基于坐标旋转法的双轴谐振式加速度计数字控制电路装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于坐标旋转法的双轴谐振式加速度计数字控制电路装置，由双轴解耦硅微谐振式微加速度计(A)、四组闭环控制回路(S1、S2、S3、S4)组成；其中，每组闭环控制回路包括检测接口，A/D转换器，FPGA控制算法，D/A转换器，驱动接口；FPGA控制算法由解调器模块、幅度控制模块、频率控制模块以及输出调理模块组成。本发明专利技术双轴谐振式硅微加速度计闭环控制电路具有集成度高，体积小，精度高，功耗低等优点；有效地节约了硬件资源；有效地抑制了回路间的相互干扰，降低两个轴向的耦合，提高了系统的稳定性；便于控制，有利于提高系统的稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于坐标旋转法的双轴谐振式加速度计数字控制电路装置，属于微机电系统和微惯性器件测控

技术介绍
硅微谐振式加速度计由于具有高灵敏度、较大的动态范围、以及可以直接输出频率量等优势，目前正受到越来越多的关注。现有技术中报道了很多种数字控制方式，但是大部分控制电路是用于控制单轴硅微谐振式加速度计的，也就是只能测量一个维度的微加速度计。之所以涉及到双轴硅微谐振式加速度计的比较少，除了双轴硅微谐振式加速度计本身设计的原因以外，还有就是双轴硅微谐振式加速度计的驱动电路不够完善，无法完成高精度驱动。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的缺陷，本专利技术提供一种基于坐标旋转算法的双轴解耦硅微谐振式加速度计的数字闭环自激驱动电路装置，该装置以FPGA作为主控芯片，采用坐标旋转算法计算驱动输出信号的频率，解决了现有技术里因驱动精度不够而导致双轴谐振式硅微加速度计输出精度不高的问题。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种基于坐标旋转法的双轴谐振式加速度计数字控制电路装置基于坐标旋转法的双轴谐振式加速度计数字控制电路装置，由双轴解耦硅微谐振式微加速度计和四组闭环控制电路组成，双轴解耦硅微谐振式微加速度计与每组闭环控制电路均形成闭合回路；每组闭环控制电路均包括顺序相接的检测接口、A/D转换器、FPGA控制算法、D/A转换器和驱动接口；其中，双轴解耦硅微谐振式微加速度计的输出与检测接口相接，双轴解耦硅微谐振式微加速度计的输入与驱动接口相接。FPGA控制算法由解调器模块、幅度控制模块、相位控制模块以及输出调理模块组成；检测接口电路的输出与A/D转换器电路的输入相连，A/D转换器完成模数转换，A/D转换器的转换结果作为FPGA控制算法的输入信号与解调器模块相连，解调器模块使用相敏解调技术实现对FPGA控制算法输入信号的解调，分别得到FPGA控制算法输入信号的幅度信息和相位信息，幅度信息作为幅度控制模块的输入，相位信息作为相位控制模块的输入，幅度控制模块的输出和相位控制模块输出均与输出调理模块的输入相连，相位控制模块输出还与解调器模块的输入相连，输出调理模块的输出与D/A转换器的输入相连。幅度控制模块包括幅度滤波器和幅度PI控制模块；相位控制模块包括相位滤波器、相位PI控制模块和坐标旋转模块；解调得到的幅度信号作为幅度滤波器的输入，幅度滤波器的输出与幅度PI控制模块的输入相连，幅度PI的输出为用于驱动的幅度信号，实现了幅度自增益控制功能；解调得到的相位信号作为相位滤波器的输入，相位滤波器的输出与相位PI控制模块的输入相连，相位PI控制模块的输出作为坐标旋转模块的输入，坐标旋转模块的输出为用于驱动的相位信号，实现了锁相的功能；坐标旋转模块的输出与幅度PI控制模块的输出作为输出调理模块的输入，输出调理模块实现幅度信号与相位信号的相乘，得到需要输出的控制信号。