随着MEMS技术的高速发展,硅微机械陀螺仪越来越受到人们的关注。硅微机械陀螺仪是一种测量角速度的微型传感器,具有体积小、重量轻、低功耗、低成本以及易于实现大批量生产等突出优点,其已被广泛应用于军民领域。但由于受加工工艺的限制,目前硅微机械陀螺仪的精度还比较低,制约其精度的一个重要因素是实际加工与理论设计之间存在各种误差,如弹性梁尺寸偏差、非对称性误差、残余应力、正交耦合误差等,这些都影响着硅微陀螺整体性能的提高。在现有加工工艺水平下,采用闭环检测、正交刚度校正、频率调谐等静电技术,结合灵活的数字补偿方法,能有效提高硅微机械陀螺仪的性能。本文以提高硅微机械陀螺仪性能为目的,针对课题组自主研制的具有检测反馈、正交校正以及频率调谐功能的双质量线振动全解耦硅微机械陀螺仪结构开展数字补偿与调谐技术的研究。主要研究工作及创新点如下:1、硅微机械陀螺仪驱动模态数字域闭环系统设计与实现基于数字控制系统设计方法,通过频率修正的双线性变换推导出了陀螺驱动模态的离散模型,构建了锁相环相位控制和自动增益幅度控制的数字化控制模型,给出了相位控制和幅度控制的稳定性条件。仿真和实验结果表明,陀螺数字闭环驱动系统稳定速度快、稳态精度高、环境适应性强。2、硅微机械陀螺仪检测模态闭环控制技术研究针对模态匹配状态下陀螺检测模型近似为一阶惯性环节的特点,提出采用PI控制和相位超前环节相结合的数字串联校正器,实现模态匹配状态下的闭环控制,建立了与实际数字检测电路完全对应的数模混合仿真系统,验证了设计的有效性。对陀螺数字测控系统分别进行了开环检测和闭环检测模式下的性能测试,相比于开环检测工作方式,闭环检测下陀螺标度因数的性能得到明显提升,工作带宽由6Hz拓展到93Hz。3、硅微机械陀螺仪正交校正技术研究针对硅微机械陀螺仪正交校正的结构方案,提出了正交力校正和正交刚度校正两种数字校正实现方法,设计了相应的闭环控制系统,分别进行了频域和时域仿真,验证了两种校正方法的可行性。在陀螺数字控制系统中实现了两种校正方式并进行了实验对比,结果表明,正交校正明显提升了陀螺性能,正交刚度校正的效果优于正交力校正。4、硅微机械陀螺仪模态频率自匹配技术研究基于数字测控系统的灵活性,结合陀螺模态调节结构的特点,提出了基于正交耦合信号相频特性的频率自匹配、基于低频调制激励的频率自匹配以及基于BP神经网络的频率自匹配三种模态频率匹配方法;分别进行了理论分析、仿真验证以及实验测试。结果表明,三种方法均能实现温度范围-40℃到60℃的模态频率自匹配,模态频差变化分别小于 1Hz、0.5Hz 和 0.016Hz。5、硅微机械陀螺仪数字解调算法分析与优化针对硅微机械陀螺仪信号处理对解调万法与算法的要求,设计和买现了乘法解调、最小均方解调、傅里叶解调、全相位FFT解调以及同步积分解调五种数字解调算法,在进行适当算法优化的基础上,从仿真和在FPGA电路实时运行两方面,比较了它们的启动速度、抗噪声能力、硬件资源使用率及实时解调精度,最终以同步积分解调作为硅微机械陀螺仪数字测控系统的解调算法,为提升陀螺信号处理效率与精度提供了保证。6、数字化静电补偿与调谐技术测试试验参照国产微机械陀螺测试细则,分别对硅微机械陀螺仪在“开环检测、正交闭环、模态不匹配”(模式1),“开环检测、正交闭环、模态匹配”(模式2)和“闭环检测、正交闭环、模态匹配”(模式3)三种工作模式下进行了测试试验与性能对比;结果显示工作在模式3下的硅微机械陀螺仪综合性能指标最优:相比于模式1,零偏稳定性由15.13°/h提升到1.3°/h,角度随机游走由2.63°/h/√VHz提升到1.32°/h√Hz;相比于模式2,工作范围由±100°/s增大到±400°/s,标度因数非线性度由649ppm减小到21ppm,带宽由5Hz扩展到90Hz。试验结果表明,检测闭环有效提升了标度因数特性,拓展了工作范围和带宽;模态匹配有效提升了机械灵敏度,从而提高了稳定性,降低了噪声。本文的工作为提升硅微机械陀螺仪的性能提供了一条有效技术途径,对后续新型高性能微机械陀螺仪的研究也具有一定的参考价值。