静电激励电路及金属壳谐振陀螺的控制系统

技术领域

本发明涉及电路领域，具体而言，涉及一种静电激励电路及金属壳谐振陀螺的控制系统。

背景技术

近几年来作为振动陀螺的一个重要分支，金属壳谐振陀螺不仅具有传统振动陀螺的惯性品质，还具有结构强度高、环境适应能力强、动态范围宽等特点。金属谐振陀螺因其敏感结构谐振子采用金属制成，故称为金属壳谐振陀螺。该谐振式传感器与其他传感器的根本区别在于，谐振通常采用闭环驱动实现。谐振子的驱动分为激励部分和检测部分，因金属材质的原因，金属谐振子工作需要足够的激励，所以激励电路的设计成为重点研究方向。

相比于常见的机械陀螺，谐振陀螺由于不存在旋转结构，驱动方式与机械陀螺存在很大的差异。谐振陀螺的常见驱动方式有静电力、电磁力、压电驱动等。金属壳谐振陀螺传统激励方法使用压电激励，压电电极紧贴谐振子自由端，这种接触式激励会影响了谐振子的刚度分布，导致模态干扰误差增大，陀螺的稳定性和量程均受到了限制。

针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明实施例提供了一种静电激励电路及金属壳谐振陀螺的控制系统，以至少解决由于传统的静电激励电路采用接触式激励而导致的误差大、稳定性差的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种静电激励电路，包括：

激励电路，被配置为生成静电力作为金属谐振子中质量块的驱动力；

电容极板，被配置为基于所述驱动力，对所述质量块施加交变的静电力，激励所述质量块进行简谐运动，以驱动所述金属谐振子工作，其中，所述交变电压大于阈值电压。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种金属壳谐振陀螺的控制系统，包括：金属壳谐振陀螺，用于采集惯导数据；如上所述的静电激励电路，用于激励所述金属壳谐振陀螺。

根据本发明实施例的又一方面，还提供了一种静电激励方法，包括：生成静电力作为金属谐振子中质量块的驱动力；电容极板基于所述驱动力，对所述质量块施加交变的静电力，激励所述质量块进行简谐运动，以驱动所述金属谐振子工作，其中，所述交变电压大于阈值电压。

根据本发明实施例的又一方面，还提供了一种惯性导航系统，包括如上所述的金属壳谐振陀螺，用于采集惯导数据。

在本发明实施例中，利用静电力作为谐振子中质量块的驱动力，在两块电容极板上施加高压交变电压，对质量块施加交变的静电力，激励质量块简谐运动，驱动金属谐振子工作，进而解决了由于传统的静电激励电路采用接触式激励而导致的误差大、稳定性差的技术问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的平行板电容示意图；

图2是根据本发明实施例的双边梳齿式电极示意图；

图3是根据本发明实施例的激励电路的电路图；

图4是根据本发明实施例的高压电路的电路图；

图5是根据本发明实施例的直流逆变模块的电路图；

图6是根据本发明实施例的反向PWM波的示意图；

图7是根据本发明实施例的半桥逆变模块滤波前的输出电压的示意图；

图8是根据本发明实施例的半桥逆变模块滤波后的输出电压的示意图；

图9是根据本发明实施例的另一种静电激励电路的电路图；

图10是根据本发明实施例的金属壳谐振陀螺的控制系统的结构示意图；

图11是根据本发明实施例的静电激励方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

术语解释

静电激励，以静电力模拟声波作用力的原理，将已知静电力通过辅助电极加到电容传声器膜片(金属的或涂以金属的)上，对电容传声器进行频率响应。

概述

本申请提供了一种基于静电激励法的激励电路，静电激励属于非接触式激励，被广泛应用于各种硅微振动陀螺。该方法利用静电力作为谐振子中质量块的驱动力。在两块电容极板上施加高压交变电压，对质量块施加交变的静电力，激励质量块简谐运动，驱动金属谐振子工作。

