一種硅微陀螺數(shù)字化驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于FPGA帶溫度補(bǔ)償?shù)墓栉⑼勇輸?shù)字化驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，硅微陀螺敏感檢測(cè)電容信號(hào)經(jīng)電荷放大、低通濾波、幅度放大以及量化后，經(jīng)FPGA實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制以及溫度補(bǔ)償功能；驅(qū)動(dòng)閉環(huán)通過(guò)均方根(RMS)解調(diào)、低通濾波、PI控制來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅功能；通過(guò)希爾伯特鑒相、低通濾波、PI控制以及Cordic算法實(shí)現(xiàn)相位跟蹤功能；通過(guò)諧振頻率與溫度信號(hào)的線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)了角速度信號(hào)輸出的溫度補(bǔ)償功能。本發(fā)明克服了模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪聲大和溫度漂移等問題，具有靈活方便、低噪聲、可移植、能夠溫度補(bǔ)償、易于實(shí)現(xiàn)單片集成化ASIC電路的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
一種硅微陀螺數(shù)字化驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及硅微陀螺驅(qū)動(dòng)閉環(huán)領(lǐng)域，特別涉及基于FPGA帶溫度補(bǔ)償?shù)墓栉⑼勇輸?shù) 字化驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 硅微陀螺是一種用來(lái)測(cè)量角速度的慣性器件，具有體積小、重量輕、功耗低、抗過(guò) 載能力強(qiáng)、易于集成和智能化等優(yōu)點(diǎn)，因此，硅微陀螺可廣泛應(yīng)用于汽車牽引控制系統(tǒng)、行 駛穩(wěn)定系統(tǒng)、攝像機(jī)穩(wěn)定系統(tǒng)、飛機(jī)穩(wěn)定系統(tǒng)以及軍事等領(lǐng)域，相關(guān)的研究備受國(guó)內(nèi)外的關(guān) 注與重視。硅微陀螺的研究開始于20世紀(jì)80年代末，經(jīng)過(guò)二十余年的發(fā)展已經(jīng)取得了顯著 的成果，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多公司或研究機(jī)構(gòu)提供基于MEMS(Micr〇-Electr〇-Mechanical Systems，微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的硅微陀螺產(chǎn)品，根據(jù)不同的性能指標(biāo)，可以分為三個(gè)等級(jí):慣 性級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)和角速率級(jí)。
[0003] 傳統(tǒng)的微機(jī)械陀螺驅(qū)動(dòng)環(huán)路采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，為進(jìn)一步改善陀螺的性能，須采 用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)陀螺的外圍信號(hào)處理。目前，國(guó)內(nèi)外已有很多相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了利用FPGA(現(xiàn) 場(chǎng)可編程邏輯門陣列)實(shí)現(xiàn)模擬閉環(huán)控制方法的數(shù)字化，并取得了一定的成果，但是隨著硅 微陀螺儀性能的進(jìn)一步提高，數(shù)字化方案在適應(yīng)范圍和控制精度方面很難滿足要求，從而 影響陀螺儀的性能。
[0004] MEMS陀螺無(wú)論是應(yīng)用在軍事領(lǐng)域還是商業(yè)領(lǐng)域，都不可避免會(huì)涉及到一些變化的 溫度環(huán)境，而不同的溫度是MEMS陀螺零偏、標(biāo)度因子性能漂移的主要來(lái)源。溫度變化會(huì)導(dǎo)致 S0G工藝MEMS陀螺硅和玻璃之間熱失配，熱應(yīng)力使讀出電容發(fā)生漂移。此外，溫度變化會(huì)改 變硅材料的楊氏模量以及真空封裝膠體中氣體的熱運(yùn)動(dòng)特性，從而導(dǎo)致諧振頻率和Q值(品 質(zhì)因數(shù))發(fā)生變化。目前，MEMS陀螺零偏和標(biāo)度因子溫度漂移越來(lái)越受到關(guān)注，成為了國(guó)內(nèi) 外研究的熱點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明為克服模擬電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靈活性差，噪聲大和溫度漂 移等不足以及數(shù)字化后適應(yīng)范圍有限、控制精度不足等問題，提供了一種靈活方便、低噪 聲、可移植、帶溫度補(bǔ)償?shù)墓栉⑼勇蒡?qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明的硅微陀螺驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，所述硅微陀螺的驅(qū)動(dòng)端與敏感端均連接有 將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的C/V轉(zhuǎn)換電路、低通濾波器、幅度放大器和ADC轉(zhuǎn)換器;所述驅(qū) 動(dòng)端與敏感端的數(shù)字信號(hào)分別與基于FPGA的驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制電路和溫度補(bǔ)償電路連接;所述 驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制電路的驅(qū)動(dòng)反饋信號(hào)傳輸給所述硅微陀螺的驅(qū)動(dòng)電極，所述溫度補(bǔ)償電路的 角速度信號(hào)傳輸給控制終端。
