微机械音叉陀螺驱动电路的研究

收稿日期:2002-08-12作者简介:朱一纶(1958 )女,浙江人,副教授,博士生,研究方向为微型仪表及微系统技术。

文章编号:1000-8829(2003)08-0005-03微机械音叉陀螺驱动电路的研究Stu dy on Loop Driver Circuit of TFG(东南大学仪器科学与工程系,江苏南京 210096)朱一纶,王寿荣,周 伟摘要:在分析微机械音叉陀螺的输出信号与驱动信号频率及幅度关系的基础上,提出对微机械音叉陀螺采用自激振荡闭环驱动方法,为微机械音叉陀螺的实验设计提供了理论基础,实验表明这种方法是可行的。

关键词:微机械音叉陀螺;驱动电路;谐振信号;闭环控制中图分类号:U666.12文献标识码:BAbstract:The relation between frequency and amplitude of driver signal and test signal of micromechanical tuning fork gyroscope is discussed.The method of close loop drive cir cuit is suggested and proved by e xperiment.Key words:micromechanical tuning fork gyroscope;drivecirc uit;resonant signal;close loop control 陀螺是用于测量物体旋转速率的传感器。

陀螺的种类很多,其中微机械陀螺是指在晶体材料(主要是硅材料)上集成的包括测量和驱动电路的微型陀螺,具有体积小、成本低,便于大批量生产,在工业生产、汽车行业中得到广泛应用。

微机械陀螺的驱动信号对陀螺检测信号及其精度有很大的影响。

本研究针对微机械音叉陀螺(TFG)的结构对驱动信号频率及幅度的要求进行分析,提出闭环驱动方法,以达到较高的测量精度。

1 TFG 的工作原理图1为微机械音叉陀螺的结构框图,微机械音叉陀螺的构成部件为:两个检测质量块、固定框架、支承梁、内部和外部的驱动梳及相应的电极。

两个质量块通过梁和支承梁构成一个固定框架,固定框架通过锚与基底相连,使质量块能分别在平面内(x 轴方向)和垂直于平面(z 轴方向)上运动。

图1 TFG 器件平面图微机械音叉陀螺工作时,在陀螺的两个外驱动梳上加上等幅反相交变的驱动电压,外驱动梳指之间的电容中储存的电能量因此随时间交变,从而产生作用在质量块上的静电力。

在这交变静电力的作用下,两块检测质量块沿驱动轴(x )以驱动频率作相向和相背交替的线振动(推挽式驱动),此时如果整个陀螺绕输入轴(y )相对于惯性空间以角速度 转动,由力学分析知,两块检测质量块均受到沿敏感轴(z )交变的哥氏(Coriolis)力F C 的作用(在 驱动频率时,F C 的频率与驱动频率相同):F C =2m v(1)在哥氏力作用下,检测质量块与基底的敏感电极之间的电容(敏感电容)发生相应的变化。

通过测量敏感电容的变化,可求出角速度 。

2 对驱动频率和幅度的要求现对TFG 从理论上加以分析,设外加静电驱动力(沿x 轴方向)为F =A sin t,则质量块沿x 方向的驱动方程为m !x +b x x +k x x =A sin t(2)令 x =k x m 为驱动谐振频率, x =b x 2m x为驱动阻尼比,则有质量块在驱动方向振动的振幅为∀5∀微机械音叉陀螺驱动电路的研究x m =Am2x [(2 xx )2+(1- 2 2x)2]12(3)由(1)得,当陀螺绕输入轴(y )相对于惯性空间以角速度 转动时,在敏感轴(z )方向产生科氏力F C =2mv x =2m x m cos t(4) 则质量块沿敏感轴方向的运动方程为m !z +b z z +k z z =F C =2m x m cos t =B cos t(5)令 z =k z m 为敏感谐振频率, z =b z2m z为敏感方向振动的阻尼比,则有质量块在敏感方向振动的振幅为z m =Bm 2z [(2 zz )2+(1- 2z)2]12(6)综合(2)、(5)、(6)有z m =2 A m 2z [(2 z z )2+(1- 2 2z )2]12∀2x [(2 xx )2+(1- 2 2x)2]12=2 A m 2z 2x H ( )(7)TFG 的输出位移与外加驱动频率的关系如图2所示。

显然只有当驱动电压的频率f = /(2!)等于TFG 在驱动方向的固有谐振频率f x = x /(2!)时输出位移最大。

图2 输出位移z m 随输入驱动信号频率变化曲线如果采用开环驱动控制,存在这样两个问题:一是因为加工工艺等原因,同一种设计、同一硅片上制作的陀螺,它们在驱动方向的固有谐振频率各不相同,所以针对特定的陀螺,若采用开环驱动电路,应首先进行谐振频率的测量,在此基础确定驱动电压的频率和幅度;二是实际陀螺因环境温度、压力等变化而引起其在驱动方向的固有谐振频率发生变化,尽管这个频率变化可能很小,但由于陀螺的Q 因子极大,会造成输出信号偏移很大而带来测量精度的降低。

如果采用闭环驱动,则可以自动跟踪谐振频率的变化,稳定输出。

从(7)式中还可得到,输出信号与驱动电压的幅度成正比,所以只有保持驱动电压幅度稳定,输出信号才能准确反映其测量对象 输入角速率的变化。

从(7)中似乎得到驱动电压的幅度越大越好,但实际上驱动信号幅度A 并不能过大,由(3)式,陀螺在驱动轴方向振动的幅度x m 随A 增大而增大,而x m 受器件几何尺寸的限制。

