Mems陀螺的溫度補(bǔ)償方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微機(jī)械陀螺領(lǐng)域，特別涉及一種MEMS陀螺的溫度補(bǔ)償方法、一種MEMS 陀螺的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 微機(jī)械陀螺是一種用來測量角速度的慣性器件，具有體積小、重量輕、功耗 低、抗過載能力強(qiáng)、易于集成和智能化等優(yōu)點(diǎn)，因此，微機(jī)械陀螺可廣泛應(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 研究備受國內(nèi)外的關(guān)注和重視。硅基微機(jī)械陀螺的研究開始于20世紀(jì)80年代末，經(jīng) 過二十余年的發(fā)展已經(jīng)取得了顯著的成果，目前已經(jīng)有多家公司或研究機(jī)構(gòu)提供基于 MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微機(jī)電系統(tǒng)）技術(shù)的微機(jī)械陀螺產(chǎn)品，根據(jù)不 同的性能指標(biāo)，可以分為三個(gè)等級：慣性級、戰(zhàn)術(shù)級和角速率級。
[0003] MEMS陀螺無論是應(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，而不同的時(shí)間和空間溫度場是MEMS陀螺零偏、標(biāo)度因子性能漂移的主要來源。 時(shí)間溫度場是指溫度隨時(shí)間變化，存在時(shí)間梯度；空間溫度場是指陀螺表頭結(jié)構(gòu)和檢測電 路之間的溫度梯度場；時(shí)空溫度場是指同時(shí)隨時(shí)間和空間變化的復(fù)合溫度梯度場。溫度變 化導(dǎo)致SOG工藝MEMS陀螺硅和玻璃之間的熱失配，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腔體中氣體的熱運(yùn)動(dòng)特性，從而導(dǎo)致諧振頻 率和Q值（品質(zhì)因子）發(fā)生變化。另外，溫度變化還會(huì)改變檢測控制電路中的電阻值、電容 值、以及放大器的增益和相移，從而影響閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定、導(dǎo)致性能漂移。目前，MEMS陀螺 零偏和標(biāo)度因子溫度漂移越來越受關(guān)注，成為了國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。
[0004] 目前出現(xiàn)的其中一種溫度補(bǔ)償方法，是以MEMS陀螺的驅(qū)動(dòng)諧振頻率為溫度傳感 器，進(jìn)行在線的標(biāo)度因子和零偏溫度補(bǔ)償。另一種是在ASCI(AmericanStandardCodefor InformationInterchange，美國信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼）讀出電路上設(shè)個(gè)溫度傳感器，并 基于檢測到的電路溫度進(jìn)行陀螺零偏的溫度補(bǔ)償。這些補(bǔ)償方法都取得了一定的補(bǔ)償效 果，但都僅單獨(dú)考慮陀螺結(jié)構(gòu)的溫度或檢測電路的溫度，由于檢測電路和陀螺結(jié)構(gòu)之間會(huì) 存在溫度梯度，溫度傳感器的溫度主要反映的是電路的溫度而非陀螺結(jié)構(gòu)的溫度，而陀螺 驅(qū)動(dòng)諧振頻率只反映結(jié)構(gòu)的溫度而非檢測電路的溫度，因此二者是不同的，只考慮單方面 的因素難以取得良好的補(bǔ)償效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 基于此，本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)目的在于提供一種MEMS陀螺的溫度補(bǔ)償方法，本發(fā) 明實(shí)施例的另一目的在于提供一種MEMS陀螺的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，其可以提高溫度補(bǔ)償精度。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明實(shí)施例采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種MEMS陀螺的溫度補(bǔ)償方法，包括步驟：
[0008] 獲取驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的當(dāng)前驅(qū)動(dòng)諧振頻率；
