《MEMS陀螺仪中不匹配干扰抑制方法的研究》-工学论文，计算机论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

MEMS陀螺仪中不匹配干扰抑制方法的研究

范文

林机鹏

摘要：MEMS传感器从最早的汽车电子到近些年来的消费电子，如今凭借着物联网时代的助推，已经掀起市场浪潮。但微机械陀螺传感器存在着各种非理想效应，其中静电驱动电容式微机械陀螺仪的主要不匹配干扰效应大致可以分为正交误差和同相误差这两大类。本文分析了微机械陀螺仪正交误差、同相误差产生的原因，根据微机械陀螺仪动力学方程在Simulink中进行仿真。根据仿真结果可以分析得到，微机械陀螺仪的干扰误差大部分是由正交误差造成的，严重影响了陀螺仪的性能，然而同相误差对陀螺仪性能的影响则相对小很多，可以忽略不计。本文基于微机械陀螺仪角速度信号提取原理，首先分析了不匹配干扰效应产生的干扰信号与目标角速度信号之间的差异，然后针对正交误差的不匹配信号提出了有效的消除方案。

关键词：微机械陀螺仪；正交误差；同相误差

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）12-0260-03

Abstract： MEMS sensor， from the earliest automotive electronics to consumer electronics in recent years， is now rising with the help of the Internet of things era. However， there are various non ideal effects in the micromachined gyroscope sensor， of which the main mismatched interference effects of the electrostatic driven capacitive micromechanical gyroscope can be divided into two major categories： orthogonal and phase error. This paper analyzes the causes of quadrature error and phase error of MEMS gyroscope， and simulates it in Simulink based on the dynamic equation of MEMS gyroscope. According to the simulation results， it can be found that the interference error of the micromachined gyroscope is mostly caused by the orthogonal error， which seriously affects the performance of the gyroscope. However， the effect of the phase error on the performance of the gyroscope is much smaller and can be ignored. Based on the extraction principle of the angular velocity signal of the micromachined gyroscope， the difference between the interference signal and the target angular velocity signal produced by the mismatched interference effect is first analyzed， and an effective elimination scheme is proposed for the mismatched signal of the orthogonal error.

Key words： mems gyroscope； quadrature error； phase error

1 引言

靜电驱动电容式微陀螺仪是MEMS陀螺结构的研究热点，该MEMS陀螺仪的内部结构图详见图1。这种MEMS陀螺仪的驱动和检测采用梳齿交叉方式。通过外框和中心两个部分的梳齿相交叉来构造出电容结构，其中外框梳齿相交叉电容功能是检测，中心部梳齿相交叉电容的功能是驱动。当输入端接通交流电压时，驱动轴上由于中心质量块的振动，并在科里奥利力的作用下，引起中心部梳齿相交叉电容的数值变化。通过测量电容值的大小，可以间接地计算出角速度的数值。虽然微机械陀螺仪角速度信号提取原理简单明了，但在实际改进性能方案上却困难重重。从工艺精度角度上，当前微米级的工艺已经难以再精益求精。从新型陀螺仪结构的角度上，该思路难度大且有个不可避免的缺点，改进结构的同时也引进了敏感元件的新误差。折中以上两种思路，可以通过设计校正电路对误差进行补偿，既避开了工艺上难以逾越的瓶颈，也没有在原有的陀螺仪结构上添加新的敏感元件。

2 微机械陀螺仪的工作原理

哥氏效应（Coriolis）是MEMS陀螺仪的理论基础，表示质量M的物体在半径r的圆上以w的角速度运动时，可产生大小为为F的哥氏力。图2是质点受力运动的轨迹图。哥氏力又叫科里奥利力，通过图1可以知道，动坐标系的转动和质点的相互运动彼此之间的耦合导致哥氏力的产生。作用在质量M的角速度矢量和相对速度矢量的合成量便是哥氏力作用在m上的加速度。在研究质量块或刚体的复合运动时，相关的公式推导是建立在动坐标系O`X`Y`Z`和固定坐标系OXYZ，如图2所示。

根据推导出来的系统的传输函数，搭建出理想情况下的微机械陀螺仪的Simulink模型，全对称微机械陀螺仪的模型结构具体如图4所示。

5微机械陀螺仪的误差消除

MEMS的陀螺仪的误差消除的反馈控制系统，分为两次相敏解调，最终输出Vout9（t）。输入信号Vin（t）经过一次相敏解调得到Vout7（t），紧接着经过峰值检测电路，得到信号幅度值，通过检测到的幅值来进行反馈移相电路。Vin（t）经过驱动信号，并在反馈电路的作用下，得到二次相敏解调的参考信号Vref3（t）相位值。要使Vref3（t）相位值和角速度的相位误差相一致，即峰值检测电路要达到最大值。反馈控制系统的具体结构图参见图5.

Vin（t）的纯净信号是角速度信号，当有不匹配信号的干扰的时候，即存在正交和同相干扰信号，Vin（t）应该是三者的叠加，公式如下：

驱动信号Vref（t），引入相位偏差φ，經过低通滤波器，滤除了2ω及其以上的高频项，简化了计算的过程。驱动信号Vref（t）的公式：

5.1 微机械陀螺仪角速度提取结果

仿真环境MATLAB。仿真参数设定：直流压5uV，角速度Ω为1rad/s。基于上述的角速度提取方案，并设定相位误差为10°，仿真提取原角速度，得到Vout（t）是895.2938uV。由式5-2可知，输出结果中正交误差占主要，而且和相位误差大小有关，与仿真结果相符。

5.2 微机械陀螺仪误差消除结果

仿真环境MATLAB。基于上述的反馈系统，来补偿正交的不匹配的干扰影响。仿真结果，有效信号幅值27.4709uV。与近理论值25uV接近。结论，采用本文的反馈电路补偿MEMS的正交不匹配信号干扰，可以有效甚至很大程度上抑制了该干扰信号。仿真结果如图7所示。

参考文献：

[1] Erdinc Tatar，Said Emre Alper，Tayfun Akin.Quadrature-Error Compensation and Corresponding Effects on the Performance of Fully Decoupled MEMS Gyroscopes[J].J Microelectromech Syst，2012，21（ 3）： 656-667.

[2] Bo Yang，Bailing Zhou，Nano，A quadrature error and offset error suppression circuitry for Silicon Micro-Gyroscope，/Micro Engineered and Molecular Systems， 2008. NEMS 2008. 3rd IEEE International Conference.

[3] H. Cantzler and C. Hoile， A novel form of a pointing device， in Proc. Vision， Video andGraphics， 2003， 57–62.

[4] S. Gunthner， M. Egretzberger， A. Kugi， K. Kapser， B. Hartmann， U. Schmid， H.Seidel. Compensation of Parasitic Effects for a Silicon Tuning Fork Gyroscope. IEEE Journalof Sensors. 2006， 6， 596-603.

[5] 温佰仟，刘建业，李荣冰. MEMS 陀螺正交误差分析与仿真[J] . 传感器与微系统， 2008， 27 （ 9）： 82-84.

[6] 刘学，陈志华，肖定邦，等.振动式微陀螺正交误差自补偿方法[J].传感技术学报，2012，25（9）：1222-1225.

[7]张梦月. 微机械陀螺误差补偿研究[D]. 电子科技大学， 2015.

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。