硅微机械陀螺自激驱动数字化技术

为了进一步增强硅微机械陀螺仪驱动模态的控制精度与稳定性,提出了一种基于自激振荡原理,以现场可编程门阵列(FPGA)为主要数字信号处理平台的驱动电路.以陀螺仪驱动模态特性为出发点,分析了自激振荡原理对驱动电路的要求.分析并建立了驱动相位控制与驱动幅度控制模型,实现了频率测量-补偿算法控制驱动环路相位,PID控制算法控制环...     

微机械谐振传感器的闭环恒幅驱动电路研究

本文分析了微机械谐振传感器的闭环工作特性,在此基础上研究了微机械谐振传感器的闭环恒幅驱动电路的设计原则,研制出闭环恒幅驱动电路,并在微谐振式真空传感器和双框架微谐振陀螺上得到应用。     

基于隧道磁阻效应微陀螺双闭环驱动电路研究

由陀螺谐振频率变化引起的陀螺灵敏度漂移和测量稳定性下降是进一步提升微陀螺性能需要解决的问题,文中提出一种基于自动增益控制和锁相环的双闭环驱动回路方法.研究了隧道磁阻微陀螺的幅频和相频特性,并利用Simulink搭建了陀螺驱动模态以及自动增益控制和锁相环双闭环控制系统模型.结果表明,当驱动模态的幅值和微陀螺的固有频率发生...     

一种微机械陀螺自激驱动方式的电学模拟

为提高微机械陀螺的检测精度，稳定驱动振动速度幅度，提出了微机械陀螺的自激驱动方式，它能够使驱动振动自动稳定在驱动模态的固有频率上振动，以及保持恒定的驱动振动速度幅度。根据自激驱动电路原理，建立了驱动动力学方程的等效电路模型，用PSPICE软件对电路的工作状况进行了模拟，模拟结果验证了该方法切实可行。     

基于带通Σ-Δ调制器的硅微机械陀螺力反馈闭环检测

为了提高硅微机械陀螺(SMG)的性能,研究了一种基于四阶机电结合带通Σ-Δ调制器(SDM)的硅微机械陀螺力反馈闭环检测方法。基于谐振器级联谐振前馈(CRFF)结构设计了该方法的仿真模型,并利用商用软件SD TOOLS计算了环路参数。采用MATLAB/SIMULINK对设计结果进行了行为级仿真,结果表明,1 Hz条件下环路的信噪比达到了109.2dB,符合设计预期。在此基础上,以现场可编程门阵列(FPGA)为数字处理核心搭建了硅微机械陀螺数字化测控电路并进行了性能测试。结果表明,采用带通SDM闭环检测技术和数字化闭环驱动技术后,硅微机械陀螺的Allan方差零偏不稳定性约为1.15(°)/h,角度随机游走约为7.74×10-2(°)/√h,且信噪比参数满足了设计目标。得到的结果证明了设计方法的正确性;显示提出的带通SDM力反馈闭环检测方法有助于提高SMG的性能,拓展其应用领域。     

脉冲密度反馈对力平衡微机械陀螺的影响

通过研究脉冲密度反馈力对微机械陀螺性能的影响,设计了基于机电结合∑△调制器原理的微机械陀螺检测闭环电路.首先,根据微机械陀螺敏感模态的等效形式,分析得出脉冲密度反馈力对敏感模态的影响机理可以分为负刚度效应和增益效应两部分,且负刚度效应与输入角速度无关.然后,根据闭环检测理论建立了角速度和反馈脉冲密度之间的关系、量程与反馈脉冲高电平之间的关系.最后,利用量程设计指标和实际微机械陀螺参数,理论计算了所需的反馈脉冲高电平,并在Simulink中进行了仿真.仿真结果表明,所选参数满足了设计指标,且在正交误差等效输入角速度为0、30和50(°)/s 3种情况下,仿真得到平均脉冲密度和角速度之间的非线性分别为3.6×10-6、3.07％和5.12％.对正交误差等效输入角速度分别为30.4(°)/s和47.3(°)/s的I号陀螺和II号陀螺进行实验,结果表明,脉冲密度反馈力对负刚度的影响不随脉冲密度的变化而变化;得到的平均脉冲密度和角速度之间的非线性分别为2.9％和4.8％,实验与仿真结果符合得到较好.     

