微機(jī)械陀螺控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

張 瑤，王 歡

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

微機(jī)械陀螺在汽車電子、航空航天、國防軍事上有著越來越廣泛的應(yīng)用，一個(gè)完整的微機(jī)械陀螺系統(tǒng)主要包括陀螺結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分。對(duì)微機(jī)械陀螺控制系統(tǒng)進(jìn)行研究的目的在于不斷改進(jìn)和提升陀螺的性能。研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)秀的電路設(shè)計(jì)不僅可以充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的潛力，還能夠有效抑制各種結(jié)構(gòu)性缺陷。微機(jī)械陀螺控制系統(tǒng)有兩大功能：一是維持陀螺驅(qū)動(dòng)方向振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)振蕩，二是用于陀螺角速率檢測(cè)的檢測(cè)振蕩。

目前，微機(jī)械陀螺儀的市場(chǎng)主要被國外廠商所占領(lǐng)，比如接近70%的智能手機(jī)市場(chǎng)和平板電腦市場(chǎng)被意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)集團(tuán)所占領(lǐng)，50%以上的汽車電子市場(chǎng)被德國博世(Bosch)公司所占領(lǐng)。除了眾多公司以外還有很多大學(xué)在研究微機(jī)械陀螺，比如首爾大學(xué)第一次將AGC環(huán)路應(yīng)用于閉環(huán)系統(tǒng)，根特大學(xué)結(jié)合∑-△調(diào)制（SDM）技術(shù)進(jìn)行了研究并取得了不錯(cuò)的性能。目前國內(nèi)研究和開發(fā)微機(jī)械陀螺儀的機(jī)構(gòu)有北京大學(xué)、清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、東南大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、廈門大學(xué)、航空618所、中電13所等。文章將對(duì)微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和檢測(cè)控制系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，探究他們之間的內(nèi)在聯(lián)系以及優(yōu)缺點(diǎn)，為微機(jī)械陀螺控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供思路。

1 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2004年SensoNor公司提出采用數(shù)字反饋回路和數(shù)字信號(hào)處理方式來控制MEMS振動(dòng)陀螺儀系統(tǒng)，該方案主要由陀螺儀結(jié)構(gòu)、模擬ASIC電路和FPGA主控芯片構(gòu)成，與傳統(tǒng)的模擬解決方案相比，這種方案提高了相關(guān)算法和控制參數(shù)的靈活性。由于在數(shù)字域中進(jìn)行基帶處理，因此沒有1/f噪聲，所以提高了陀螺的偏值穩(wěn)定性。FPGA中數(shù)字信號(hào)處理主要包括三個(gè)模塊：閉環(huán)驅(qū)動(dòng)模塊、檢測(cè)反饋模塊和輸出產(chǎn)生模塊，閉環(huán)驅(qū)動(dòng)模塊通過自動(dòng)增益控制（AGC）實(shí)現(xiàn)。該公司蝴蝶型陀螺儀被測(cè)試具有0.005°/sec/√Hz的最低分辨率。

2004年清華大學(xué)提出一種基于DSP的微機(jī)械陀螺數(shù)字讀出系統(tǒng)，為了有效減小模擬電路造成的噪聲影響，其驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)、解調(diào)等均在DSP內(nèi)通過數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)模態(tài)采用閉環(huán)控制，包括驅(qū)動(dòng)信號(hào)振幅和相位的解算。

2007年美國JPL實(shí)驗(yàn)室提出使用數(shù)字自激振蕩實(shí)現(xiàn)陀螺儀的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制。該方案采用FPGA的數(shù)字控制通過實(shí)時(shí)編程修改控制回路以適應(yīng)每個(gè)陀螺儀的不同特性。驅(qū)動(dòng)環(huán)路通過AGC（自動(dòng)增益控制）的方式結(jié)合FIR（有限脈沖響應(yīng)）濾波器來實(shí)現(xiàn)陀螺儀的穩(wěn)幅振動(dòng)。

2007年博世公司（Robert Bosch GmbH）提出了一種陀螺儀數(shù)字控制電路，驅(qū)動(dòng)模態(tài)采用閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制，通過AGC方式實(shí)現(xiàn)振幅恒定，通過鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)相位控制，從而保證感應(yīng)元件的穩(wěn)定振蕩。