实施例1

根据本发明实施例，针对微小型金属壳谐振陀螺提供一种静电激励电路，通过直流逆变电路将输入的正负高压转换成正弦高压输出，施加在一对电容极板上下如图1所示。上下两块电容极板面积为S，电容值为C，间距为X，分别施加电容极板电压V

1)电极设计

将电容极板设计为变面积式双边梳齿电极，如图2所示。通过上下两片带电梳齿状电极对梳齿状质量块进行激励，质量块梳齿位于电极梳齿中间，电容极板电压V

V

V

其中，V

通过对电容极板施加正弦高压形成电场，因此产生的静电力和合力为：

其中，F

上下电极的静电合力使质量块运动，由式(5)可知静电合力不受质量块与电极重叠面积的影响，只有当电容极板电压变化时，静电合力才变化，因此形成稳定的谐振运动。本申请实施例中，电极材料选用铝、电极厚度为0.2μm、键合区压入长度为20μm、齿宽10μm、齿状数目为10个为合适的电极设计参数。

2)激励电路

静电激励电路采用开关式驱动，如图3所示，主要由高压电路32和直流逆变电路34组成。高压电路负责产生正负直流高压并输入到直流逆变电路，直流逆变电路首先由单片机产生的4路PWM波通过光耦合隔离，控制驱动电路输出驱动信号，然后信号驱动半桥逆变模板工作，将输入的正负高压逆变成高压交变方波，最后经过滤波电路输出高压正弦波，完成DC-AC转换。

下面将对各个电路的详细介绍。

高压电路：为激励电路产生±400V高压，通过逆变电路实现直流变交流，交流高压可提供足够的静电力F

其中，c表示极板间电容值，V表示极板电压值，x表示极板间距，s表示极板面积，ω

通过两块LT3580同步升压芯片构成的电路分别产生正负高压，以产生正电压原理为例，如图4所示。5V电压经过输入滤波电容C2输入到芯片电源引脚VIN和启动关机引脚SHDN。内部比较器负输入端引脚VC连接R3和C5并联C3构成的外部补偿电路，软启动引脚SS连接启动电容C4，同步输入引脚SYNC接地，振荡器充电引脚RT接大电阻R2，输出引脚SW连接变压器T1和肖特基二极管D2接地保护电路，变压后经过耐压二极管D1和输出滤波电容C1。输出电压V

直流逆变电路又可以分为：光耦合隔离模块、驱动模块、半桥逆变模块、RC滤波模块，如图5所示。

光耦合隔离模块：光耦合隔离模块使用PS2801-4四通道光耦合隔离器，每个通道互不影响，分别并联10k分流电阻R1R3R10R18，实现″电一光一电”之间的转化，使输出端信号对输入端信号不会产生影响，因此抗干扰的能力强，工作稳定。输入的四个信号PWM1和PMW2为一对互为反向的PWM波，PWM3和PMW4为一对互为反向的PWM波，如图6所示。经过隔离器的PWM1和PWM2，通过控制三极管通断产生交替信号输出到后面栅极驱动器HI引脚，PWM3和PMW4同理，输出到后面栅极驱动器LI引脚。

驱动模块：驱动模块使用UCC27714D具备600V高端、低端栅极驱动器作为主芯片。芯片使能引脚EN和电源引脚VDD接12V，逻辑地引脚VSS接-400V。12V电源通过快恢复二极管D1和限流电阻R2接入芯片HB，再经过充电电容C2和HS引脚相连完成自举升压电路。电容C2选择根据

表1

半桥逆变模块：驱动器引脚HO和LO的输出分别连接两个NMOS管Q3和Q4的栅极，HS引脚和COM引脚分别连接源极，控制NMOS的通断进而控制着±400V高压的导通。因为引脚HO和LO输出总是一个高电平一个低电平，驱动NMOS交替通断，因此正负高压交替输出形成方波交变电压，如图7所示。因NMOS管DG，GS之间存在结电容，所以并联R3、R4、C3组成阻容电路释放结电容存储的电荷，防止NMOS管损坏，快速恢复型二极管D2可加快MOS管关断速度。

