硅微机械陀螺驱动控制技术研究

论文摘要

硅微机械陀螺具有成本低、反应时间短、动态范围宽、体积重量小、环境适应能力强、易于集成等优势,是一种极有发展潜力的惯性仪表。本文以硅微机械陀螺为研究对象,构建了基于自动增益控制（AGC）技术和基于锁相环（PLL）控制技术的闭环驱动回路的Simulink模型并进行了仿真研究,对基于PLL控制技术的数字化闭环驱动控制算法进行了研究,并在实验测试平台上进行了实现,通过对实验测试结果进行分析,得出了一些有益的结论。论文的主要工作与创新点如下:（1）总结分析了振动式微机械陀螺的工作原理和驱动模态特性。在此基础上,理论分析了硅微机械陀螺基于AGC技术和基于PLL控制技术的两种闭环驱动方式的基本原理和运行特性,为进一步仿真分析和实验验证提供了理论基础。推导了基于PLL控制技术的闭环驱动回路中锁相环控制模块的传递函数模型,给出了锁相环控制模块中各参数的整定方程。（2）建立了硅微机械陀螺的驱动轴Simulink仿真模型,并根据已测试通过的外围信号处理电路建立了其中各电路模块的仿真模型。确定控制模块参数后,分别对基于AGC技术和基于PLL控制技术的闭环驱动回路仿真模型进行了不同仿真条件下实验对比研究。实验结果表明,采用正弦波形式的驱动高频检测载波信号时,与基于AGC技术的闭环驱动回路对比,基于PLL控制技术的闭环驱动回路的控制性能可达到较高的精度。（3）建立了幅值控制环路采用控制驱动直流信号方法的基于PLL控制技术的闭环驱动回路的仿真模型,通过仿真实验进行了振动位移检测信号等的响应性能评价,与幅值控制环路采用控制驱动中频交流信号方法进行了分析比较,确定了基于PLL控制技术的闭环驱动回路数字控制算法中幅值控制环路控制驱动直流信号。（4）构建了实验测试平台,对基于PLL控制技术的闭环驱动回路数字控制算法进行了工程实现,给出了参数整定方法,进行了闭环驱动回路实验,对系统的关键指标进行了测试,并对实验结果进行了分析。实验结果表明,振动位移检测信号幅值平均值与理论参考幅值之间的误差在100ppm以内,幅值相对误差可达10-4数量级;相位控制环路频率差平均值在10-7数量级,频率差相对误差可达10-6数量级。与理想状态下的仿真实验结果对比,考虑到实际电路中噪声等因素的影响,数字控制算法具有良好的稳幅稳频效果,达到了预期的控制目标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外发展及研究现状
• 1.2.1 硅微机械陀螺的国内外发展及研究现状
• 1.2.2 硅微机械陀螺驱动控制技术的国内外发展及研究现状
• 1.3 课题研究的意义
• 1.4 论文的主要内容、结构安排
• 第二章 硅微机械陀螺驱动控制技术理论分析
• 2.1 振动式微机械陀螺的基本工作原理
• 2.1.1 哥氏效应
• 2.1.2 振动式微机械陀螺工作原理
• 2.1.3 振动式微机械陀螺驱动模态特性分析
• 2.2 硅微机械陀螺闭驱动控制回路基本原理
• 2.3 基于AGC 技术的闭环驱动回路基本原理
• 2.3.1 理论依据
• 2.3.2 特性分析
• 2.4 基于PLL 控制技术的闭环驱动回路基本原理
• 2.4.1 相位控制环路基本方程
• 2.4.2 特性分析
• 2.4.3 基于PLL 控制技术的硅微机械陀螺闭环驱动回路设计
• 2.5 本章小结
• 第三章 硅微机械陀螺闭环驱动回路仿真分析
• 3.1 硅微机械陀螺驱动轴仿真模型设计
• 3.1.1 静电驱动力
• 3.1.2 陀螺驱动轴Simulink 模型
• 3.2 硅微机械陀螺外围信号处理电路仿真模型设计
• 3.2.1 驱动电压合成电路仿真模型
• 3.2.2 驱动轴振动位移检测电路仿真模型
• 3.2.3 控制模块仿真模型
• 3.3 闭环驱动回路仿真分析和对比研究
• 3.3.1 驱动高频检测载波信号和测量模块
• 3.3.2 基于AGC 技术的闭环驱动回路的仿真分析
• 3.3.3 基于PLL 控制技术的闭环回路的仿真分析
• 3.3.4 基于AGC 技术和基于PLL 控制技术的闭环驱动回路的对比研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于锁相环控制技术的闭环驱动回路的实现与验证
• 4.1 实验测试平台的实现
• 4.1.1 PCB 电路板
• 4.1.2 FPGA 开发板
• 4.1.3 计算机
• 4.2 实验设计
• 4.2.1 实验方案
• 4.2.2 实验步骤
• 4.3 实验与结果分析
• 4.3.1 驱动模态扫频实验
• 4.3.2 基于PLL 控制技术的闭环驱动回路控制模块参数确定
• 4.3.3 闭环驱动回路实验结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果