金 麗，郭春宏，易 進，張 瑞，辛晨光，李孟委

(1.中北大學儀器與電子學院，山西太原 030051；2.中北大學前沿交叉科學研究院，山西太原 030051；3.中北大學，儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051；4.中北大學信息與通信工程學院，山西太原 030051)

0 引言

近些年來隨著MEMS技術的快速發(fā)展，微機械陀螺以其體積小、功耗低、成本低、靈敏度高、可集成化等優(yōu)點，廣泛應用在電子、汽車、工業(yè)控制系統(tǒng)和慣性導航等方面[1-4]。因此需要具有更高靈敏度、更低噪聲的MEMS陀螺[5-7]。為了提高MEMS陀螺的性能，很多小組相繼開展了對MEMS陀螺微弱科里奧利力檢測的研究。大多數MEMS陀螺通常采用電容式[8-9]、壓電式[10-11]或是壓阻式[12-13]等來實現，電容式陀螺發(fā)展較為成熟，但由于易受電磁干擾，其靈敏度已達到其極限水平；壓電式陀螺由于偏置穩(wěn)定性和校正速度影響不利于連續(xù)性測試；而壓阻式陀螺其固有的溫度效應使得靈敏度很難提高。

為了進一步提高MEMS陀螺的靈敏度，提出基于隧道磁阻效應(TMR)微機械陀螺結構。由于受工藝以及材料隨溫度的變化情況因素影響，造成微陀螺的諧振頻率發(fā)生改變，進而驅動位移發(fā)生變化，最終導致陀螺靈敏度漂移和測量穩(wěn)定性下降等后果。另外，當陀螺驅動模態(tài)穩(wěn)定在諧振點時，為提高陀螺的抗干擾能力，需要使驅動模態(tài)的幅值保持恒定。因此，許多小組提出一些方法對陀螺的驅動模態(tài)進行精準的測量與控制[14-18]。比如，提出采用自動模態(tài)匹配控制的方法來消除溫度對陀螺模態(tài)匹配的影響[14]，利用數字式微機械陀螺驅動閉環(huán)控制系統(tǒng)來提高微機械陀螺的檢測靈敏度[16]以及采用模糊控制的方法對幅值進行恒定控制[17]等。

本文在對隧道磁阻效應微陀螺驅動系統(tǒng)理論研究的基礎上，提出一種基于自動增益控制和鎖相環(huán)的雙閉環(huán)驅動回路。在微機械陀螺驅動模態(tài)幅頻和相頻特性分析的基礎上，采用Simulink搭建了雙閉環(huán)驅動控制回路模型。當驅動模態(tài)的幅值和微陀螺的固有頻率發(fā)生變化時，采用雙閉環(huán)驅動電路系統(tǒng)可以很快地達到平衡，幅值和頻率達到穩(wěn)態(tài)的振蕩時間分別為20 ms和50 ms，遠小于傳統(tǒng)閉環(huán)驅動電路的響應時間，驗證了設計方案的可行性。

1 隧道磁阻微陀螺雙閉環(huán)驅動理論分析

1.1 隧道磁阻效應微陀螺工作原理

基于隧道磁阻效應面內微陀螺結構主要由兩部分組成，如圖1所示。上層表示MEMS陀螺的結構層，驅動導線和通電線圈均布在陀螺結構的表面，通電線圈在驅動方向將產生均勻磁場，在檢測方向產生具有高變化率的磁場。下層表示襯底層，2個驅動磁體位于襯底層的兩側，在驅動方向上提供勻強磁場，感應磁場變化的隧道磁阻器件(TMR)置于襯底層中間，其感應磁場沿y軸方向。當在驅動導線電極上施加電壓時，微陀螺結構(包括驅動質量塊和檢測質量塊)在電磁力驅動作用下，沿x軸方向做往復運動。如果在z軸方向上有一角速度Ω，檢測質量塊和通電線圈在科里奧利力作用下沿y軸方向移動。隧道磁阻效應是指發(fā)生在鐵磁-絕緣體薄膜-鐵磁間的隧穿效應，當絕緣層足夠薄時，電子可從一個鐵磁體隧穿至另一個鐵磁體，從而改變磁性材料的電阻。由于磁阻結對磁場的微弱變化具有很高的靈敏度，所以利用此特性可用于對微弱科里奧利力的檢測。由于隧道磁阻器件對y軸方向上磁場的微弱變化具有較高的靈敏度，所以在科里奧利力作用下檢測方向產生的位移將直接影響TMR器件所感知的磁場大小，進而改變TMR器件的電阻值。因此，隧道磁阻微陀螺的角速度Ω大小可通過測量TMR器件的輸出電壓獲得。