通过对微机械音叉陀螺性能的研究可以知道对TFG 陀螺驱动电路的要求是:#选择驱动频率f 等于陀螺在驱动方向的固有谐振频率f x 时便于起振也可以提高陀螺的检测灵敏度;∃应采用闭环控制,让驱动信号频率始终跟踪驱动方向固有谐振频率信号;%驱动信号的幅度应保持不变,满足测量时输出敏感信号仅与角速度输入信号有关的要求。

3 闭环驱动电路设计为了实现驱动频率跟踪驱动谐振频率,必须实时测量质量块的实际振动频率,TFG 本身的结构为采用闭环驱动电路来稳定驱动频率与振幅提供了方便。

微机械TFG 的结构本身包含了6个电容,分别为2个外驱动梳指电容,2个内驱动梳指电容及测量质量块在z 方向上运动情况的2个敏感检测电容,见图3,它的内驱动梳指电容可以用来测量质量块在驱动方向上的位移变化并通过前置放大器输出相应的电压信号。

因为微机械陀螺真空封装后的Q 值很高,具有很好的选频特性(如图2所示),实际中并不需要给定激励频率,在系统接通电源后产生的随机噪声中只有频率等于驱动谐振频率的运动将被放大通过内部驱动梳指电容输出,通过图4所示的闭环电路控制外部驱动电压,使陀螺在驱动谐振频率处自激振荡,即使因温度变化、参数非线性等引起陀螺的驱动谐振频率发生少量变化,闭环电路也能使之动态跟踪。

图3 TFG 带前置放大器的结构图图4中间的电路构成了稳幅电路,内驱动梳指上输出的信号经放大后再整流、低通滤波,得到反映陀螺驱动振动幅度的直流电压,把它与指定的直流参考电压V 参考比较,其差值用以产生控制电压,使陀螺的驱动电压幅度稳定在指定值上。

∀6∀&测控技术∋2003年第22卷第8期图4 闭环驱动电路框图图4右边电路为频率跟踪电路,内部驱动梳指的位移信号放大后,相移电路调节输入信号与输出信号的相位差,以保证输入输出信号同相位,使系统能自激振荡,经限幅,得到频率等于质量块在驱动方向上的固有谐振频率的方波,以此作为驱动电压的频率,保持驱动频率对质量块驱动谐振频率的跟踪,通过闭环驱动电路可以实现用驱动谐振频率驱动陀螺,同时驱动方波信号送测量电路作为参考信号。

如图4所示,外驱动电压是采用直流加方波的形式,因为方波发生器比较容易得到,且用方波作为测量时的参考信号可以简化测量电路[1]。

外加驱动电压为V =V D C +V AC4!{sin( t)+()n=112n +1sin [(2n +1) t]}(8)当外驱动电压加到TFG 的外驱动电容梳指上,它将产生一个力,正是这个静电力使质量块产生在驱动方向上的运动。

F =12V 2 C x =12∀0h gV 2=K t V 2(9)F =K t [V DC 2+2V D C V AC si n ( t)+V AC 2sin 2( t)] =K t [V DC 2+2V DC V AC sin ( t)+12V AC 2-12V AC 2cos (2 t)](10)其中只有频率与质量块驱动谐振频率一致的信号被放大,其他高次频率信号被抑制。

4 实验验证实验证明,自激振荡闭环驱动控制电路是可以实现的,系统建立稳定的自激振荡需要短则零点几秒,长则数十秒,系统驱动输出电压的频率比较稳定,稳幅的效果也比较好。

仅从一段时间内的自激输出的数据来看(图5),其驱动的稳定性要明显优于开环驱动。

当然,自激驱动作为一种闭环驱动方式,其最大优点在于能够自动跟踪驱动模态固有频率的变化,从而将受外界因素的影响降低到最低程度。

图5 驱动器自激振荡输出频率数据曲线5 小结根据微机械音叉陀螺的结构对陀螺的输出信号与输入驱动信号之间的关系进行了推导计算,提出当输入驱动频率等于陀螺的驱动谐振频率时陀螺可以获得较高的测量精度。

根据对微机械音叉陀螺性能的研究,提出陀螺的驱动电路应采用闭环结构,让驱动信号频率始终跟踪驱动谐振频率信号,且通过反馈控制使驱动电压的幅度保持不变,从而使输出信号仅与输入信号有关。

设计了闭环驱动电路并结合系统模型进行了仿真及实验,结果表明闭环控制电路具有较好的稳频稳幅作用。

参考文献:[1] 戴逸松.微弱信号检测方法及仪器[M ].北京:国防工业出版社,1994:236-250.[2] 王寿荣.硅微型惯性器件理论及应用[M].南京:东南大学出版社,2000.[3] 周伟.硅微振动陀螺仪驱动控制技术研究[D].南京:东南大学,2003.∗欢迎订阅2002年&测控技术∋增刊现代测控技术论坛及学术交流会论文集订价:30元/本欢迎订阅2003年&测控技术∋月刊+订阅代号:82-533 +定价:8!00元/期∀7∀微机械音叉陀螺驱动电路的研究。