[0007] 進(jìn)一步的，所述驅(qū)動(dòng)端的數(shù)字信號(hào)經(jīng)歸一化處理后與所述驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制電路連 接，所述驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制電路包括穩(wěn)幅支路和穩(wěn)頻支路，所述穩(wěn)幅支路包括依次連接的均方 根解調(diào)器、FIR低通濾波器和PI控制器;所述穩(wěn)頻支路包括依次連接的數(shù)字鑒相器、FIR低通 濾波器、PI控制器和DDS，所述DDS信號(hào)反饋給所述數(shù)字鑒相器。
[0008] 進(jìn)一步的，所述穩(wěn)幅支路與穩(wěn)頻支路的輸出信號(hào)相乘后經(jīng)運(yùn)放器、DAC轉(zhuǎn)換器及低 通濾波器形成所述驅(qū)動(dòng)反饋信號(hào)傳輸給所述硅微陀螺的驅(qū)動(dòng)電極。
[0009] 進(jìn)一步的，所述敏感端的數(shù)字信號(hào)經(jīng)歸一化處理后與所述溫度補(bǔ)償電路連接，所 述溫度補(bǔ)償電路包括依次連接的均方根解調(diào)器、FIR低通濾波器、溫度補(bǔ)償器，所述溫度補(bǔ) 償器還輸入有所述DDS的頻率反饋信號(hào)。
[0010]進(jìn)一步的，所述溫度補(bǔ)償器通過(guò)485接口與所述控制終端連接。
[0011] 進(jìn)一步的，所述數(shù)字鑒相器為希爾伯特變換器。
[0012] 進(jìn)一步的，所述溫度補(bǔ)償器采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)步驟為：
[0013] (1)建立輸入角速度《 i-諧振頻率f-輸出角速度《 2結(jié)構(gòu)模型；
[0014] (2)根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)；
[0015] (3)通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、訓(xùn)練和預(yù)測(cè)三步獲得溫度模型所需的權(quán)值W及閾值0，得 到溫度補(bǔ)償后的角速度f(wàn)% f {II灸+ %》+ %)，其中，屯選用線性函數(shù) purelin，擎選用非線性函數(shù)logsig。
[0016]借由上述方案，本發(fā)明采用FPGA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了硅微陀螺驅(qū)動(dòng)閉環(huán)的數(shù)字化控制系 統(tǒng)，并采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)了角速度輸出溫度漂移的抑制功能，克服了模擬電路結(jié) 構(gòu)復(fù)雜、噪聲大和溫度漂移等問題，具有靈活方便、低噪聲、可移植、能夠溫度補(bǔ)償、易于實(shí) 現(xiàn)單片集成化ASIC電路的優(yōu)點(diǎn)。
[0017]上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 并可依照說(shuō)明書的內(nèi)容予以實(shí)施，以下以本發(fā)明的較佳實(shí)施例并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明如后。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖；
[0019]圖2是本發(fā)明中均方根(RMS)解調(diào)器實(shí)現(xiàn)框圖；
[0020]圖3是本發(fā)明中希爾伯特變換器實(shí)現(xiàn)框圖；
[0021 ]圖4是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度補(bǔ)償算法框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施 例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。
[0023]參見圖1，本發(fā)明一較佳實(shí)施例所述的一種硅微陀螺數(shù)字化驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，硅 微陀螺的驅(qū)動(dòng)端與敏感端均連接有將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的C/V轉(zhuǎn)換電路、低通濾波 器、幅度放大器和ADC轉(zhuǎn)換器;驅(qū)動(dòng)端與敏感端的數(shù)字信號(hào)分別與基于FPGA的驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制 電路和溫度補(bǔ)償電路連接;驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制電路的驅(qū)動(dòng)反饋信號(hào)傳輸給硅微陀螺的驅(qū)動(dòng)電 極，溫度補(bǔ)償電路的角速度信號(hào)傳輸給控制終端。
[0024]具體的，驅(qū)動(dòng)端的數(shù)字信號(hào)經(jīng)歸一化處理后與驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制電路連接，驅(qū)動(dòng)閉環(huán) 控制電路包括穩(wěn)幅支路和穩(wěn)頻支路，穩(wěn)幅支路包括依次連接的均方根(RMS)解調(diào)器、FIR低 通濾波器和PI控制器;穩(wěn)頻支路包括依次連接的數(shù)字鑒相器、FIR低通濾波器、PI控制器和 DDS，所述DDS信號(hào)反饋給所述數(shù)字鑒相器。穩(wěn)幅支路與穩(wěn)頻支路的輸出信號(hào)相乘后經(jīng)運(yùn)放 器、DAC轉(zhuǎn)換器及低通濾波器形成驅(qū)動(dòng)反饋信號(hào)傳輸給硅微陀螺的驅(qū)動(dòng)電極。
