微機械陀螺控制系統的研究現狀

張 瑤，王 歡

（陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000）

微機械陀螺在汽車電子、航空航天、國防軍事上有著越來越廣泛的應用，一個完整的微機械陀螺系統主要包括陀螺結構和控制系統兩部分。對微機械陀螺控制系統進行研究的目的在于不斷改進和提升陀螺的性能。研究發現，優秀的電路設計不僅可以充分發揮結構設計的潛力，還能夠有效抑制各種結構性缺陷。微機械陀螺控制系統有兩大功能：一是維持陀螺驅動方向振動的驅動振蕩，二是用于陀螺角速率檢測的檢測振蕩。

目前，微機械陀螺儀的市場主要被國外廠商所占領，比如接近70%的智能手機市場和平板電腦市場被意法半導體(STMicroelectronics)集團所占領，50%以上的汽車電子市場被德國博世(Bosch)公司所占領。除了眾多公司以外還有很多大學在研究微機械陀螺，比如首爾大學第一次將AGC環路應用于閉環系統，根特大學結合∑-△調制（SDM）技術進行了研究并取得了不錯的性能。目前國內研究和開發微機械陀螺儀的機構有北京大學、清華大學、國防科技大學、東南大學、西北工業大學、廈門大學、航空618所、中電13所等。文章將對微機械陀螺驅動控制系統和檢測控制系統的國內外研究現狀進行分析，探究他們之間的內在聯系以及優缺點，為微機械陀螺控制系統的設計提供思路。

1 驅動控制系統研究現狀

2004年SensoNor公司提出采用數字反饋回路和數字信號處理方式來控制MEMS振動陀螺儀系統，該方案主要由陀螺儀結構、模擬ASIC電路和FPGA主控芯片構成，與傳統的模擬解決方案相比，這種方案提高了相關算法和控制參數的靈活性。由于在數字域中進行基帶處理，因此沒有1/f噪聲，所以提高了陀螺的偏值穩定性。FPGA中數字信號處理主要包括三個模塊：閉環驅動模塊、檢測反饋模塊和輸出產生模塊，閉環驅動模塊通過自動增益控制（AGC）實現。該公司蝴蝶型陀螺儀被測試具有0.005°/sec/√Hz的最低分辨率。

2004年清華大學提出一種基于DSP的微機械陀螺數字讀出系統，為了有效減小模擬電路造成的噪聲影響，其驅動、檢測、解調等均在DSP內通過數字電路實現。驅動模態采用閉環控制，包括驅動信號振幅和相位的解算。

2007年美國JPL實驗室提出使用數字自激振蕩實現陀螺儀的閉環驅動控制。該方案采用FPGA的數字控制通過實時編程修改控制回路以適應每個陀螺儀的不同特性。驅動環路通過AGC（自動增益控制）的方式結合FIR（有限脈沖響應）濾波器來實現陀螺儀的穩幅振動。

2007年博世公司（Robert Bosch GmbH）提出了一種陀螺儀數字控制電路，驅動模態采用閉環驅動控制，通過AGC方式實現振幅恒定，通過鎖相環實現相位控制，從而保證感應元件的穩定振蕩。

2009年根特大學提出了陀螺儀的系統級方案如圖1(a)所示。該方案主要由陀螺的微機械結構、ASIC模擬接口電路以及數字系統構成。其中數字處理系統采用FPGA便于實現和重新配置，驅動環路采用閉環控制如圖1(b)所示，閉環驅動控制由數字控制正交振蕩器（DCO）實現的鎖相環和自動增益控制（AGC）環路組成。

圖1 根特大學微機械陀螺

2010年北京大學提出了一種基于FPGA的數字閉環驅動系統，如圖2所示，陀螺儀的位移幅值由控制器的自動增益控制(AGC)方式來維持，以保持穩定的幅值振動；通過鎖相環 (PLL)來控制陀螺儀相位。

圖2 北京大學陀螺儀閉環驅動控制電路系統原理圖

2011年意法半導體公司介紹了其三軸陀螺儀的控制系統，該型號為A3G4250D的陀螺儀已接近于戰術級陀螺，其量程為±245°/s，帶寬50 Hz時角度隨機游走為1.8°/√h。該陀螺儀控制系統中驅動模態是采用AGC的自激振蕩閉環驅動技術，并通過鎖相環(PLL)將驅動頻率信號倍頻后作為時鐘信號。

