有機(jī)械耦合的電容式硅微陀螺敏感信號讀取

圖4為一維振動式硅微機(jī)械陀螺的電學(xué)仿真模型。L1、R1、C1分別代表驅(qū)動軸方向的質(zhì)量、阻尼和剛度。L2、R2、C2分別代表敏感軸方向的質(zhì)量、阻尼和剛度。V2等效為驅(qū)動力。

C1、C2兩端電壓等效為驅(qū)動方向和敏感方向位移。V1代表轉(zhuǎn)動角速度。A1對驅(qū)動方向位移的微分得到速度，A11乘法運(yùn)算后得到科氏力。A13將剛度耦合與科氏力合成為敏感軸方向的驅(qū)動力。通過這個(gè)模型可以仿真不同條件下的敏感輸出與驅(qū)動力V2的相位關(guān)系。也可以研究剛度耦合與敏感輸出的相位關(guān)系。圖4的近似仿真，主要是用于電路設(shè)計(jì)討論。

三、采樣方法設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析，應(yīng)該在機(jī)械耦合最小時(shí)采集敏感信號。由于正反向振動機(jī)械耦合可能不一致，機(jī)械耦合最小時(shí)刻應(yīng)分別選取。利用振動時(shí)機(jī)械運(yùn)動的慣性，在采樣時(shí)關(guān)斷驅(qū)動電壓信號，消除電耦合干擾。

圖 5 采集與驅(qū)動框圖
G 微陀螺機(jī)械振動塊；C1、C2 敏感電容； C3、C4 驅(qū)動電容；A1 差動電容調(diào)理電路；A2 差動放大器； S/H1、S/H2 采樣保持器；U1 采集控制單片機(jī)
Fig. 5 sample and driver block
G vibration block of micromachined gyroscope;C1,C2 sensing capacitor; C3,C4 driving capacitor;A1 conditioner of differential capacitor; A2 differential amp.;S/H1,S/H2 simple-holder; U1 SCM

圖5為采集與驅(qū)動框圖。控制時(shí)序由U1完成。為了精確控制時(shí)序，采用時(shí)鐘頻率較高的DSP器件，本實(shí)驗(yàn)采用的是TMS320F2810?？刂茣r(shí)序如圖6所示，采樣時(shí)序脈沖發(fā)生在振動質(zhì)量塊過靜態(tài)平衡點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過程：通過顯微鏡觀察初步確定諧振頻率范圍；在零轉(zhuǎn)速條件下，通過改變驅(qū)動頻率尋找機(jī)械耦合最大的頻率，并在有轉(zhuǎn)速條件下，搜索信號輸出最大的驅(qū)動頻率，雙方面驗(yàn)證找到機(jī)械諧振頻率；在零轉(zhuǎn)速條件下搜索到機(jī)械耦合最小的同步采樣時(shí)刻。在這個(gè)時(shí)刻一般有轉(zhuǎn)速時(shí)的敏感信號也接近最大值。初步試驗(yàn)結(jié)果：驅(qū)動周期3017Hz，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速0.1Hz，10次平均，數(shù)字輸出信號跳動1%。

圖 6 控制時(shí)序
Fig. 6 control order

各脈沖可通過片上外設(shè)PWM接口送出，基本上不耗費(fèi)軟件時(shí)間。對于確定的硅微陀螺，一旦最初的搜索、標(biāo)定完成后，脈沖時(shí)序便成為固定常數(shù)。正常運(yùn)行時(shí)，軟件僅完成簡單的補(bǔ)償修正工作。進(jìn)一步還可以考慮用SOC器件，把S/H1、S/H2、A2、A/D、PWM、CPU等功能由一只芯片完成。

四、結(jié)束語

任何硅微陀螺都不可避免地存在機(jī)械耦合干擾，本文分析指出存在干擾影響最小的可供對敏感信號采樣時(shí)刻。這個(gè)采樣時(shí)刻靠近敏感信號的峰值點(diǎn)。結(jié)合以前文章[]所提出的采樣時(shí)關(guān)斷驅(qū)動信號方法，可提高硅微陀螺的性能。筆者認(rèn)為，由于各微陀螺儀諧振頻率的差異，直接檢測質(zhì)量塊過平衡點(diǎn)時(shí)刻的方法還需研究。這將是以后進(jìn)一步的研究。