在闭环控制电路中，采取幅度信号与相位信号分别控制的方法，以此提高控制精度。为了实现硅微谐振式加速度计的驱动，驱动回路必须同时满足幅度和相位的要求。目前，幅度自增益控制(AGC)的技术已经成熟，因此驱动难点在于相位控制。为了实现锁相，使谐振器振动频率在谐振点上，高精度的相位控制是必不可少的。目前，用于相位控制的主要有查找表法(look-up table)和坐标旋转法(coordinate rotation digital compute)。查找表方法实现容易，其控制精度取决于查找表的深度，查找表越大，其控制精度越高。然而，查找表越大，其所需的存储空间越大，因此，对于FPGA为主控芯片的控制系统而言，查找表法需要使用大量的硬件资源。坐标旋转算法是J.D.Volder1于1959年首次提出，主要用于三角函数、双曲线、指数、对数的计算。该算法通过基本的加和移位运算代替乘法运算，使得矢量的旋转和定向的计算不再需要三角函数、乘法、开方、反三角、指数等函数。对于相位控制而言，坐标旋转算法的控制精度取决于迭代次数，迭代次数越高，其精度越高。为了节约资源，在保证精度的条件下，使用流水线算法将会大幅减少硬件资源的耗费，因此适合于FPGA控制系统。解调器模块由FIFO模块(先进先出)、延时器模块、相敏解调器模块组成，其中，FIFO模块的输入信号为旋坐标旋转模块的输出信号，FIFO模块的输出作为相敏解调算法模块的输入；延时器模块的触发输入信号由坐标旋转模块提供，其输出用于触发相敏解调算法模块，相敏解调器模块的输出分别作为幅度滤波器和相位滤波器的输入，A/D转换器的转换结果作为FIFO模块的输入。由于控制系统中滤波器、PI控制器等模块的存在，将会导致信号产生额外的相移。为了实现锁相功能，必须对控制系统造成的相移进行修正补偿。FIFO模块根据控制系统的采样周期，设置相应的堆栈深度，完成粗略的相位补偿功能；延时器模块的控制时钟为系统的工作时钟信号，用以进一步完成细致的相位补偿功能。FIFO模块与延时器模块配合使用，完成相位的修正补偿工作。幅度滤波器和相位滤波器均为全数字FIR滤波器。根据双轴解耦硅微谐振式加速度计的四个谐振梁的谐振频率，设计全数字式FIR滤波器为带通滤波器，且四个谐振梁的谐振频率在通过频带范围内。全数字式FIR滤波器的抽头参数通过归一化转换成实际需要的参数形式。FIR滤波器较IIR滤波器而言，其具有非递归特性，是肯定收敛的，不会因为滤波器系数设计不当产生发散问题，最终导致极限环振荡问题。幅度PI控制模块和相位PI控制模块均为增量式PI控制器，增量式PI控制器的PI控制算法为增量式PI控制算法，输入信号与参考信号相减求出误差信号e(n)，误差信号一方面与积分项系数KI相乘，得到积分项，一方面存入积分项寄存器1中作为下一次计算的比例项的输入；比例项系数KP与前一次得到的误差项e(n-1)相乘，得到比例项，比例项与积分项相加得到增量项；增量项与前一次输出控制项U(n-1)相加得到最终需要输出的输出控制项U(n)。增量式PI控制器具有没有累积误差的优点，便于控制，提高系统的稳定性。坐标旋转模块的坐标旋转算法用于跟踪相位，实现锁相环的功能，同时为解调器模块提供解调相乘项；坐标旋转模块采用多级流水线结构。节约硬件资源的同时保证了精度需求。在相位控制中的坐标旋转模块中使用初始相位比较器和四分圆映射器分别作为相位的初始控制和最终输出控制。。简化了坐标旋转流水线算法模块的计算流程，同时使得相位控制范围扩充到0-2π。