具有微流量检测功能的集成微流量泵驱动结构

根据我们研制成功的铝硅双金属驱动微流量泵驱动结构的特点,本文介绍了一种实现微流量泵驱动结构与微流量传感器系统集成的方法。该方法在原微流量泵双金属驱动结构的单晶硅膜上集成制作了微流量传感器。这种一体化的集成驱动结构单元同时具有驱动功能和流量检测功能,并且制作工艺简单,为进一步实现与控制电路集成的集成微流量泵系统奠定了基础。     

闭环控制系统反馈增益向量的灵敏度分析

根据振动系统的模态控制方程,利用状态反馈控制和闭环控制系统的极点配置法,文中提出计算模态反馈增益向量的新方法,并在此基础上推导模态反馈增益向量灵敏度分析的方法.该分析方法涉及开环系统的特征值、特征向量以及模态控制矩阵的灵敏度, 由于在方法的推导过程中使用了模态控制方程,因此避免了非常复杂的数学推演.最后,将所提方法应用于一桁架结构的振动控制问题,以说明方法的有效性.     

硅微陀螺机械热噪声研究

振动式硅微陀螺仪要在各种噪声干扰下,检测出极其微弱的有用信号.随着硅微陀螺性能的不断提高,机械热噪声对微陀螺的影响愈加显著,决定了振动式硅微陀螺的极限分辨率.本文给出了机械热噪声的产生机理,推导得出机械热噪声等效角速率表达式.分析表明,提高微陀螺的品质因数、增大质量和谐振频率可减小机械热噪声.     

一种高性能电磁式微机械振动环陀螺

模态匹配和高的品质因数是提高振动环陀螺性能的关键。设计制作了一种电磁式微机械振动环陀螺,采用了全对称的结构以实现模态匹配。通过理论推导建立了陀螺灵敏度和机械噪声的数学模型,分析了陀螺参数对灵敏度及分辨力的影响。采用（100）晶向的单晶硅及MEMS体硅标准工艺加工了陀螺样片,该工艺简单,无需键合。器件频响实验结果表明,所设计的振动环陀螺驱动模态和检测模态频差小于0.5Hz,大气压下品质因数约为500,在1Pa的低真空下达到14000。锁相放大器测试结果表明,在-200 ~200 o/s测量范围内,陀螺分辨力为0.05o/s,灵敏度为0.2uv/ o/s。测试结果表明该陀螺能够实现模态匹配和较高的品质因数,具有较高的性能指标。     

微机械振动环陀螺

为了减小振动环驱动模态和检测模态的频率差从而提高陀螺性能,提出了一种采用电磁驱动、电磁检测的全对称振动环陀螺结构。采用MEMS体硅工艺完成该微机械振动环陀螺的加工,其结构在保持镜像对称的同时,还保持了中心对称,因此整个结构高度对称,有利于减小模态频率差。为有效跟踪陀螺驱动模态的谐振频率并稳定驱动模态的幅值,设计了闭环驱动控制电路。该电路由低噪声前置放大器、相位调整环节以及自动增益放大器(VGA)组成。测试结果表明,该陀螺两个模态频率差为0.27 Hz,实现了频率较好的匹配。在±200 °/s,测得陀螺灵敏度为8.9 mV/(°/s),分辨力为0.05 °/s,非线性度为0.23%。     

非线性增益的完全补偿

对于过程控制系统设计时的非线性增益补偿问题 ,提出了完全补偿准则 ,并推导出补偿单元特性的两种不同类型。     

一种改进的挠性陀螺POS标度因数误差补偿方法

针对航空遥感的作业环境特点,分析了一类位置姿态测量系统(position and orientation system,POS)用挠性陀螺的标度因数与输入角速度之间的关系.通过实验发现了在小角速率范围内陀螺标度因数与输入角速度呈规律性的“双曲线”关系.提出了一种改进的多位置动静混合误差标定与补偿方法.首先根据输入角速度的正负分别标定陀螺标度因数并建立两者的对应关系,然后在误差补偿时根据输入角速度的方向和数值变化更新标度因数及其他误差系数,进而提高误差补偿精度.实验结果表明,利用改进方法进行误差补偿后POS角测量精度可以提升约20％.     