[0025] 敏感端的數(shù)字信號(hào)經(jīng)歸一化處理后與溫度補(bǔ)償電路連接，溫度補(bǔ)償電路包括依次 連接的均方根(RMS)解調(diào)器、FIR低通濾波器、溫度補(bǔ)償器，溫度補(bǔ)償器還輸入有DDS的頻率 反饋信號(hào)。本發(fā)明中溫度補(bǔ)償器通過(guò)485接口與控制終端連接。
[0026] 硅微陀螺驅(qū)動(dòng)與敏感兩路檢測(cè)電容信號(hào)經(jīng)C/V轉(zhuǎn)成電壓信號(hào)，接著經(jīng)低通濾波、幅 度放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號(hào)，然后驅(qū)動(dòng)端數(shù)字信號(hào)經(jīng)穩(wěn)幅、穩(wěn)頻及加偏置電壓后經(jīng) 模數(shù)轉(zhuǎn)換、低通濾波回到硅微陀螺驅(qū)動(dòng)電極上形成閉環(huán)控制回路;敏感端數(shù)字信號(hào)經(jīng)均方 根(RMS)解調(diào)、FIR低通、溫度補(bǔ)償后通過(guò)RS485接口傳輸給控制終端。通過(guò)均方根(RMS)解 調(diào)、FIR低通及PI控制實(shí)現(xiàn)幅度自動(dòng)控制;通過(guò)數(shù)字鑒相、FIR低通、PI控制及DDS實(shí)現(xiàn)相位跟 蹤功能;通過(guò)諧振頻率與溫度信號(hào)的線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)了角速度信號(hào)輸出的溫度補(bǔ)償功能。 [0027]如圖2所示，均方根(RMS)解調(diào)器采用正弦信號(hào)有效值提取方法，具體方法為：
[0028]設(shè)fs為采樣頻率、f?為陀螺諧振頻率、x(n)為被測(cè)輸入信號(hào)、y(n)為幅度輸出、N = fs\f+l為設(shè)定閾值，
[0031] 通過(guò)乘法累加器、FIR低通濾波器及開根運(yùn)算，可以快速準(zhǔn)確地獲得被測(cè)信號(hào)的幅 度。即通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)
平方得到關(guān)于幅度的低頻分量以及高頻噪聲信號(hào)， 然后通過(guò)FIR低通濾波器將高頻成分濾除得到低頻的幅度信號(hào)，再經(jīng)過(guò)開根調(diào)整即可得到 輸入信號(hào)的幅度A。
[0032] 如圖3所示，本發(fā)明中數(shù)字鑒相器采用全數(shù)字方法-希爾伯特變換方法將輸入信號(hào) x(n)希爾伯特變換為Hx(n)，即將輸入信號(hào)x(n)=Acos(wn+0)通過(guò)希爾伯特變換器，得到H x (n) =Asin(wn+0);再將Hx(n)與x(n)作除法運(yùn)算，得到tan(wn+0);再對(duì)對(duì)tan(wn+0)求反正 切，得到相位wn + 0。
[0033]進(jìn)一步的，希爾伯特變換器采用希爾伯特濾波器實(shí)現(xiàn)，理想的希爾伯特變換是幅 度為1、正頻率方向延時(shí)-31/2、負(fù)頻率方向延時(shí)31/2的變換，而實(shí)際的希爾伯特濾波器是幅度 為1、帶有延時(shí)N/2個(gè)采樣周期的變換結(jié)果，N為希爾伯特濾波器的階數(shù)。因此，希爾伯特變換 器的實(shí)現(xiàn)方法為：
[0034]設(shè)輸入信號(hào)x(n)的希爾伯特濾波器傳遞函數(shù)為Hx'（n)，希爾伯特濾波器階數(shù)為N， 將輸入信號(hào)x(nn) =Acos(wn+9)通過(guò)希爾伯特變換器得到+ ；將輸 入信號(hào)x(nn) =Acos(wn+9)通過(guò)延時(shí)N/2得到又如}。爲(wèi)漏C概+務(wù)將H/ (n)與x' (n)作除 法運(yùn)算，得到這_^.+ i+鱗;.采用C 〇 r d i c算法，對(duì)f +緣求反正切得到相位 繼s %將輸入信號(hào)與dD S輸出正弦信號(hào)分別經(jīng)過(guò)上述的運(yùn)算得到麗十參+勢(shì).及 wsvMf %:通過(guò)減法運(yùn)算得到相位差細(xì)=其中，希爾伯特變換通過(guò)Matlab工具 包FDA TOOL設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，反正切運(yùn)算采用FPGA的IP核Cordic實(shí)現(xiàn)。
[0035]如圖4所示，本發(fā)明中溫度補(bǔ)償器采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合實(shí)現(xiàn)，首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)樣本(輸入角速度、諧振頻率f及輸出角速度《2)，然后將樣本代入BP神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)訓(xùn)練得到溫度模型需要的權(quán)值W及閾值0，經(jīng)多次網(wǎng)絡(luò)迭代訓(xùn)練，得到最優(yōu)的權(quán)值W及閾值 9，由此得到擬合函數(shù)馬_ + %) + %)，其中，屯選用線性函數(shù) purelin，變選用非線性函數(shù)logsig。具體步驟為：
[0036] (1)建立輸入角速度《:-諧振頻率f-輸出角速度《 2結(jié)構(gòu)模型；
[0037] (2)根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)特點(diǎn)可以確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)為2-N-1型，即兩個(gè)輸入節(jié) 點(diǎn)（諧振頻率、輸入角速度）、N個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)以及1個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)（輸出角速度），其中N由仿真調(diào) 試后確定；
