陳 鶴，丁徐鍇，李宏生

(東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，微慣性?xún)x表與先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210096)

0 引言

微半球諧振陀螺儀是一種基于哥氏效應(yīng)的陀螺儀，利用半球殼唇緣的徑向振動(dòng)駐波進(jìn)動(dòng)效應(yīng)來(lái)檢測(cè)基座旋轉(zhuǎn)角度。具有性能好、可靠性高、抗輻射、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、斷電可輸出等突出優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前慣性器件的重要發(fā)展趨勢(shì)[1-3]。

傳統(tǒng)的微半球控制系統(tǒng)電極作用固定，大多采用連續(xù)非對(duì)稱(chēng)激勵(lì)、二位置讀出的方式，難以抵消陀螺儀和底座存在偏心時(shí)的讀出誤差，且難以避免模態(tài)耦合誤差帶來(lái)的零位漂移[4-6]。張悅等[7]首次提出了分時(shí)復(fù)用電極方案，兼顧對(duì)稱(chēng)差分激勵(lì)、四位置檢測(cè)讀出，改善了零偏穩(wěn)定性，抑制了模態(tài)間的耦合干擾，但未評(píng)估噪聲性能?，F(xiàn)有的針對(duì)陀螺輸出信號(hào)去噪方法基本是從算法出發(fā)直接處理輸出信號(hào)，趙宣懿等[8]通過(guò)小波閾值對(duì)陀螺輸出信號(hào)進(jìn)行去噪處理；吳佳慧等[9]提出了融合自適應(yīng)卡爾曼和小波的MEMS陀螺去噪方法，抑制了信號(hào)中野值對(duì)濾波發(fā)散的影響，降低了陀螺儀低頻信號(hào)中的噪聲。但目前仍未有針對(duì)微半球陀螺分時(shí)控制系統(tǒng)硬件電路特點(diǎn)去噪方法的研究。根據(jù)陀螺工作狀態(tài)切換特點(diǎn)，從硬件電路入手，簡(jiǎn)單有效且可以和卡爾曼濾波等去噪算法結(jié)合降噪。

為此，本文通過(guò)對(duì)讀出信號(hào)產(chǎn)生毛刺的現(xiàn)象進(jìn)行機(jī)理分析，提出了增加卸荷通道的分時(shí)控制系統(tǒng)，并經(jīng)過(guò)電路仿真和實(shí)驗(yàn)證明了該方案對(duì)改善信號(hào)質(zhì)量的有效性。本文采用力反饋方式，并將維持半球陀螺四波幅穩(wěn)定的模態(tài)稱(chēng)為驅(qū)動(dòng)模態(tài)，感知出哥氏力的模態(tài)稱(chēng)為檢測(cè)模態(tài)，在陀螺電極施力稱(chēng)為激勵(lì)，監(jiān)測(cè)陀螺電極的輸出信號(hào)稱(chēng)為讀出。

1 增加卸荷通道降噪機(jī)理分析

分時(shí)控制系統(tǒng)中，陀螺電極在同一時(shí)間段全部工作在激勵(lì)或讀出狀態(tài)。當(dāng)微半球陀螺工作在激勵(lì)狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)模態(tài)4個(gè)電極與諧振子組成的2組電容被施加交流激勵(lì)力，檢測(cè)模態(tài)同理。如圖1(a)所示，A點(diǎn)電壓VA為

VA=Vdc

(1)

式中Vdc為施加在諧振子上的直流電壓，V。

B點(diǎn)電壓VB為

VB=Vacsin(ωdt)

(2)

式中：Vac為施加在電極上的交流電壓幅值，V；ωd為陀螺諧振頻率，Hz。

則激勵(lì)狀態(tài)下，電容電壓Vd為

Vd=VA-VB=Vdc-Vacsin(ωdt)

(3)

若t1時(shí)刻微半球陀螺工作狀態(tài)直接切換到讀出狀態(tài)，如圖1(b)所示，交流激勵(lì)源瞬間斷開(kāi)，則A點(diǎn)電壓VA為

VA=Vdc

(4)

