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mems微陀螺谐振频率跟踪锁定技术的研究

MEMS微陀螺谐振频率跟踪锁定技术的研究

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作者：曾小润上海交通大学

学位级别：硕士

mems微陀螺是一种角速度传感器。本文研究的压电式微固体模态陀螺是一种特殊的振动式mems微陀螺,它具有工作频率高(300KHz量级),抗冲击能力强等特性。压电式微固体模态陀螺的核心部件为压电振子,振子在交变电压的激励下,传感电极感应出... 详细信息

mems微陀螺是一种角速度传感器。本文研究的压电式微固体模态陀螺是一种特殊的振动式mems微陀螺,它具有工作频率高(300KHz量级),抗冲击能力强等特性。压电式微固体模态陀螺的核心部件为压电振子,振子在交变电压的激励下,传感电极感应出电荷。感应电荷的幅值以及与激励电压的相位差都会随着激励电压的频率而改变。在陀螺的某阶振动模态下,感应电荷的幅值达到最大值,此时对应的频率为陀螺振子的谐振频率。为了使陀螺的工作性能达到最优,需要使其稳定工作在谐振频率点。而谐振频率会受到环境因素的影响而产生漂移,因此需要对振子的谐振频率进行跟踪锁定。在谐振点附近时,感应电荷的幅值对驱动频率变化不敏感,而相位对驱动频率变化十分敏感。基于该特性,本文设计了一种基于相位锁定的mems微陀螺的高性能谐振频率跟踪锁定电路。电路采用直接数字合成技术(DDS)芯片作为信号发生器,由现场可编程门阵列(FPGA)对其进行数字信号控制,使DDS输出频率可调的驱动信号,给陀螺提供激励电压,使陀螺产生感应电荷,同时产生两路用于矢量分析模块的正交解调参考信号。感应电荷经过电荷放大模块转化为电压量,与正交解调信号同时经过模数转换(ADC)输入到FPGA,在FPGA内部通过矢量分析技术对感应信号进行幅值和相位解调。通过DDS扫频对陀螺的振动特性进行分析,测出陀螺的谐振频率在331.8532.15kHz范围内,找出谐振点感应信号与驱动信号的相位差大小作为参考值。在陀螺工作过程中,FPGA对感应信号实时进行矢量分析,将感应信号的相位信息与参考值进行对比,控制DDS改变激励电压的频率大小,使相位向参考范围收敛,最终锁定在参考值范围内,对应的激励电压频率即为陀螺的谐振频率。本文通过实验,设定相位差锁定在98.48°和100.27°之间时,可以控制驱动信号频率处在最佳谐振点范围内。实际测量结果将相位锁定在99.0°到99.9°之间,DDS输出驱动信号的变化步长为10Hz,跟踪到的陀螺谐振频率在332.06832.089kHz之间。本文设计的压电式微固体模态陀螺的闭环控制电路实现了谐振频率跟踪和锁定的功能,并做到了全数字化控制,该系统可用于以谐振器为核心器件的振子工作模态锁定与跟踪。

关键词： mems微陀螺谐振频率跟踪现场可编程门阵列直接数字合成技术矢量分析

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