2009年根特大學(xué)提出了陀螺儀的系統(tǒng)級(jí)方案如圖1(a)所示。該方案主要由陀螺的微機(jī)械結(jié)構(gòu)、ASIC模擬接口電路以及數(shù)字系統(tǒng)構(gòu)成。其中數(shù)字處理系統(tǒng)采用FPGA便于實(shí)現(xiàn)和重新配置，驅(qū)動(dòng)環(huán)路采用閉環(huán)控制如圖1(b)所示，閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制由數(shù)字控制正交振蕩器（DCO）實(shí)現(xiàn)的鎖相環(huán)和自動(dòng)增益控制（AGC）環(huán)路組成。

圖1 根特大學(xué)微機(jī)械陀螺

2010年北京大學(xué)提出了一種基于FPGA的數(shù)字閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如圖2所示，陀螺儀的位移幅值由控制器的自動(dòng)增益控制(AGC)方式來維持，以保持穩(wěn)定的幅值振動(dòng)；通過鎖相環(huán) (PLL)來控制陀螺儀相位。

圖2 北京大學(xué)陀螺儀閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制電路系統(tǒng)原理圖

2011年意法半導(dǎo)體公司介紹了其三軸陀螺儀的控制系統(tǒng)，該型號(hào)為A3G4250D的陀螺儀已接近于戰(zhàn)術(shù)級(jí)陀螺，其量程為±245°/s，帶寬50 Hz時(shí)角度隨機(jī)游走為1.8°/√h。該陀螺儀控制系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)模態(tài)是采用AGC的自激振蕩閉環(huán)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，并通過鎖相環(huán)(PLL)將驅(qū)動(dòng)頻率信號(hào)倍頻后作為時(shí)鐘信號(hào)。

2014年東南大學(xué)提出一種基于集成溫度傳感器的陀螺儀數(shù)字化溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，原理如圖3所示，陀螺儀控制系統(tǒng)中采用PLL（鎖相環(huán)）+AGC（自動(dòng)增益控制）的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)方式，采用電橋電路將陀螺的表頭溫度通過差分放大器和ADC采集到FPGA中，系統(tǒng)中同時(shí)集成了零偏補(bǔ)償模塊和標(biāo)度因數(shù)補(bǔ)償模塊。

圖3 東南大學(xué)硅微機(jī)械陀螺測(cè)控電路系統(tǒng)

2 檢測(cè)控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2004年清華大學(xué)提出的一種基于DSP的微機(jī)械陀螺數(shù)字讀出系統(tǒng)中檢測(cè)模態(tài)采用開環(huán)控制方式，通過RS232接口將輸出信號(hào)直接傳輸至計(jì)算機(jī)。

2007年博世公司（Robert Bosch GmbH）提出了一種陀螺儀數(shù)字控制電路，該方案由閉環(huán)驅(qū)動(dòng)控制、閉環(huán)檢測(cè)等多部分組成，其中除了前端的電容檢測(cè)外其他信號(hào)均是通過數(shù)字方式進(jìn)行處理。閉環(huán)檢測(cè)采用機(jī)電結(jié)合SDM技術(shù)，并且加入了溫度補(bǔ)償算法和正交誤差補(bǔ)償模塊。閉環(huán)檢測(cè)在提高陀螺線性度和擴(kuò)展其帶寬的同時(shí)增強(qiáng)了陀螺的環(huán)境穩(wěn)定性。在帶寬60 Hz時(shí)，文中陀螺儀的噪聲密度為0.004°/sec/√Hz，在陀螺儀啟動(dòng)600s后其偏置穩(wěn)定性達(dá)到1.35°/h。

2009年根特大學(xué)提出的陀螺儀系統(tǒng)級(jí)方案中檢測(cè)環(huán)路采用閉環(huán)控制，如圖4所示，閉環(huán)檢測(cè)環(huán)路由四階機(jī)電結(jié)合（SDM）反饋控制實(shí)現(xiàn)。力反饋的使用使得動(dòng)態(tài)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了對(duì)較大正交誤差在數(shù)字實(shí)現(xiàn)上的校正要求，陀螺儀系統(tǒng)具有0.025°/sec/√Hz的本底噪聲。