B點(diǎn)后接運(yùn)放，由虛短虛斷定理可知，B點(diǎn)虛地，電壓VB為0。

則讀出狀態(tài)下，電容電壓Vr為

Vr=VA-VB=Vdc

(5)

由式(3)、式(5)可知，陀螺電容電壓突變，電容積累的電荷通過(guò)反饋電阻瞬間釋放，導(dǎo)致讀出信號(hào)出現(xiàn)毛刺，增加系統(tǒng)噪聲。

而增加卸荷通道后，陀螺工作狀態(tài)為激勵(lì)—卸荷—讀出—卸荷循環(huán)，當(dāng)陀螺由激勵(lì)狀態(tài)切換到卸荷狀態(tài)時(shí)，交流激勵(lì)源斷開(kāi)，電容累積的電荷被釋放，如圖1(c)所示。A點(diǎn)電壓VA為

(a)激勵(lì)狀態(tài)

VA=Vdc

(6)

陀螺電極與諧振子組成的電容為pF級(jí)，則電容的阻抗ZC為108量級(jí)，卸荷通道的電阻R小于103量級(jí)，ZC>>R，因此，B點(diǎn)電壓VB為

VB≈0

(7)

則卸荷狀態(tài)下，電容電壓Vl為

Vl=VA-VB=Vdc

(8)

此時(shí)電容電壓變?yōu)橹绷麟妷篤dc，再由卸荷狀態(tài)切換到讀出狀態(tài)時(shí)，由式(5)、式(8)可知，陀螺電容電壓仍為直流電壓Vdc，有效削弱工作狀態(tài)切換時(shí)電荷釋放帶來(lái)的沖激響應(yīng)，抑制讀出信號(hào)的毛刺，改善讀出信號(hào)質(zhì)量，降低系統(tǒng)噪聲。

2 仿真分析

根據(jù)對(duì)陀螺讀出信號(hào)的分析，在Multisim環(huán)境中建立陀螺工作狀態(tài)切換電路仿真模型以驗(yàn)證方法的有效性。將所選開(kāi)關(guān)芯片的SPICE模型導(dǎo)入Multisim，開(kāi)關(guān)控制信號(hào)由脈沖信號(hào)代替，陀螺使用靜態(tài)電容代替，C/V轉(zhuǎn)換使用跨阻放大器。根據(jù)陀螺諧振頻率和斷開(kāi)激勵(lì)后的衰減函數(shù)設(shè)置仿真周期為80 ms，不帶卸荷通道的工作狀態(tài)為激勵(lì)(40 ms)—讀出(40 ms)循環(huán)切換。工作狀態(tài)切換電路示意圖如圖2所示，陀螺輸出信號(hào)如圖3所示。

圖2 工作狀態(tài)切換電路示意圖

(a)激勵(lì)電壓

仿真表明，不帶卸荷通道的電路輸出信號(hào)毛刺明顯，是激勵(lì)/讀出狀態(tài)直接切換時(shí)，電壓突變，電荷瞬間釋放導(dǎo)致的。毛刺的存在會(huì)干擾有效信號(hào)的讀取，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能。為此，增加卸荷通道進(jìn)行改進(jìn)，工作狀態(tài)為激勵(lì)(32 ms)—卸荷(8 ms)—讀出(32 ms)—卸荷(8 ms)循環(huán)切換。帶卸荷通道的狀態(tài)切換電路示意圖如圖4所示，陀螺輸出信號(hào)如圖5所示。

圖4 帶卸荷通道的工作狀態(tài)切換電路示意圖

(a)激勵(lì)電壓

仿真結(jié)果表明，增加卸荷通道后，由卸荷狀態(tài)切換為讀出狀態(tài)時(shí)，電容電壓不突變，陀螺每周期先釋放電荷再進(jìn)行信號(hào)讀出，抑制了沖激信號(hào)對(duì)讀出信號(hào)的干擾，明顯削弱了讀出電壓的毛刺，利于有效信號(hào)的讀取和系統(tǒng)噪聲性能的提升，相較于不帶卸荷通道的電路能更好地滿(mǎn)足分時(shí)系統(tǒng)需求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和測(cè)控系統(tǒng)