[0009] 獲取檢測閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出的當(dāng)前角速度信號(hào)；
[0010] 獲取檢測控制電路的當(dāng)前溫度值；
[0011] 根據(jù)所述當(dāng)前驅(qū)動(dòng)諧振頻率、所述當(dāng)前溫度值，采用預(yù)設(shè)溫度模型對所述當(dāng)前角 速度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度補(bǔ)償，得到溫度補(bǔ)償后的角速度輸出信號(hào)。
[0012] 一種MEMS陀螺的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，包括：設(shè)置在陀螺的檢測及控制電路的驅(qū)動(dòng)閉環(huán) 控制模塊、檢測閉環(huán)控制模塊、溫度檢測電路以及溫度補(bǔ)償模塊，所述溫度補(bǔ)償模塊的第一 輸入端與所述驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制模塊的輸出端連接、第二輸入端與所述溫度檢測電路的輸出端 連接、第三輸入端與所述檢測閉環(huán)控制模塊的輸出端連接，根據(jù)所述驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制模塊輸 入的當(dāng)前驅(qū)動(dòng)諧振頻率、所述溫度檢測電路輸入的當(dāng)前溫度值，采用預(yù)設(shè)溫度模型對所述 檢測閉環(huán)控制模塊輸入的當(dāng)前角速度信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度補(bǔ)償，得到溫度補(bǔ)償后的角速度 輸出信號(hào)，并輸出所述角速度輸出信號(hào)。
[0013] 根據(jù)如上所述的本發(fā)明實(shí)施例的方案，由于驅(qū)動(dòng)諧振頻率隨溫度線性變化，因此 通過驅(qū)動(dòng)諧振頻率來反映陀螺結(jié)構(gòu)的溫度，通過檢測控制電路的當(dāng)前溫度值來表征電路工 作環(huán)境溫度，從而據(jù)此結(jié)合了時(shí)空溫度場的變化關(guān)系，同時(shí)考慮陀螺結(jié)構(gòu)的溫度和檢測電 路的溫度，對陀螺進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度補(bǔ)償，有效地提高了溫度補(bǔ)償?shù)木龋纳屏送勇莸臏仄?特性，具有極大的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0014] 圖1是MEMS陀螺驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的簡單原理示意圖；
[0015] 圖2是MEMS陀螺檢測閉環(huán)控制系統(tǒng)的簡單原理示意圖；
[0016] 圖3是一個(gè)實(shí)施例中本發(fā)明的MEMS陀螺的溫度補(bǔ)償方法的流程示意圖；
[0017] 圖4是一個(gè)具體示例中溫度補(bǔ)償?shù)牧鞒淘硎疽鈭D；
[0018] 圖5是一個(gè)實(shí)施例中本發(fā)明的MEMS陀螺的溫度補(bǔ)償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖6是一個(gè)具體示例中基于本發(fā)明的溫度補(bǔ)償方案的MEMS陀螺零偏與溫度關(guān)系 的對比效果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本 發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的【具體實(shí)施方式】僅僅用以解釋本發(fā)明， 并不限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0021]MEMS陀螺無論應(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，而不同的時(shí)間溫度場和空間溫度場是MEMS陀螺零偏和標(biāo)度因子性能漂移的主要 來源。時(shí)間溫度場是指溫度隨時(shí)間變化，存在時(shí)間梯度；空間溫度場是指陀螺表頭結(jié)構(gòu)和檢 測電路之間的溫度梯度場；時(shí)空溫度場是指同時(shí)隨時(shí)間和空間變化的復(fù)合溫度梯度場。本 發(fā)明實(shí)施例涉及的是一種基于時(shí)空溫度場的MEMS陀螺溫度補(bǔ)償方法。
