微机械陀螺控制系统的研究现状

张 瑶，王 欢

（陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000）

微机械陀螺在汽车电子、航空航天、国防军事上有着越来越广泛的应用，一个完整的微机械陀螺系统主要包括陀螺结构和控制系统两部分。对微机械陀螺控制系统进行研究的目的在于不断改进和提升陀螺的性能。研究发现，优秀的电路设计不仅可以充分发挥结构设计的潜力，还能够有效抑制各种结构性缺陷。微机械陀螺控制系统有两大功能：一是维持陀螺驱动方向振动的驱动振荡，二是用于陀螺角速率检测的检测振荡。

目前，微机械陀螺仪的市场主要被国外厂商所占领，比如接近70%的智能手机市场和平板电脑市场被意法半导体(STMicroelectronics)集团所占领，50%以上的汽车电子市场被德国博世(Bosch)公司所占领。除了众多公司以外还有很多大学在研究微机械陀螺，比如首尔大学第一次将AGC环路应用于闭环系统，根特大学结合∑-△调制（SDM）技术进行了研究并取得了不错的性能。目前国内研究和开发微机械陀螺仪的机构有北京大学、清华大学、国防科技大学、东南大学、西北工业大学、厦门大学、航空618所、中电13所等。文章将对微机械陀螺驱动控制系统和检测控制系统的国内外研究现状进行分析，探究他们之间的内在联系以及优缺点，为微机械陀螺控制系统的设计提供思路。

1 驱动控制系统研究现状

2004年SensoNor公司提出采用数字反馈回路和数字信号处理方式来控制MEMS振动陀螺仪系统，该方案主要由陀螺仪结构、模拟ASIC电路和FPGA主控芯片构成，与传统的模拟解决方案相比，这种方案提高了相关算法和控制参数的灵活性。由于在数字域中进行基带处理，因此没有1/f噪声，所以提高了陀螺的偏值稳定性。FPGA中数字信号处理主要包括三个模块：闭环驱动模块、检测反馈模块和输出产生模块，闭环驱动模块通过自动增益控制（AGC）实现。该公司蝴蝶型陀螺仪被测试具有0.005°/sec/√Hz的最低分辨率。

2004年清华大学提出一种基于DSP的微机械陀螺数字读出系统，为了有效减小模拟电路造成的噪声影响，其驱动、检测、解调等均在DSP内通过数字电路实现。驱动模态采用闭环控制，包括驱动信号振幅和相位的解算。

2007年美国JPL实验室提出使用数字自激振荡实现陀螺仪的闭环驱动控制。该方案采用FPGA的数字控制通过实时编程修改控制回路以适应每个陀螺仪的不同特性。驱动环路通过AGC（自动增益控制）的方式结合FIR（有限脉冲响应）滤波器来实现陀螺仪的稳幅振动。

2007年博世公司（Robert Bosch GmbH）提出了一种陀螺仪数字控制电路，驱动模态采用闭环驱动控制，通过AGC方式实现振幅恒定，通过锁相环实现相位控制，从而保证感应元件的稳定振荡。

2009年根特大学提出了陀螺仪的系统级方案如图1(a)所示。该方案主要由陀螺的微机械结构、ASIC模拟接口电路以及数字系统构成。其中数字处理系统采用FPGA便于实现和重新配置，驱动环路采用闭环控制如图1(b)所示，闭环驱动控制由数字控制正交振荡器（DCO）实现的锁相环和自动增益控制（AGC）环路组成。

图1 根特大学微机械陀螺

2010年北京大学提出了一种基于FPGA的数字闭环驱动系统，如图2所示，陀螺仪的位移幅值由控制器的自动增益控制(AGC)方式来维持，以保持稳定的幅值振动；通过锁相环 (PLL)来控制陀螺仪相位。

图2 北京大学陀螺仪闭环驱动控制电路系统原理图

2011年意法半导体公司介绍了其三轴陀螺仪的控制系统，该型号为A3G4250D的陀螺仪已接近于战术级陀螺，其量程为±245°/s，带宽50 Hz时角度随机游走为1.8°/√h。该陀螺仪控制系统中驱动模态是采用AGC的自激振荡闭环驱动技术，并通过锁相环(PLL)将驱动频率信号倍频后作为时钟信号。