為驗(yàn)證帶卸荷通道的分時(shí)激勵(lì)/讀出系統(tǒng)抑制讀出信號(hào)的毛刺、降低系統(tǒng)噪聲的有效性，搭建實(shí)驗(yàn)電路對(duì)微半球陀螺進(jìn)行試驗(yàn)和測(cè)試。微半球陀螺儀實(shí)驗(yàn)電路如圖6所示。

圖6 微半球陀螺儀實(shí)驗(yàn)電路

微半球陀螺儀分時(shí)控制系統(tǒng)原理圖如圖7所示。相差180°的電極并聯(lián)進(jìn)行分時(shí)復(fù)用，由開(kāi)關(guān)控制激勵(lì)、卸荷、讀出通道的切換，使陀螺任一時(shí)間段都工作在同樣的狀態(tài)。此外，微半球陀螺儀檢測(cè)模態(tài)讀出信號(hào)準(zhǔn)確反映輸入角速度信息需驅(qū)動(dòng)模態(tài)恒幅工作在諧振狀態(tài)上，并在檢測(cè)模態(tài)抑制正交誤差。因此，系統(tǒng)包含4條回路：控制驅(qū)動(dòng)模態(tài)幅值恒定的幅度控制回路；控制驅(qū)動(dòng)模態(tài)相位誤差的頻率控制回路；抑制正交誤差的正交控制回路；使駐波固定的力平衡控制回路[10]。

圖7 微半球陀螺分時(shí)控制系統(tǒng)原理圖

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

將陀螺固定在測(cè)試臺(tái)上，接通電源，計(jì)算機(jī)以1 Hz的頻率進(jìn)行采樣，采樣1 h后關(guān)閉電源。陀螺分時(shí)系統(tǒng)不帶卸荷通道的陀螺輸出信號(hào)、帶卸荷通道的陀螺輸出信號(hào)如圖8、圖9所示。陀螺噪聲性能對(duì)比見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，帶卸荷通道的分時(shí)系統(tǒng)輸出信號(hào)均方差比優(yōu)化前降低了67%。

圖8 不帶卸荷通道的微半球陀螺輸出信號(hào)

圖9 帶卸荷通道的微半球陀螺輸出信號(hào)

表1 陀螺噪聲性能對(duì)比

4 結(jié)論

本文針對(duì)分時(shí)對(duì)稱(chēng)激勵(lì)/讀出數(shù)字控制系統(tǒng)存在陀螺輸出信號(hào)有毛刺的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了帶卸荷通道的分時(shí)控制系統(tǒng)，保證陀螺每個(gè)周期切換至讀出狀態(tài)時(shí)電容兩端電壓不突變，降低陀螺輸出信號(hào)的噪聲。測(cè)試結(jié)果表明，帶卸荷通道的分時(shí)激勵(lì)/讀出系統(tǒng)有效抑制了讀出信號(hào)的毛刺，陀螺輸出信號(hào)的均方差和角度隨機(jī)游走明顯降低，具有應(yīng)用價(jià)值。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的有效性，采用Allan方差法對(duì)微半球陀螺儀噪聲性能進(jìn)行評(píng)估，零輸入時(shí)，不帶卸荷通道、帶卸荷通道的陀螺輸出信號(hào)的Allan方差曲線(xiàn)如圖10所示。

圖10 分時(shí)控制系統(tǒng)Allan方差

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，帶卸荷通道的分時(shí)控制系統(tǒng)有效降低了讀出信號(hào)的噪聲。角度隨機(jī)游走是構(gòu)成陀螺漂移的主要噪聲項(xiàng)，由表1可見(jiàn)，Allan方差擬合得到的帶卸荷通道的系統(tǒng)輸出信號(hào)角度隨機(jī)游走比改進(jìn)前降低了52%。綜上，本文提出的在陀螺工作狀態(tài)切換中增加卸荷狀態(tài)法能有效降低陀螺儀噪聲。