圖4 根特大學(xué)微機(jī)械陀螺檢測(cè)環(huán)路原理圖

2013年北京大學(xué)提出了一種力反饋控制系統(tǒng)，在檢測(cè)模態(tài)中含有科氏力再平衡控制環(huán)和正交再平衡控制環(huán)兩個(gè)閉環(huán)回路，經(jīng)測(cè)試該陀螺儀的非線性為0.09%、帶寬為94.8 Hz、偏置穩(wěn)定性為4.0deg /h。除了最主要的兩個(gè)功能驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)外，在其電路系統(tǒng)中還采用了比例因子補(bǔ)償、正交補(bǔ)償、模態(tài)匹配及溫度補(bǔ)償?shù)雀黝愲娮蛹夹g(shù)。

3 控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀總結(jié)

通過對(duì)近年來國內(nèi)外最新的相關(guān)研究成果研究發(fā)現(xiàn)，在硅微陀螺控制系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)成熟的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路已成為標(biāo)配，主要有以下兩種方案：一是廣泛應(yīng)用于模擬電路中的具有AGC環(huán)路的自激振蕩閉環(huán)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)常用正弦波和方波，優(yōu)點(diǎn)在于電路易于實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)在于噪聲和漂移較大，易于受外界環(huán)境影響；二是廣泛應(yīng)用于數(shù)字電路中的AGC+PLL的自激鎖相閉環(huán)驅(qū)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)在于功耗低、集成度高、穩(wěn)定性好，易于調(diào)試，但電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

檢測(cè)控制系統(tǒng)通常有兩種模式：開環(huán)檢測(cè)和閉環(huán)檢測(cè)。開環(huán)檢測(cè)易于實(shí)現(xiàn)，可減少額外的噪聲并且效率高，但是穩(wěn)定性差，帶寬有限；與開環(huán)檢測(cè)相比較，閉環(huán)檢測(cè)穩(wěn)定性更高，可大大減小溫度對(duì)陀螺輸出信號(hào)的影響，同時(shí)還可有效減少機(jī)械沖擊以及振動(dòng)等不利的環(huán)境因素對(duì)陀螺靈敏度的影響；但閉環(huán)檢測(cè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般需要配置溫度補(bǔ)償模塊、正交補(bǔ)償模塊并且進(jìn)行模態(tài)匹配等，而且針對(duì)不同的陀螺結(jié)構(gòu)還需要單獨(dú)配置不同電路，因此閉環(huán)檢測(cè)多用于高性能陀螺中。

隨著微機(jī)械陀螺控制系統(tǒng)的不斷優(yōu)化發(fā)展，除了常規(guī)配置的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和檢測(cè)控制系統(tǒng)以外，微機(jī)械陀螺控制系統(tǒng)還采用了各類電子技術(shù)，比如機(jī)電結(jié)合技術(shù)、模態(tài)匹配技術(shù)、溫度控制和補(bǔ)償技術(shù)以及正交補(bǔ)償技術(shù)等，這些技術(shù)的應(yīng)用可在一定程度上提高微機(jī)械陀螺的穩(wěn)定性、精度以及靈敏度，但電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜、制作成本高。

總的來說，適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)可以有效改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷和制造加工缺陷，減少工作環(huán)境等因素對(duì)陀螺的影響，因此將現(xiàn)有的最具代表性的微機(jī)械陀螺的控制系統(tǒng)的特征總結(jié)如表1所示。

表1 微機(jī)械陀螺電路總結(jié)

典型數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)電路 在同一芯片上基于DSP或FPGA實(shí)現(xiàn)、低功耗、高集成度、高穩(wěn)定性、易于調(diào)試、自處理檢測(cè)電路機(jī)電結(jié)合技術(shù)（SDM）特殊電路在數(shù)字域通過閉壞控制實(shí)現(xiàn)、良好的動(dòng)態(tài)范圍和穩(wěn)定性、高精度和集成度模態(tài)匹配技術(shù) 超髙靈敏度、高精度、低帶寬溫度控制和補(bǔ)償技術(shù) 在很大程度上降低溫度漂移、精度高、魯棒性好、需要額外電路正交補(bǔ)償技術(shù) 高精度、復(fù)雜的控制系統(tǒng)、高成本特殊技術(shù)陀螺儀陣列 低成本、高效率、復(fù)雜的信號(hào)處理、大體積自校準(zhǔn) 簡(jiǎn)化操作、降低費(fèi)用和時(shí)間消耗、應(yīng)用于一些特殊的陀螺儀