一种基于pwm技术微机械陀螺闭环驱动电路设计

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1、一种基于PWM技术微机械陀螺闭环驱动电路设计　　摘要：针对微机械振动陀螺驱动控制电路中的幅频控制要求，提出了在高品质因数下，基于PWM技术的陀螺自激驱动控制方案，并建立了系统行为分析模型。鉴于系统的高阶非线性，采用平均周期法分析了系统的行为，根据理论分析设计了闭环驱动电路。理论分析和实验表明：闭环系统是稳定的，改变占空比可以调节振动幅度；在上电随机噪声下，自激振动幅度在1h内向上漂移约为0.02%。关键词：陀螺；自激；恒幅振动；PWM中图分类号：TN911.71?34文献标识码：A文章编号：100

2、4?373X（2013）16?0098?03微机械振动陀螺驱动电路的功能是产生驱动电压使陀螺的可动质量块沿驱动方向以一定的频率做恒幅简谐振动，同时还为角速率检测电路的解调提供参考信号，因此保持陀螺驱动轴振动速度幅度的稳定性对于提高陀螺整体性能非常重要。为了保证陀螺驱动轴的振幅稳定，需对陀螺进行闭环控制，保证陀螺始终在驱动轴的谐振频率上振动，同时振动幅度恒定。5对于高品质因数微机械振动陀螺的闭环驱动，频率跟踪主要有锁相技术和自动选频技术。锁相技术根据相位差不断调整驱动电压的频率来实现频率跟踪。当品质

3、因数较大时，陀螺驱动模态的动力学模型等效为一个窄带滤波器，只有交流驱动电压频率与振梁谐振频率一致或相近时，输入才会得到放大。锁相技术远比自动选频技术复杂，同时，电路上的随机噪声中同谐振频率一致的分量会得到不断增强，其他则不断衰减，目前多采用很少元器件构成的上电自激电路的自动选频来保证频率跟踪[1?3]。对于恒幅振动的控制，多采用自动增益控制方法，通过检测振动信号的幅度与设定的参考幅度相比来自动调节驱动电压的幅度。无论是自动调节直流驱动电压幅度还是交流电压幅度，均需要外部参考直流电压[4?6]。鉴于

4、上述分析，本文拟采用基于PWM技术的自动增益控制方式，参考电压来自于输出检波幅度，减少了对元器件的需求。但无论是外部提供直流参考电压还是内部反馈，总需提取振动信号幅度的电路，这样就给系统引入了全波整流非线性环节。系统的高阶非线性，使得传统的控制理论难以分析系统的稳定条件和稳态行为。本文采用平均周期法分析基于PWM技术的陀螺自激振荡系统的行为，得到系统能够稳定的条件和稳态振动幅度表达式，然后确定了系统是稳定收敛的，最后实验设计了相应电路并对系统行为进行了实验验证。1基于PWM技术的陀螺自激驱动5基于

5、PWM技术的微机械振动陀螺闭环自激驱动系统的数学分析模型如图1所示，系统由电荷放大器、二极管整流器、一阶低通滤波器、一阶全通移相器、比较器、运算放大器等组成。首先，驱动轴输出的振动位移[x]，经过电荷放大器放大[k1]倍后，一路通过全波整流和低通滤波器，得到直流电压信号[Vc]，其中[τ]为一阶低通滤波器的时间常数，[k3]为直流增益调整系数；另一路通过移相器得到交流驱动电压[Va]，[c]为一阶全通超前移相器的参数，大小与选择的电阻和电容有关。直流电压[Vc]与交流驱动电压[Va]一起作为比较器

6、的输入，当交流电压[Va]幅值大于直流电压[Vc]时，比较器输出为高电平；当[Vc]小于[Va]时，比较器输出为低电平。[k4]为电路中方波电压幅值调整系数；[k2]为电压?静电力转换系数，大小与驱动梳齿结构有关。图1中[m]为可动结构质量，[Q]为驱动模态品质因数，[ωn]为驱动模态结构谐振频率，[r（t）]为噪声电压的等效静电驱动力，稳态时其远小于静电驱动力。为了分析陀螺驱动方向振梁行为，假定驱动模态振梁位移为[x（t）]：[x（t）=a（t）cos（ωnt+?（t））]（1）式中：[a（t）

7、]和[?（t）]为振动位移的幅度和相位，振动速度为位移的导数。由于在稳定状态时，幅度变化和相位变化较为缓慢[2，7]：5[a（t）cos（ωnt+?（t））-a（t）?（t）sin（ωnt+?（t））=0]（2）对于比较器，可以对输入输出信号进行分析，[Va]可以表示为：[Va（t）=k1a（t）cos（ωnt+?（t）+90°）=k1a（t）sin（ωnt+?（t））=k1a（t）sin（θ（t））]（3）某一时刻[t]，[A=Vc]，当[a（t）]大于[A]时，产生的方波信号将要翻转，临界条件

8、为：[k1a（t）sin（θ（t））=A]（4）求解式（4）可以得到：[θ（t）=arcsinAk1a（t）]（5）此时占空比为：[δ=12-arcsin（A（k1a（t）））π]（6）此时输出方波信号幅度假定为[Vsq]，经过隔直后得到的有效基波驱动电压幅度[a1]为：[a1=Vsq2cos（arcsin（A（k1a（t））））π=Vsq1-（A（k1a（t）））22π]（7）当陀螺的Q值较大时，令[k=k1?k2?k4]，系统的动力学方程可以表示为：将[x（t）]，[x（t）]