微半球陀螺測控電路國內外現狀與關鍵技術

谷留濤， 張衛平， 劉朝陽， 田夢雅， 成宇翔

（1.上海交通大學電子信息與電氣工程學院微米/納米加工技術重點實驗室，上海200240；2.上海交通大學電子信息與電氣工程學院薄膜與微細技術教育部重點實驗室，上海200240；3.上海航天控制技術研究所慣性工程技術研究中心，上海201109）

0 引言

隨著微機電系統技術的快速發展，微慣性技術在慣性導航系統中占有著越來越重要的位置。作為微慣性導航系統中測量角度和角速度的核心部件，微陀螺在軍事制導、航空航天、汽車電子、工業控制等領域中均得到了廣泛的應用。相比于傳統機械陀螺，微陀螺采用微加工技術，具有功耗低、性能高、成本低、可靠性高、體積小、可批量加工等優點。按照檢測方式，微陀螺可被劃分為電容式陀螺、壓阻式陀螺、壓電式陀螺、光學陀螺和隧道陀螺等。

在MEMS微半球諧振陀螺系統中，由于陀螺的尺寸較小，其對溫度、濕度等外界環境的變化比較敏感，因而其性能受環境的影響較大。目前，微加工工藝還不能實現微陀螺的完全對稱性和均勻性，因此微半球陀螺器件的性能很難達到理想狀態。為了保證微半球陀螺系統的可靠性、穩定性和精度，微半球諧振陀螺的電路系統同樣面臨著很多挑戰。為了減小環境對陀螺性能的影響，需要溫度補償電路對外界溫度變化做出一定的補償；為了彌補加工工藝的不足，需要正交補償電路、模態匹配電路對陀螺的對稱性和均勻性做出補償；為了保證陀螺具有較好的工作表現，需要使外部驅動信號的頻率嚴格鎖定于工作模態的中心頻率上，且陀螺輸出信號幅值恒定。與此同時，由于微半球陀螺信號為微弱信號，故而需要采用微弱信號采集技術和反饋技術對其進行處理，并且通過解調控制算法得到輸出信號。因此，為保證微半球諧振陀螺系統達到理想的工作狀態，相應的前置電路系統及相關的控制解調算法至關重要。由于數字電路已成為如今發展的趨勢，接口電路的轉換精度成為了影響陀螺性能的重要因素之一。因此，Sigma-delta調制器也成為了國內外研究的熱點。

1 基本測控電路

作為微陀螺電路測控系統工作的基礎，最早的控制檢測方案是簡單模擬開環驅動的直接檢測方案。圖1給出了一種最早的開環方案的原理圖，其實現原理為直接給陀螺的2個驅動電極施加與陀螺工作頻率相等、幅度不變的交流驅動信號。其中，施加到2個電極的信號相位相反，無反饋控制。信號通過 C/V轉換和并放大，在與之前的驅動信號進行相位解調后輸出檢測結果。

圖1 模擬開環測控電路原理圖Fig.1 Schematic diagram of analog open-loop measurement and control circuit

在開環模式下，微半球陀螺系統電路的設計和實現相對而言比較簡單。但是，微半球陀螺系統在電路開環模式下的缺點也是非常明顯的。首先，開環控制電路沒有反饋環路，當外界環境發生變化時，微半球陀螺工作模態的中心頻率會發生偏移，而驅動信號始終保持著固定幅值和頻率的電壓信號，這必然導致微半球陀螺性能的下降。其次，由于制造缺陷，微半球陀螺并沒有理論上的對稱性和均勻性，因此需要控制電路對其給予一定的補償。由于在開環模式下微半球陀螺的性能無法得到保障，因此，閉環測控電路成為了微半球陀螺測控電路的研究重點。

隨著數字電路技術的快速發展，數字信號處理能力越來越強，越來越多的模擬電路功能可以通過數字信號處理技術來實現。早期的微陀螺數字測控系統，通常使用DSP芯片來實現其功能。與DSP相比，FPGA是一種集成了數百萬個數字邏輯元件的高性能器件。即使在低功耗和快速并行處理的情況下，它也可以執行更為復雜的數值計算、邏輯判斷和測量控制功能。2016年，上海交通大學提出了一種在FPGA平臺上實現的力反饋模式下的微半球諧振陀螺數字式閉環控制檢測方案［1］，其原理框圖如圖2所示。

圖2 上海交通大學數字測控電路原理框圖Fig.2 Block diagram of digital measurement and control circuit developed by Shanghai Jiao Tong University