[0022] 首先對MEMS陀螺的溫度性能進(jìn)行簡要的分析介紹。圖1為MEMS陀螺驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控 制系統(tǒng)的簡單原理示意圖。驅(qū)動(dòng)閉環(huán)控制的目標(biāo)是控制驅(qū)動(dòng)速度信號(hào)工作在陀螺的驅(qū)動(dòng)諧 振頻率處，并且諧振幅度盡量穩(wěn)定。
[0023] 圖1所示中，陀螺驅(qū)動(dòng)模態(tài)的傳遞函數(shù)Gd(S)為：
[0025] 其中，s=jwR，為復(fù)頻域的拉普拉斯算子，md為MEMS陀螺驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊的質(zhì)量，《 d、 Qd分別為MEMS陀螺驅(qū)動(dòng)端的諧振頻率和品質(zhì)因子。
[0026] 此外，圖1所示中，kvf為驅(qū)動(dòng)電壓到力的轉(zhuǎn)換系數(shù)，k"為檢測電容到電壓的轉(zhuǎn)換 系數(shù)，LMS為自適應(yīng)最小均方算法，Cordic為正弦波產(chǎn)生算法，PI為比例-積分控制算法， 相位基準(zhǔn)和幅度基準(zhǔn)由掃頻模塊確定。由于PI閉環(huán)控制，LMS解調(diào)得到的相位和幅度信號(hào) 可以達(dá)到穩(wěn)定，但由于檢測電路中檢測電容到電壓的轉(zhuǎn)換系數(shù)1^受溫度影響較大，溫度變 化會(huì)導(dǎo)致讀出電路的增益和相位發(fā)生一定的漂移，因此陀螺驅(qū)動(dòng)速度信號(hào)幅值1也受到影 響。
[0027] 圖2是MEMS陀螺檢測閉環(huán)控制系統(tǒng)的簡單原理示意圖。圖2所示中，-Q⑴和 q(t)分別為輸入的角速度和耦合信號(hào)，^。⑴和qjt)分別為開環(huán)輸出的角速度和耦合信 號(hào)。Uq和Fb分別為科氏力、耦合力以及力平衡反饋力，mPAv、Kqf和Kvf分別為它們的力系 數(shù)。Yciut為位移電壓輸出，yjt)和yq(t)分別為閉環(huán)系統(tǒng)的角速度輸出信號(hào)和正交耦合輸 出信號(hào)。9為解調(diào)相位角，ms、mp分別為檢測質(zhì)量和復(fù)合質(zhì)量，ws、Qs分別為陀螺檢測端的 諧振頻率和品質(zhì)因子。
[0028] 其中，圖2所示中的陀螺檢測模態(tài)的傳遞函數(shù)Gs(S)是如下所示：
[0036] 其中，在上述公式（2)-(5)中，s=jwR，為復(fù)頻域的拉普拉斯算子，〇JP〇 3為 G-PI控制器的極點(diǎn)頻率，為零點(diǎn)頻率。
[0037] 通過對上述公式進(jìn)行理論推導(dǎo)，可以得到圖2所示的控制系統(tǒng)的開環(huán)的傳遞函數(shù) 卿（s)如下述公式（6)所示，閉環(huán)的傳遞函數(shù)SFclosed(S)如下述公式（7)和（8)所示。
[0040] Dr (s) = -jmpAvkcv [e1 °Gs(j0R-jod)H(j0R-jod)-e] 0Gs(j〇R+jod)H(j〇R+jod)] L(j?R)P(j?R) (8)
[0041] 由此可見，該控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)非常復(fù)雜。通過對陀螺的零偏和標(biāo)度因子進(jìn)行 溫度特性分析，可以得知，驅(qū)動(dòng)檢測頻率和諧振檢測頻率均隨溫度T發(fā)生變化，近似于線性 關(guān)系，具體如下述公式（9)和（10)所示：
[0044] 而驅(qū)動(dòng)Q值和檢測Q值也均隨溫度發(fā)生變化，近似于非線性關(guān)系。此外，溫度變化 會(huì)改變檢測電路的增益和相位，因此力平衡反饋力的力系數(shù)Kvf、檢測電容到電壓的轉(zhuǎn)換系 數(shù)k"、陀螺驅(qū)動(dòng)速度信號(hào)幅值A(chǔ)v、解調(diào)相位角0等均隨溫度發(fā)生漂移。如果把這些結(jié)構(gòu)和 電路的溫漂因素都考慮進(jìn)來，公式（6)的開環(huán)角速度傳遞函數(shù)和公式（7)的閉環(huán)角速度傳 遞函數(shù)均發(fā)生嚴(yán)重退化，溫度帶來標(biāo)度因子和零偏的影響是復(fù)雜的非線性關(guān)系。基于此，本 發(fā)明實(shí)施例提供的溫度補(bǔ)償方案，考慮的是時(shí)空溫度場的影響，即同時(shí)考慮陀螺結(jié)構(gòu)和檢 測電路的關(guān)鍵溫漂因素，進(jìn)行聯(lián)合建模和實(shí)時(shí)補(bǔ)償。
[0045] 圖3中示出了一個(gè)實(shí)施例中本發(fā)明的MEMS陀螺的溫度補(bǔ)償方法的流程示意圖。如 圖3