2014年东南大学提出一种基于集成温度传感器的陀螺仪数字化温度补偿系统，原理如图3所示，陀螺仪控制系统中采用PLL（锁相环）+AGC（自动增益控制）的闭环驱动方式，采用电桥电路将陀螺的表头温度通过差分放大器和ADC采集到FPGA中，系统中同时集成了零偏补偿模块和标度因数补偿模块。

图3 东南大学硅微机械陀螺测控电路系统

2 检测控制系统研究现状

2004年清华大学提出的一种基于DSP的微机械陀螺数字读出系统中检测模态采用开环控制方式，通过RS232接口将输出信号直接传输至计算机。

2007年博世公司（Robert Bosch GmbH）提出了一种陀螺仪数字控制电路，该方案由闭环驱动控制、闭环检测等多部分组成，其中除了前端的电容检测外其他信号均是通过数字方式进行处理。闭环检测采用机电结合SDM技术，并且加入了温度补偿算法和正交误差补偿模块。闭环检测在提高陀螺线性度和扩展其带宽的同时增强了陀螺的环境稳定性。在带宽60 Hz时，文中陀螺仪的噪声密度为0.004°/sec/√Hz，在陀螺仪启动600s后其偏置稳定性达到1.35°/h。

2009年根特大学提出的陀螺仪系统级方案中检测环路采用闭环控制，如图4所示，闭环检测环路由四阶机电结合（SDM）反馈控制实现。力反馈的使用使得动态范围远远超过了对较大正交误差在数字实现上的校正要求，陀螺仪系统具有0.025°/sec/√Hz的本底噪声。

图4 根特大学微机械陀螺检测环路原理图

2013年北京大学提出了一种力反馈控制系统，在检测模态中含有科氏力再平衡控制环和正交再平衡控制环两个闭环回路，经测试该陀螺仪的非线性为0.09%、带宽为94.8 Hz、偏置稳定性为4.0deg /h。除了最主要的两个功能驱动和检测外，在其电路系统中还采用了比例因子补偿、正交补偿、模态匹配及温度补偿等各类电子技术。

3 控制系统研究现状总结

通过对近年来国内外最新的相关研究成果研究发现，在硅微陀螺控制系统中，结构成熟的闭环驱动电路已成为标配，主要有以下两种方案：一是广泛应用于模拟电路中的具有AGC环路的自激振荡闭环驱动，驱动信号常用正弦波和方波，优点在于电路易于实现，缺点在于噪声和漂移较大，易于受外界环境影响；二是广泛应用于数字电路中的AGC+PLL的自激锁相闭环驱动，优点在于功耗低、集成度高、稳定性好，易于调试，但电路设计较为复杂。

检测控制系统通常有两种模式：开环检测和闭环检测。开环检测易于实现，可减少额外的噪声并且效率高，但是稳定性差，带宽有限；与开环检测相比较，闭环检测稳定性更高，可大大减小温度对陀螺输出信号的影响，同时还可有效减少机械冲击以及振动等不利的环境因素对陀螺灵敏度的影响；但闭环检测结构复杂，一般需要配置温度补偿模块、正交补偿模块并且进行模态匹配等，而且针对不同的陀螺结构还需要单独配置不同电路，因此闭环检测多用于高性能陀螺中。

随着微机械陀螺控制系统的不断优化发展，除了常规配置的驱动控制系统和检测控制系统以外，微机械陀螺控制系统还采用了各类电子技术，比如机电结合技术、模态匹配技术、温度控制和补偿技术以及正交补偿技术等，这些技术的应用可在一定程度上提高微机械陀螺的稳定性、精度以及灵敏度，但电路设计较为复杂、制作成本高。

总的来说，适当的控制系统可以有效改善结构设计缺陷和制造加工缺陷，减少工作环境等因素对陀螺的影响，因此将现有的最具代表性的微机械陀螺的控制系统的特征总结如表1所示。

表1 微机械陀螺电路总结

典型数字电路驱动电路 在同一芯片上基于DSP或FPGA实现、低功耗、高集成度、高稳定性、易于调试、自处理检测电路机电结合技术（SDM）特殊电路在数字域通过闭坏控制实现、良好的动态范围和稳定性、高精度和集成度模态匹配技术 超髙灵敏度、高精度、低带宽温度控制和补偿技术 在很大程度上降低温度漂移、精度高、鲁棒性好、需要额外电路正交补偿技术 高精度、复杂的控制系统、高成本特殊技术陀螺仪阵列 低成本、高效率、复杂的信号处理、大体积自校准 简化操作、降低费用和时间消耗、应用于一些特殊的陀螺仪