圖1 隧道磁阻微陀螺結構原理圖

1.2 隧道磁阻效應微陀螺驅動理論分析

根據隧道磁阻效應微機械陀螺的工作原理，其等效動力學模型如圖2所示。若質量塊在x方向受到周期性作用力Ft=Fsinωt的作用，可以得到驅動方向的動力學方程為

圖2 隧道磁阻微陀螺等效動力學模型

(1)

式中：mx為驅動質量塊的質量；cx為驅動模態(tài)的阻尼系數；kx為驅動模態(tài)的彈性系數；ω為驅動力的頻率。

通過求解微分方程(1)可得驅動位移表達式為

(2)

由式(2)中可以看出，第一項表示為指數衰減的瞬態(tài)項，當微陀螺工作在穩(wěn)態(tài)下，可以將瞬態(tài)項去除，只留下起作用的穩(wěn)態(tài)項，因此在穩(wěn)定情況下驅動模態(tài)的振動位移表示為

x(t)=Bxsin(ωt-φx)

(3)

式中，驅動質量塊振動幅值和相位分別表示為：

(4)

(5)

式中Bf為驅動信號的幅值。

根據幅值式(4)及相位式(5)進行幅頻特性和相頻特性仿真，結果如圖3所示。

(a) 驅動模態(tài)的幅頻特性曲線

(b) 驅動模態(tài)的相頻特性曲線圖3 驅動模態(tài)的特性曲線

由圖3所示的幅頻和相頻特性曲線可知，當驅動信號的頻率與驅動模態(tài)固有頻率相等時發(fā)生諧振，此時振動位移最大，且此時激勵信號和激勵響應信號間的相位差為-90°。由于驅動質量塊振動幅值Bx及頻差(ω-ωx)將直接影響陀螺結構靈敏度，為了使得陀螺具有更高的靈敏度，通常將驅動信號的頻率設置在其固有頻率位置處。但是由于外界溫度或者其他因素影響，陀螺固有頻率的變化將直接導致陀螺靈敏度的變化，影響陀螺的測量精度，因此對陀螺驅動頻率進行閉環(huán)控制成為了必然。除此之外，為了提高陀螺的抗干擾能力，使驅動模態(tài)的振動幅值保持恒定或者是可快速恢復到目標值，則需要進行穩(wěn)幅控制。所以，下面將介紹采用雙閉環(huán)驅動電路系統(tǒng)的設計，包括基于自動增益控制(AGC)的穩(wěn)幅控制和基于鎖相環(huán)(PLL)的驅動頻率控制。

2 雙閉環(huán)驅動電路系統(tǒng)設計及分析

2.1 雙閉環(huán)驅動電路工作原理

文中設計了基于AGC-PLL雙閉環(huán)驅動控制電路，基本原理圖如圖4所示。該控制系統(tǒng)主要分為2部分，一是微機械陀螺的驅動模態(tài)模型，其中KνF表示驅動電壓在驅動導線上產生的安培力之間的比例大小，Kxν表示驅動反饋導線位移與動生電動勢之間的比例關系。二是AGC-PLL雙閉環(huán)驅動控制環(huán)路。在頻率控制環(huán)路中，驅動反饋信號與驅動信號的相位差信息通過相位調制解調獲得，經低通濾波后輸入到壓控振蕩器中，最終壓控振蕩器輸出一個頻率可控的驅動信號(壓控振蕩器的輸出頻率大小等于振蕩器的中心頻率與控制電壓與頻率控制系數乘積之和)。而驅動反饋電壓的穩(wěn)幅控制通過自動增益環(huán)路來實現，自動增益控制是一種使放大電路的增益自動地隨信號強度調整的自動控制方法。在驅動控制電路系統(tǒng)中，驅動反饋信號經運放電路后進行幅度正交解調得到驅動反饋信號的幅值，經低通濾波器處理以后，驅動反饋幅值信號與參考信號Ar進行比較之后得到幅值誤差信號，通過PI控制器對幅值進行自動增益調節(jié)，調節(jié)后的幅度信號與PLL輸出的振蕩信號通過乘法器做積，作為微機械陀螺驅動模態(tài)的激勵信號。這樣在頻率和幅度控制上形成一個雙閉環(huán)控制，當實際的驅動頻率和模態(tài)的固有頻率不匹配時或是實際幅值與目標幅值不一致時，通過整個負反饋環(huán)路可實時地進行調節(jié)。

