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宇航学报

第２７卷第３期Ｖ０１．２７Ｎｏ．３

２００６年５月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓＭａｖ２００６

种改进的高精度硅微陀螺仪闭环驱动方案研究

一

杨波，周百令

（东南大学仪器科学与工程系，南京２１００９６）

摘要：提出了一种改进的高精度硅微陀螺仪闭环自激驱动方案。该方案对相角进行了优化控制，消除了驱

动频率和驱动模态固有频率的相对频差影响，实现了闭环驱动的相角和增益条件的解耦。利用闭环回路中直流控

制量与驱动力间的非线性关系，实现闭环自激控制。试验结果表明，１小时内，驱动频率变化的均方差为０．００９Ｈｚ，

相对变化量为２．２ｐｐｍ；驱动幅度变化的均方差为０．００２５ｍＶ，相对变化量为１５ｐｐｍ。由此可见，本方案使驱动频率和

幅度稳定性得到了极大提高。

关键词：硅微陀螺仪；闭环；自激驱动；解耦

中图分类号：Ｕ６６６．１２３文献标识码：Ａ文章编号：１０００．１３２８（２００６）０３．０４３３．０５

０引言精度。

１硅微陀螺仪驱动性能要求

硅微陀螺仪具有体积小，重量轻，成本低，生产

工艺与微电子加工技术兼容，易于实现批量生产等某轴硅微陀螺仪（以下简称硅微陀螺仪）驱动

特点，是当今陀螺仪发展的热点方向之一，有着广泛结构如图１所示。它的驱动模态可以等效为二阶弹

的应用前景。目前硅微陀螺仪的驱动方式多数采用

静电梳齿驱动，对该驱动要求除了要满足驱动频率

尽量逼近驱动模态的固有频率，还要有相当高的频

率稳定性和幅度稳定性¨。为了满足以上要求，陀Ｐ（ｔ）

螺仪驱动必须采用闭环驱动方式。目前硅微陀螺仪器

闭环驱动常用ＡＧＣ（自动增益控制）技术，它通

过某种非线性控制方式使整个硅微陀螺仪的闭环回

路增益减少到单位增益１，从而实现闭环驱动。但

梳齿

是由于悬浮力和边界效应的影响，驱动电容对驱动

图１驱动结构示意图

位移的变化量（ａＣ／３Ｘ），并不象理论设计中那样线

Ｆｉｇ．１Ｄｒｉｖｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｄｉａｇｒａｍ

性，因此控制效果并不很理想。为了使硅微机械

陀螺实现闭环自激驱动，闭环回路需满足两个条件：簧一质量一阻尼系统，其运动方程为：

（１）整个回路的相角＝２ｎｇ／（ｎ为整数）；（２）整个Ｆｄ（１）

＋＋２＝

回路的增益Ａ必须大于１。但是常用的ＡＧＣ技术，

式中为驱动方向的位移，ｃｕ、Ｑ、ｍ分别为驱