基于频率锁定技术的MEMS陀螺仪模态匹配理论与方法

The fully symmetrical structure MEMS gyroscope is an important development trend of the high-precision MEMS gyroscope. It has broad application prospects in the fields of high-end industrial equipment and precision strike weapons. Manufacturing errors cause mode frequency mismatch of fully symmetrical structure, reduce signal-to-noise ratio, and adversely affect the performance of the gyroscope. However, the existing mode matching technology can not suppress frequency drift, which restricts the further improvement of the performance of the MEMS gyroscope. In order to solve this problem, this project seeks to use frequency locking technology to control the modal frequency of the resonant structure in real time, so as to achieve modal matching and frequency drift suppression at the same time. Specific research contents are as follows: 1. Establish the key performance model of the MEMS gyroscope, and study the influence of frequency drift and mode matching on performance; 2. Realize the constant frequency drive of the resonant structure based on frequency locking technology to suppress frequency drift; 3. Realize the mode matching of the resonant structure based on dual-mode synchronous frequency locking; 4. Develop the prototype of the gyroscope based on frequency locking technology. This project provides a new idea and method for mode matching and improving the performance of the MEMS gyroscope. The research results can be applied to all symmetrical structure MEMS gyroscope. It is of great significance to improve the level of independent development of core components in China and to realize the overtaking in key areas.

全对称结构MEMS陀螺仪是高精度MEMS陀螺仪的重要发展趋势，在高端工业装备和精确打击武器等领域有广阔的应用前景。制造误差造成全对称结构模态频率的失配，降低了信噪比，对陀螺仪性能造成不利影响，而现有的模态匹配技术无法抑制频率漂移，制约了MEMS陀螺仪性能的进一步提升。为解决该问题，本项目力求利用频率锁定技术对谐振结构的模态频率进行实时控制，以同时实现模态匹配和频率漂移抑制。具体研究内容为：1.建立MEMS陀螺仪的关键性能模型，研究频率漂移和模态匹配对性能的影响规律；2.基于频率锁定技术，实现谐振结构的定频驱动，抑制频率漂移；3.基于双模态同步锁频，实现谐振结构的模态匹配；4.研制基于频率锁定技术的陀螺仪样机。本项目为实现模态匹配、提高MEMS陀螺仪性能提供了新思路新方法，研究成果可适用于所有全对称结构MEMS陀螺仪，对于提升我国核心器件自主化研制水平，实现关键领域弯道超车具有重要意义。

微陀螺以其小体积、低成本、低功耗的优势，在智能技术、无人技术、物联网等新兴领域有着广阔的应用前景。嵌套环微陀螺是一种极具性能潜力的微陀螺，具有较好的加工误差鲁棒性，目前报道的性能已接近导航级。本项目以进一步提升微陀螺的性能为目标，针对微陀螺谐振频率受温度等环境因素的影响而变化对陀螺性能造成的不利影响，提出了基于频率锁定的微陀螺控制电路方案，突破了微陀螺定频驱动与闭环模态匹配技术，实现了微陀螺的频率锁定控制，显著减小了谐振频率变化引起的微陀螺零偏漂移。主要研究内容如下：.1.建立了带误差的微陀螺动力学模型，推导了微陀螺的零偏输出和标度因数表达式，分析了频率漂移和模态失配对微陀螺性能的影响规律。.2.针对现有驱动方法下微陀螺的频率漂移问题，提出了蜂巢式微陀螺的定频驱动技术，分析了静电调频原理，设计了定频驱动控制方案，通过Simulink仿真验证了方案的可行性，搭建了基于FPGA的微陀螺控制软硬件平台，实现了微陀螺的定频驱动。实验结果表明，定频驱动后，室温条件下频率不稳定性由3.23mHz减小至0.71mHz，减小了4.68倍；全温（-40℃~60℃）范围内的频率漂移由7.33Hz减小至93mHz。.3.针对加工误差、材料缺陷等因素导致的微陀螺驱动模态和检测模态谐振频率不一致的问题，开展了微陀螺闭环模态匹配技术研究，在FPGA控制平台中实现了基于扰动法的模态闭环匹配和基于双模态锁频的模态闭环匹配，并对两种方案的效果进行了实验对比。实验结果表明：模态闭环匹配控制后微陀螺的稳定性得到显著提升；基于扰动法的模态闭环匹配方案具有更好的稳定性；基于双模态锁频的模态闭环匹配方案具有更好的噪声水平和更高的控制带宽。.4.将定频驱动技术与模态闭环匹配技术相结合，研制了频率锁定控制模式的微陀螺样机，并完成了性能测试，通过与原有控制方案的蜂巢式微陀螺的各项性能进行比较，证明了频率锁定控制对性能的提升。实验结果表明：微陀螺零偏稳定性达到0.046°/h，零偏不稳定性达到0.009°/h。