與力平衡模式相比，全角度模式可以直接測量角度，可以有效避免力平衡模式因時間加分而引起的角度誤差。此外，全角度模式還具有無限的檢測帶寬和滿量程范圍。2014年，美國密西根大學設計了一種鳥巢型的微諧振陀螺的全角度數字化測控電路［2］，此電路同樣適用于微半球諧振陀螺，其原理框架如圖3所示。此電路由2個鎖相環、1個解調模塊、1個參數計算器、PI控制器和1個調制器模塊組成，這些模塊使用FPGA、片外電路和Labview組合配置而成，其測試結果得到了700（°）/s的滿量程范圍。

圖3 美國密西根大學全角度測控電路框架圖Fig.3 Frame diagram of full-angle measurement and control circuit developed by University of Michigan

2 關鍵技術

2.1 Sigma-delta

作為從模擬域到數字域的高分辨率轉換器，基于Sigma-delta調制器的模數轉換器受到了越來越多的關注。通過相對較小的修改，它們還可以用作電容式MEMS慣性傳感器的機電力反饋接口，這種接口能夠以相對適中的電路成本結合力反饋和模數轉換的優點。Sigma-delta調制器的特性在于其過采樣和噪聲整形，其可以有效降低通帶內的噪聲，從而提高檢測信號在數模轉換和模數轉換中的信噪比。Sigma-delta ADC具有功耗低、精度高、靈活性高和易于在專用集成電路中實現等優點。閉環的Sigma-delta調制系統可以顯著提高讀出信號的動態范圍，并且有效抑制由于工藝誤差導致的性能衰減問題。

2012年，英國南安普頓大學給出了一種新型的高階連續時間力反饋帶通機械電子Sigma-delta調制器（EMΣΔM）控制系統［3］。 該系統可用于微半球振動陀螺的檢測模態，其穩定性和性能主要取決于所選擇的架構，以及拾取電路和信號路徑中各種增益的選擇。2018年，蘇州大學提出了一種在模態匹配條件下的雙量化橫軸電容式機電Σ-Δ調制器（EM-ΣAM）振動陀螺［4］， 其原理框圖如圖 4所示。EM-ΣAM接口環路采用四階多路反饋和本地諧振器ΣAM噪聲整形結構，利用了單環調制器中的單比特和多比特量化。為了評估量化噪聲的影響，比較了多比特量化器的各種比特數，并計算了最佳比特數。

圖4 四階EM-ΣAM調制器Fig.4 Fourth-order EM-ΣAM modulator

2.2 模態匹配

當微半球陀螺的驅動模態和檢測模態具有相同的諧振頻率（模態匹配）時，陀螺的機械靈敏度和信噪比可以得到有效的提高［5］。然而，由于制造缺陷的影響，很難通過結構設計使兩種模態的諧振頻率達到完全匹配。因此，通常采用平板電容器結構的負剛度靜電效應和在平板電極施加直流電壓來改變模態頻率，從而實現模態匹配。

模態匹配方法一般可被分為2種：一次匹配和實時匹配。一次匹配又可分為手動調整和一次性自動匹配。手動調整方式通過掃描調諧電壓來執行手動調節以確定調諧電壓值，但是該過程耗時長且穩定性差。一次性自動匹配主要基于陀螺振動模態下的幅頻和相頻特性來完成。2014年，中東技術大學利用陀螺中殘余的正交信號和驅動信號之間的相位關系實現了諧振模態下的頻率匹配［6］。2008年，佐治亞理工學院利用殘余零速率輸出（ZRO）的幅度完成了微陀螺的模態匹配［7］。 當微陀螺正交歸零時，總是存在ZRO。當模態匹配時，該信號的幅度最大化，因此其可以被用作微陀螺模態匹配的指標。一次匹配方法只有當調諧電壓固定且在模態匹配之后切斷匹配環路時才能測量角速率，因此這些方法無法實現實時的模態匹配。然而，在實際應用中，陀螺模態的頻率分裂隨著環境參數的變化而變化。因此，一次性匹配不能滿足要求。

實時匹配主要可被分為外力法和系統補償法。外力法在檢測模態上施加外部負載并檢測其響應信息以實現模態匹配。2018年，蘇州大學通過在檢測模態上施加相移45°的附加力信號獲得了相位度量，并使用該相位度量通過比例積分（PI）控制器調節了調諧電壓，最終實現了實時模態匹配［8］，其結構框架如圖5所示。系統補償方法可以根據系統環境的變化自適應地調整檢測模態頻率。2015年，北京大學提出了一種基于改進模糊算法和神經網絡算法的微陀螺，實現了自動實時模態匹配控制的方法［9］。在改進的模糊控制系統中，只需要8s即可實現智能模態匹配。此外，在神經網絡實時控制系統中，在-40℃～80℃的溫度范圍內，實現了不匹配誤差＜0.32Hz。與一次匹配相比，誤差性能提高了一個數量級以上。