[0038] (3)通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、訓(xùn)練和預(yù)測(cè)三步得到溫度模型所需的權(quán)值W及閾值0，從 而得到補(bǔ)償后的角速度_=賢1：|^ %勢(shì)%馬+馬> + 。
[0039]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，并不用于限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技 術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和 變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種硅微陀螺數(shù)字化驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述硅微陀螺的驅(qū)動(dòng)端與敏 感端均連接有將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的C/ν轉(zhuǎn)換電路、低通濾波器、幅度放大器和ADC 轉(zhuǎn)換器;所述驅(qū)動(dòng)端與敏感端的數(shù)字信號(hào)分別與基于FPGA的驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制電路和溫度補(bǔ)償 電路連接;所述驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制電路的驅(qū)動(dòng)反饋信號(hào)傳輸給所述硅微陀螺的驅(qū)動(dòng)電極，所述 溫度補(bǔ)償電路的角速度信號(hào)傳輸給控制終端。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微陀螺數(shù)字化驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述驅(qū)動(dòng)端 的數(shù)字信號(hào)經(jīng)歸一化處理后與所述驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制電路連接，所述驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制電路包括穩(wěn) 幅支路和穩(wěn)頻支路，所述穩(wěn)幅支路包括依次連接的均方根解調(diào)器、FIR低通濾波器和PI控制 器;所述穩(wěn)頻支路包括依次連接的數(shù)字鑒相器、FIR低通濾波器、PI控制器和DDS，所述DDS信 號(hào)反饋給所述數(shù)字鑒相器。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅微陀螺數(shù)字化驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述穩(wěn)幅支 路與穩(wěn)頻支路的輸出信號(hào)相乘后經(jīng)運(yùn)放器、DAC轉(zhuǎn)換器及低通濾波器形成所述驅(qū)動(dòng)反饋信 號(hào)傳輸給所述娃微陀螺的驅(qū)動(dòng)電極。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅微陀螺數(shù)字化驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述敏感端 的數(shù)字信號(hào)經(jīng)歸一化處理后與所述溫度補(bǔ)償電路連接，所述溫度補(bǔ)償電路包括依次連接的 均方根解調(diào)器、FIR低通濾波器、溫度補(bǔ)償器，所述溫度補(bǔ)償器還輸入有所述DDS的頻率反饋 信號(hào)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅微陀螺數(shù)字化驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述溫度補(bǔ) 償器通過(guò)485接口與所述控制終端連接。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅微陀螺數(shù)字化驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)字鑒 相器為希爾伯特變換器。7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅微陀螺數(shù)字化驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，其特征在于:所述溫度補(bǔ) 償器采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)步驟為： (1) 建立輸入角速度ω i-諧振頻率f-輸出角速度ω 2結(jié)構(gòu)模型； (2) 根據(jù)輸入輸出數(shù)據(jù)確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)； (3) 通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、訓(xùn)練和預(yù)測(cè)三步獲得溫度模型所需的權(quán)值W及閾值Θ，得到溫 度補(bǔ)償后的角速〔中，Ψ選用線性函數(shù)purelin，- 選用非線性函數(shù)logsig。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK105892293SQ201610209836
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月6日
【發(fā)明人】徐大誠(chéng), 錢超, 盛斌, 程夢(mèng)夢(mèng), 盧月娟
【申請(qǐng)人】蘇州大學(xué)