双轴解耦硅微谐振式加速度计包括一个质量块、四组谐振器、四组检测电极及驱动电极，其中，四组谐振器分布在质量块的四周，四组检测电极和四组驱动电极分别与四组谐振器相连，用于检测驱动四组谐振器谐振状态，可同时敏感X、Y两个方向上的加速度输入信号；一组谐振器、一组检测电极和一组驱动电极构成一组检测电容，四组谐振器、四组检测电极和四组驱动电极构成了四组检测电容，每组检测电容对应一组闭环控制电路，闭环控制电路通过检测接口电路实现对电容信号的提取；D/A转换电路的输入来自输出调理模块的输出，D/A转换电路完成数模转换后，其输出与驱动接口电路的输入相连，驱动接口电路将D/A的输出转换成需要加载在驱动电极上的信号。D/A转换器电路和驱动接口电路用于实现数模转本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于坐标旋转法的双轴谐振式加速度计数字控制电路装置，其特征在于：由双轴解耦硅微谐振式微加速度计和四组闭环控制电路组成，双轴解耦硅微谐振式微加速度计与每组闭环控制电路均形成闭合回路；每组闭环控制电路均包括顺序相接的检测接口、A/D转换器、FPGA控制算法、D/A转换器和驱动接口；其中，双轴解耦硅微谐振式微加速度计的输出与检测接口相接，双轴解耦硅微谐振式微加速度计的输入与驱动接口相接。

【技术特征摘要】
1.一种基于坐标旋转法的双轴谐振式加速度计数字控制电路装置，其特征在于：由双轴解耦硅微谐振式微加速度计和四组闭环控制电路组成，双轴解耦硅微谐振式微加速度计与每组闭环控制电路均形成闭合回路；每组闭环控制电路均包括顺序相接的检测接口、A/D转换器、FPGA控制算法、D/A转换器和驱动接口；其中，双轴解耦硅微谐振式微加速度计的输出与检测接口相接，双轴解耦硅微谐振式微加速度计的输入与驱动接口相接。2.如权利要求1所述的基于坐标旋转法的双轴谐振式加速度计数字控制电路装置，其特征在于：FPGA控制算法由解调器模块、幅度控制模块、相位控制模块以及输出调理模块组成；检测接口电路的输出与A/D转换器电路的输入相连，A/D转换器完成模数转换，A/D转换器的转换结果作为FPGA控制算法的输入信号与解调器模块相连，解调器模块使用相敏解调技术实现对FPGA控制算法输入信号的解调，分别得到FPGA控制算法输入信号的幅度信息和相位信息，幅度信息作为幅度控制模块的输入，相位信息作为相位控制模块的输入，幅度控制模块的输出和相位控制模块输出均与输出调理模块的输入相连，相位控制模块输出还与解调器模块的输入相连，输出调理模块的输出与D/A转换器的输入相连。3.如权利要求2所述的基于坐标旋转法的双轴谐振式加速度计数字控制电路装置，其特征在于：幅度控制模块包括幅度滤波器和幅度PI控制模块；相位控制模块包括相位滤波器、相位PI控制模块和坐标旋转模块；解调得到的幅度信号作为幅度滤波器的输入，幅度滤波器的输出与幅度PI控制模块的输入相连，幅度PI的输出为用于驱动的幅度信号，实现了幅度自增益控制功能；解调得到的相位信号作为相位滤波器的输入，相位滤波器的输出与相位PI控制模块的输入相连，相位PI控制模块的输出作为坐标旋转模块的输入，坐标旋转模块的输出为用于驱动的相位信号，实现了锁相的功能；坐标旋转模块的输出与幅度PI控制模块的输出作为输出调理模块的输入，输出调理模块实现幅度信号与相位信号的相乘，得到需要输出的控制信号。4.如权利要求3所述的基于坐标旋转法的双轴谐振式加速度计数字控制电路装置，其特征在于：解调器模块由FIFO模块、延时器模块、相敏解调器模块组成，其中，FIFO模块的输入信号为旋坐标旋转模块的输出信号，FIFO模块的输出作为相敏...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨波，吴磊，胡迪，汪秋华，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32