2014年東南大學提出一種基于集成溫度傳感器的陀螺儀數字化溫度補償系統，原理如圖3所示，陀螺儀控制系統中采用PLL（鎖相環）+AGC（自動增益控制）的閉環驅動方式，采用電橋電路將陀螺的表頭溫度通過差分放大器和ADC采集到FPGA中，系統中同時集成了零偏補償模塊和標度因數補償模塊。

圖3 東南大學硅微機械陀螺測控電路系統

2 檢測控制系統研究現狀

2004年清華大學提出的一種基于DSP的微機械陀螺數字讀出系統中檢測模態采用開環控制方式，通過RS232接口將輸出信號直接傳輸至計算機。

2007年博世公司（Robert Bosch GmbH）提出了一種陀螺儀數字控制電路，該方案由閉環驅動控制、閉環檢測等多部分組成，其中除了前端的電容檢測外其他信號均是通過數字方式進行處理。閉環檢測采用機電結合SDM技術，并且加入了溫度補償算法和正交誤差補償模塊。閉環檢測在提高陀螺線性度和擴展其帶寬的同時增強了陀螺的環境穩定性。在帶寬60 Hz時，文中陀螺儀的噪聲密度為0.004°/sec/√Hz，在陀螺儀啟動600s后其偏置穩定性達到1.35°/h。

2009年根特大學提出的陀螺儀系統級方案中檢測環路采用閉環控制，如圖4所示，閉環檢測環路由四階機電結合（SDM）反饋控制實現。力反饋的使用使得動態范圍遠遠超過了對較大正交誤差在數字實現上的校正要求，陀螺儀系統具有0.025°/sec/√Hz的本底噪聲。

圖4 根特大學微機械陀螺檢測環路原理圖

2013年北京大學提出了一種力反饋控制系統，在檢測模態中含有科氏力再平衡控制環和正交再平衡控制環兩個閉環回路，經測試該陀螺儀的非線性為0.09%、帶寬為94.8 Hz、偏置穩定性為4.0deg /h。除了最主要的兩個功能驅動和檢測外，在其電路系統中還采用了比例因子補償、正交補償、模態匹配及溫度補償等各類電子技術。

3 控制系統研究現狀總結

通過對近年來國內外最新的相關研究成果研究發現，在硅微陀螺控制系統中，結構成熟的閉環驅動電路已成為標配，主要有以下兩種方案：一是廣泛應用于模擬電路中的具有AGC環路的自激振蕩閉環驅動，驅動信號常用正弦波和方波，優點在于電路易于實現，缺點在于噪聲和漂移較大，易于受外界環境影響；二是廣泛應用于數字電路中的AGC+PLL的自激鎖相閉環驅動，優點在于功耗低、集成度高、穩定性好，易于調試，但電路設計較為復雜。

檢測控制系統通常有兩種模式：開環檢測和閉環檢測。開環檢測易于實現，可減少額外的噪聲并且效率高，但是穩定性差，帶寬有限；與開環檢測相比較，閉環檢測穩定性更高，可大大減小溫度對陀螺輸出信號的影響，同時還可有效減少機械沖擊以及振動等不利的環境因素對陀螺靈敏度的影響；但閉環檢測結構復雜，一般需要配置溫度補償模塊、正交補償模塊并且進行模態匹配等，而且針對不同的陀螺結構還需要單獨配置不同電路，因此閉環檢測多用于高性能陀螺中。

隨著微機械陀螺控制系統的不斷優化發展，除了常規配置的驅動控制系統和檢測控制系統以外，微機械陀螺控制系統還采用了各類電子技術，比如機電結合技術、模態匹配技術、溫度控制和補償技術以及正交補償技術等，這些技術的應用可在一定程度上提高微機械陀螺的穩定性、精度以及靈敏度，但電路設計較為復雜、制作成本高。

總的來說，適當的控制系統可以有效改善結構設計缺陷和制造加工缺陷，減少工作環境等因素對陀螺的影響，因此將現有的最具代表性的微機械陀螺的控制系統的特征總結如表1所示。

表1 微機械陀螺電路總結

典型數字電路驅動電路 在同一芯片上基于DSP或FPGA實現、低功耗、高集成度、高穩定性、易于調試、自處理檢測電路機電結合技術（SDM）特殊電路在數字域通過閉壞控制實現、良好的動態范圍和穩定性、高精度和集成度模態匹配技術 超髙靈敏度、高精度、低帶寬溫度控制和補償技術 在很大程度上降低溫度漂移、精度高、魯棒性好、需要額外電路正交補償技術 高精度、復雜的控制系統、高成本特殊技術陀螺儀陣列 低成本、高效率、復雜的信號處理、大體積自校準 簡化操作、降低費用和時間消耗、應用于一些特殊的陀螺儀