圖5 相移45°附加力解調（45°AFD-RM）控制系統框架Fig.5 Frame of phase-shift 45°additional force demodulation （45°AFD-RM）control system

2.3 正交補償

正交誤差是指陀螺驅動模態位移與檢測模態的直接耦合，這種誤差的來源不容易識別和控制，但是制造缺陷被認為是正交誤差的主要產生原因。由于目前的微制造技術無法制造具有完全正交驅動和檢測模態的陀螺，因此正交誤差是不可避免的。

目前，正交補償方法主要包括以下幾種：激光修整、機械結構設計和電學補償。2018年，國防科技大學利用飛秒激光技術提出了一種基于質量和剛度擾動的微陀螺正交補償方法［10］。這種方法可以實現微殼體諧振陀螺質量的微調，但其價格昂貴且操作復雜。2012年，中東技術大學設計了一種正交誤差補償電路，如圖6所示。該系統通過向傳感器的機械電極施加差分直流（DC）電位，來消除正交誤差［11］。首先，對陀螺檢測模態的輸出信號進行解調，并將得到的整流信號通過低通濾波器（LPF）以獲得正交信號的幅度信息。然后，將正交幅度與0進行比較，并將誤差輸出饋送到PI控制器，PI控制器產生直流電位ΔV差分應用于正交電極。正交消除電極的結構固有地將這些直流電位調制到驅動模態頻率，產生與驅動器位移精確同相的適當的正交消除力。

圖6 中東技術大學的正交誤差補償電路Fig.6 Quadrature error compensation circuit developed by Middle East Technical University

2.4 溫度補償

MEMS陀螺大多由硅加工制造而成。硅是一種高溫敏感材料，其物理特性隨環境溫度而變化很大，同時其結構中的機械熱噪聲也會影響陀螺的性能。過去，已有很多機構對MEMS陀螺性能與溫度的關系做出了大量的研究。2005年，加利福尼亞理工學院噴氣推進實驗室的研究表明，驅動模態和檢測模態諧振頻率與溫度呈線性關系［12］。2006年，哈爾濱工程大學采用線性振動陀螺的架構模型分析了緩慢變化的溫度對驅動和檢測模態的幅度和相位的影響［13］。2007年，Joo等人描述了溫度對陀螺封裝的影響［14］。2010年，馬里蘭大學設計了從-25℃～125℃的不同角速率的溫度實驗，并將實驗重復了500次。實驗結果表明，當MEMS陀螺在長時間的熱循環中工作時，其會產生顯著的角速度漂移［15］。目前，用于提高陀螺溫度特性的方法包括以下幾種：結構補償、材料補償、軟件算法補償和溫度控制。

2018年，劉吉利等人提出了一種基于半球陀螺自身諧振頻率的自補償方法［16］，其架構如圖7所示。該方案在原有陀螺測控電路的基礎上增加了一個溫度補償模塊，該模塊在FPGA中實現，主要包括陀螺諧振頻率檢測和陀螺零偏溫度建模2個子模塊。經過測試，該方案使得陀螺的溫度穩定性提升了一個數量級。

圖7 自補償方案架構Fig.7 Architecture of self-compensation scheme

3 結論

本文研究了微半球陀螺測控電路技術的發展現狀，并對其中的關鍵技術進行了探究。目前，大多數測控系統均采用了數字和模擬相結合、閉環驅動、開/閉環檢測的方式。為了彌補制造缺陷及適應環境變化，測控系統還需要正交補償、模態匹配和溫度補償等關鍵技術的支持。

未來，微半球陀螺測控電路中數字測控部分所占的比例會越來越高，但微半球陀螺測控電路不可能完全拋離模擬電路。因為要使陀螺產生的微弱電信號轉變為數字電路可以處理的數字信號，必須要有模擬電路對其進行相應的處理，全角度模式因其無限的檢測帶寬和滿量程范圍也成為了最近研究的熱點。Sigma-delta電路的發展可以進一步提高陀螺數據采集的精度，正交補償和模態匹配技術的發展對提高微半球陀螺的性能起著關鍵作用，實時匹配和自校準技術目前已在微半球陀螺測控電路中得到了應用。利用陀螺自身參數設計的外圍溫度補償電路的應用，擺脫了陀螺對溫度傳感器的依賴，可以簡化微半球陀螺系統的結構，進一步提高微半球陀螺對環境的適應能力。