一种改进的振动式微机械陀螺驱动电路

　　微机械陀螺具有体积小、重量轻以及成本低等优点, 已经成功的商业化被广泛应用在民用领域。由于性能指标的限制, 微机械陀螺在军事、航空, 航天等高端领域还未得到充分的应用。其中, 灵敏度及其稳定性是微机械陀螺有待提高的关键指标。振动式微机械陀螺是当前微机械陀螺的主流, 其工作原理是科里奥里效应, 输入角速度信号经驱动模态的调制转换为敏感输出, 振动式微机械陀螺是高Q值的二阶线性系统, 如果能够保证其驱动模态工作在谐振点处, 就能够在允许的驱动电压范围内实现很高的灵敏度。然而微机械陀螺在实际工作时, 其谐振频率会随温度等因素而改变, 如果以固定的初始扫频频率对陀螺进行驱动, 当陀螺驱动频率改变时将会出现灵敏度会降低、标度因子不稳定的现象。因此必须通过闭环控制环路来控制驱动频率, 使驱动频率能实时的跟踪陀螺的谐振频率。包含鉴相器、压控振荡器、滤波环路、微机械陀螺在内的锁相环频率控制方案是最常用的方案[ 1-2] 。但是其存在一定的误差。因此, 本论文将从微机械陀螺的数学模型以及传统锁相环传递函数出发对以往的控制环路进行分析, 提出改进的方案。

　　1 振动式微机械陀螺工作原理

　　振动式微机械陀螺动力学模型[ 3] 如图1 所示,模型具有两个运动模态, X 方向为驱动模态, Y 方向为敏感模态, 两个模态分别可以看作弹簧- 质量块- 阻尼的二阶系统。

　　2 基于锁相环的驱动电路

　　由公式( 3) 可知, 当陀螺驱动模态处于谐振时, 驱动信号和驱动模态位移信号存在90°的相位差, 基于此采用锁相环的方法即可构成陀螺的稳频控制电路[ 2] 。上述方案中, 根据各个模块的工作原理[ 2, 4-5] , 可以得到他们各自的传递特性。

　　公式( 3) 、( 7)、( 8)、( 9) 分别为陀螺、压控振荡器、鉴相器、和滤波器的传递特性。为了分析简单将陀螺和鉴相器在谐振处做线性化处理以及对滤波器进行简化得到公式( 9) 、( 10)、( 11)

　　3 实验及讨论

　　实验采用图4 所示的音叉电容电容式微机械陀螺进行了。实验装置如图5 所示。实验分别采用了开环扫频、原始锁相环和改进后锁相环电路进行比较验证, 每次测试系统开机预热半个小时,然后进行标度因子测试, 之后再放置半个小时进行标度因子测试。测试结果如表1 所示。可以看到改进后标度因子较原来的锁相环有所提高, 但是仍然比扫频得到的标度因子要小一些, 说明还是存在一定的控制误差。

　　这主要由压控振荡器和鉴相器的精度误差以及模型处理过程中的简化所造成的。