀螺灵敏度大大降低[2],使得这种陀螺工作频宽很窄。此外,当外输入角速度较大时,y向振动较大,导致敏感电容两极板不平行影响过大,甚至两极板相碰[2],线性度很差,使得这种陀螺动态范围不大。因此开环陀螺一般用在廉价低精度低性能要求的场合。

　　为了克服开环陀螺的缺点,人们提出了一些闭环控制方法[5～7]。闭环控制可以分为两类:一是基于Kalman滤波的Preview Control[5];一是力平衡反馈控制(Force-balancing feedback control[6～7])。力平衡控制是采用控制力矩抑制y向振动,将控制力信号作为输出,相对于其它陀螺的直接将y向振动作为输出,这种控制方式能大大提高了陀螺仪的动态范围。在控制策略上,用得最多是比例控制[2]、比例-积分控制[8]。比例控制、比例-积分控制的优点是简单易实现,缺点是鲁棒性差、性能不是最佳。因此,近年来,人们开始尝试在高档高精度微机械陀螺中运用复杂的先进的控制策略,如自适应控制[4,9],其硬件实现是采用DSP之类高档数字控制器。

　　文中首先以内框驱动式双框架硅微型角振动陀螺仪为对象,建立了力平衡控制模型。然后采用鲁棒H∞控制理论[10]设计了鲁棒控制器。鲁棒H∞控制理论是20世纪90年代初发展成熟的先进控制理论,文献检索表明,鲁棒H∞控制在微机械陀螺中的应用研究很少见到。最后仿真结果表明,在理想状态下对同样的壳体角速度Ωz,陀螺闭环力平衡控制后灵敏度比开环时高约4倍,外框架振动幅度减小开环时的1/6.25左右;在y轴固有频率摄动下,闭环微陀螺性能虽然也下降,但下降幅度大大低于开环微陀螺,闭环微陀螺对摄动的鲁棒性显著高于开环微陀螺。

　　2　内框驱动式硅微型振动陀螺仪闭环力平衡控制模型