RC滤波模块：由R1和C1组成的低通无源滤波电路，对整流输出的方波电压进行滤波，滤去高次谐波留下基波为正弦波输出，如图8所示。

本申请实施例提供的静电激励电路解决了传统接触式激励误差大、稳定性差、陀螺的稳定性和量程等问题。此外，施加的高压交变电压可解决金属谐振子无法被充分激励，灵敏度低的问题。

实施例2

根据本发明实施例，提供了一种静电激励电路，如图9所示，该静电激励电路包括：激励电路92，被配置为生成静电力作为金属谐振子中质量块的驱动力；电容极板94，被配置为基于所述驱动力，对所述质量块施加交变的静电力，激励所述质量块进行简谐运动，以驱动所述金属谐振子工作，其中，所述交变电压大于阈值电压。

在一个示例性实施例中，所述激励电路92包括：高压电路，被配置为生成正负直流高压，所述直流高压为大于等于电压阈值的电压；直流逆变电路，被配置为将输入的正负直流高压逆变为高压交变方波，并将所述高压交变方波经过滤波处理，转换为高压正弦波。

在一个示例性实施例中，所述直流逆变电路包括：光耦合隔离模块，被配置为对输入端信号进行电一光一电转化，使输出端信号对所述输入端信号不会产生影响，所述输入端信号是单片机产生的多路PWM波；驱动模块，被配置为基于所述多路PWM波输出驱动信号；半桥逆变模块，被配置为基于所述驱动信号的驱动，将所述正负直流高压逆变为所述高压交变方波；RC滤波模块，被配置为将所述高压交变方波经过滤波处理，转换为所述高压正弦波。

在一个示例性实施例中，所述光耦合隔离模块使用四通道光耦合隔离器，所述四通道中的每个通道互不影响，并分别并联一分流电阻，实现所述电一光一电转化。

在一个示例性实施例中，基于所输入的PWM波，所述四通道光耦合隔离器中的每个通道的耦合隔离器通过控制三极管通断产生交替的输出端信号。

在一个示例性实施例中，所述电容极板94为变面积式双边梳齿电极式的板状电极，所述电容极板94包括上下两片带电梳齿状电极对，所述电极对被配置为施加正弦高压形成电场，产生所述静电力，使所述质量块运动。

在一个示例性实施例中，所述电极对中的每个电极的材料为铝、厚度为0.2μm，所述电极对中的每个电极包括长度为20μm、齿宽为10μm的多个电极梳齿，多个所述电极梳齿压入在所述电极对和所述质量块之间的键合区，其中，所述质量块位于所述电极对的电极梳齿中间。

实施例3

根据本发明实施例，提供了一种金属壳谐振陀螺的控制系统，如图10所示，包括金属壳谐振陀螺12、静电激励电路14、检测电路16和数据解算组件18。

本实施例中，金属壳谐振陀螺12的检测由压电电极完成，压电电极粘贴于振子壁上，利用压电电极的压电效应检测谐振子振型。

检测电路16用于检测金属壳谐振陀螺12的扰动。数据解算组件18用于基于检测电路16检测到的扰动，计算出用于输入静电激励电路14的控制电压，静电激励电路14用于基于该控制电压生成静电力，该静电力作为驱动力控制金属壳谐振陀螺12的质量块进行简谐运动，以驱动所述金属谐振子工作。

金属壳谐振陀螺的系统可以看作为一个双输入双输出的跟踪系统，可定义检测电路的跟踪误差为

e(t)＝x(t)-x

可以求得其跟踪误差的微分为

根据动力学方程，确定金属壳谐振陀螺的状态方程为

其中，

在这个状态方程中，F

根据分析得到的金属壳谐振陀螺的状态方程，以及给定的跟踪误差，进行静电激励电路设计。首先选取比例积分滑模面，如下：

其中，s＝[s

选取基于趋近律的滑模控制，其对于这类扰动系统而言，具有很好的鲁棒性。本实施例在趋近律的选择上，选取指数趋近律，有

其中，ε＝diag{ε

其中，K

其中，

定义估计误差为

则可得到最终的控制律为

其中，K

本实施例中，金属壳谐振陀螺的控制系统不仅包括静电激励电路，还包括检测电路和数据解算组件，从而构成一个控制回路。基于检测电路检测到的扰动，来进行解算，从而能够实时地改变静电激励电路的输入电压，使得静电激励电路能够自适应地改变输入电压，以降低扰动带来的误差，更精确地驱动金属壳谐振陀螺的质量块运动。