2.2 雙閉環(huán)驅動電路Simulink仿真與分析

為了對陀螺雙閉環(huán)驅動控制進行系統(tǒng)級仿真驗證，搭建了隧道磁阻微陀螺AGC-PLL雙閉環(huán)驅動系統(tǒng)Simulink模型，如圖5所示。整個模型分為以下3個部分：第一部分是根據微機械陀螺驅動模態(tài)的動力學方程搭建的陀螺驅動模擬模塊，該模塊是1個二階系統(tǒng)。第二部分是陀螺驅動模態(tài)的幅度控制模塊，該部分主要包括基于正交解調的鑒幅器及PID控制等部分，其中用于正交幅度解調的兩路解調信號相位相差90°。該環(huán)路主要是對陀螺諧振時質量塊的振動幅值進行控制。第三部分是陀螺驅動模態(tài)的頻率控制模塊，該部分采用乘法器和低通濾波器實現對陀螺輸入信號和輸出信號的相位鑒別，經PID后的誤差信號輸入控制壓控振蕩器，壓控振蕩器VCO的輸出作為驅動的激勵信號。此環(huán)路的作用是為了保證驅動信號的頻率能夠實時與陀螺驅動模態(tài)的固有頻率相同，以保證獲取最大的結構靈敏度。

圖5 隧道磁阻微陀螺雙閉環(huán)驅動系統(tǒng)Simulink模型

利用Simulink模型完成微陀螺閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真，仿真結果如圖6所示。圖6(a)表示驅動信號穩(wěn)幅的控制結果，從圖中可以看出，當處于穩(wěn)定振蕩狀態(tài)時，其幅度為一常數。當由于外界因素引起幅度變化時，幅值又會很快地達到穩(wěn)定，其振蕩時間約為20 ms。圖6(b)表示利用鎖相環(huán)穩(wěn)頻控制的結果，圖中數據表示壓控振蕩器的控制信號。當實現閉環(huán)穩(wěn)頻控制時，壓控振蕩器的控制信號為一常數。從結果中可以看出，當經過50 ms后達到穩(wěn)態(tài)。并且當驅動信號頻率大于或者低于驅動模態(tài)固有頻率時均可以實現較快的調節(jié)，使驅動信號的頻率與陀螺驅動模態(tài)的諧振頻率進行匹配。

(a) 穩(wěn)幅驅動控制

(b) 穩(wěn)頻驅動控制圖6 雙閉環(huán)驅動控制系統(tǒng)Simulink仿真結果

3 結束語

為了解決微機械陀螺靈敏度漂移和測量穩(wěn)定性下降等問題，本文提出了一種基于自動增益控制和鎖相環(huán)的雙閉環(huán)驅動回路方案。通過對微機械陀螺驅動模態(tài)的幅頻和相頻特性曲線研究的基礎上，分析采用雙閉環(huán)驅動控制的必要性。在介紹鎖相環(huán)和自動增益控制工作原理的基礎上，建立了Simulink系統(tǒng)級仿真模型，結果表明利用AGC-PLL雙閉環(huán)控制系統(tǒng)可實時實現穩(wěn)幅控制和頻率鎖定，幅度和頻率達到穩(wěn)態(tài)振蕩時間可降低至ms量級。該驅動電路為進一步提高陀螺靈敏度和測試精度有著重要意義。