微机械隧道陀螺仪的时变线性二次高斯预测控制

为了降低微机械隧道陀螺仪系统的非线性,增大器件的带宽并提高系统的信噪比,隧尖与相应隧道电极之间的隧道间距应控制在1 nm附近,且其必须在闭环模式下工作.本文鉴于线性二次高斯(LQG)控制理论的抗干扰特性和鲁棒性以及哥氏加速度的时变特征,采用时变卡尔曼滤波器和LQG最优控制器串联而成的LQG预测控制策略设计了隧道陀螺仪闭...     

有源纹波补偿电流平方降压型LED驱动电路

LED理想的驱动方式是恒流驱动,在输出端常采用电解电容进行滤波,但电解电容的寿命与LED寿命不匹配;峰值电流控制是实现恒流驱动的常用控制方式,但该方式仅控制了流过LED的峰值电流,而未精确地控制其平均电流,这对LED的发光效率、可靠性等都有较大的影响。为解决以上问题,将省略了滤波电容的有源纹波补偿电路结构与电流平方控制技术应用于LED驱动电路中,基于电流平方控制对平均电流的控制,以及有源纹波补偿电路对纹波电流的补偿,开展了该驱动电路工作原理的研究及分析,并基于PSIM6．0进行了仿真验证,最后进行了实物仿真。仿真及研究结果表明：通过电流平方控制可以精确地控制平均电流,并且有源补偿环节可以全补偿由于省略滤波电容所带来的电流纹波,使流过LED的电流为近似直流。     

周期色散补偿光纤参量放大器平坦性的研究

针对单泵浦光纤参量放大器（FOPA）增益平坦性较差的情况,研究了双泵浦FOPA的准相位匹配问题。将高非线性光纤（HNLF）均匀地分成多段,在其中分别插入色散补偿光纤（DCF）,对下一段高非线性光纤中的色散进行补偿,从而实现了准相位匹配,在较宽频带内得到了较平坦的增益。研究结果表明：通过周期插入色散补偿光纤,增益起伏得到了明显的改善;光纤参量放大器的增益与泵浦光功率有关,当增加泵浦光功率时,增益变大,但平坦性较差。插入色散补偿光纤的段数增加时,能解决增益起伏的问题。     

EMD- and SVM-based temperature drift modeling and compensation for a dynamically tuned gyroscope (DTG)

In this paper, support vector machine (SVM) is described and applied in the temperature drift modeling and compensation to reduce the influence of temperature variation on the output of dynamically tuned gyroscope (DTG) and to enhance its precision. To improve the modeling capability, empirical mode decomposition (EMD) is introduced into the SVM model to eliminate any impactive noises. The real temperature drift data set from the long-term measurement system of a certain DTG is employed to validate the effectiveness of the proposed combination model. The modeling and compensation results indicate that the proposed EMD-SVM model outperforms the neural network (NN) and single SVM models, and is feasible and effective in temperature drift modeling and compensation of the DTG.     

Force control compensation method with variable load stiffness and damping of the hydraulic drive unit force control system

Each joint of hydraulic drive quadruped robot is driven by the hydraulic drive unit (HDU), and the contacting between the robot foot end and the ground is complex and variable, which increases the difficulty of force control inevitably. In the recent years, although many scholars researched some control methods such as disturbance rejection control, parameter self-adaptive control, impedance control and so on, to improve the force control performance of HDU, the robustness of the force control still needs improving. Therefore, how to simulate the complex and variable load characteristics of the environment structure and how to ensure HDU having excellent force control performance with the complex and variable load characteristics are key issues to be solved in this paper. The force control system mathematic model of HDU is established by the mechanism modeling method, and the theoretical models of a novel force control compensation method and a load characteristics simulation method under different environment structures are derived, considering the dynamic characteristics of the load stiffness and the load damping under different environment structures. Then, simulation effects of the variable load stiffness and load damping under the step and sinusoidal load force are analyzed experimentally on the HDU force control performance test platform, which provides the foundation for the force control compensation experiment research. In addition, the optimized PID control parameters are designed to make the HDU have better force control performance with suitable load stiffness and load damping, under which the force control compensation method is introduced, and the robustness of the force control system with several constant load characteristics and the variable load characteristics respectively are comparatively analyzed by experiment. The research results indicate that if the load characteristics are known, the force control compensation method presented in this paper has positive compensation effects on the load characteristics variation, i.e., this method decreases the effects of the load characteristics variation on the force control performance and enhances the force control system robustness with the constant PID parameters, thereby, the online PID parameters tuning control method which is complex needs not be adopted. All the above research provides theoretical and experimental foundation for the force control method of the quadruped robot joints with high robustness.