实施例4

本发明的实施例还提供了一种静电激励方法，如图11所示，该方法包括以下步骤：

步骤S1102，激励电路生成静电力作为金属谐振子中质量块的驱动力。

在一个示例性实施例中，激励电路的高压电路生成正负直流高压，所述直流高压为大于等于电压阈值的电压；激励电路的直流逆变电路将输入的正负直流高压逆变为高压交变方波，并将所述高压交变方波经过滤波处理，转换为高压正弦波。

在一个示例性实施例中，所述直流逆变电路包括光耦合隔离模块、驱动模块、半桥逆变模块和RC滤波模块。光耦合隔离模块对输入端信号进行电一光一电转化，使输出端信号对所述输入端信号不会产生影响，所述输入端信号是单片机产生的多路PWM波；驱动模块基于所述多路PWM波输出驱动信号；半桥逆变模块基于所述驱动信号的驱动，将所述正负直流高压逆变为所述高压交变方波；RC滤波模块将所述高压交变方波经过滤波处理，转换为所述高压正弦波。

其中，所述光耦合隔离模块使用四通道光耦合隔离器，所述四通道中的每个通道互不影响，并分别并联一分流电阻，实现所述电一光一电转化。基于所输入的PWM波，所述四通道光耦合隔离器中的每个通道的耦合隔离器通过控制三极管通断产生交替的输出端信号

步骤S1104，电容极板基于所述驱动力，对所述质量块施加交变的静电力，激励所述质量块进行简谐运动，以驱动所述金属谐振子工作，其中，所述交变电压大于阈值电压。

在一个示例性实施例中，所述电容极板为变面积式双边梳齿电极式的板状电极，所述电容极板包括上下两片带电梳齿状电极对，所述电极对被配置为施加正弦高压形成电场，产生所述静电力，使所述质量块运动。

在一个示例性实施例中，所述电极对中的每个电极的材料为铝、厚度为0.2μm，所述电极对中的每个电极包括长度为20μm、齿宽为10μm的多个电极梳齿，多个所述电极梳齿压入在所述电极对和所述质量块之间的键合区。其中，所述质量块位于所述电极对的电极梳齿中间。

实施例5

本发明的实施例还提供了一种存储介质。可选地，在本实施例中，上述存储介质可以实现实施例4中的方法。

可选地，在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例还可以配置为：

1.一种静电激励电路，包括：激励电路，被配置为生成静电力作为金属谐振子中质量块的驱动力；电容极板，被配置为基于所述驱动力，对所述质量块施加交变的静电力，激励所述质量块进行简谐运动，以驱动所述金属谐振子工作，其中，所述交变电压大于阈值电压。

2.根据项1所述的静电激励电路，其中，所述激励电路包括：高压电路，被配置为生成正负直流高压，所述直流高压为大于等于电压阈值的电压；直流逆变电路，被配置为将输入的正负直流高压逆变为高压交变方波，并将所述高压交变方波经过滤波处理，转换为高压正弦波。

3.根据项2所述的静电激励电路，其中，所述直流逆变电路包括：光耦合隔离模块，被配置为对输入端信号进行电一光一电转化，使输出端信号对所述输入端信号不会产生影响，所述输入端信号是单片机产生的多路PWM波；驱动模块，被配置为基于所述多路PWM波输出驱动信号；半桥逆变模块，被配置为基于所述驱动信号的驱动，将所述正负直流高压逆变为所述高压交变方波；RC滤波模块，被配置为将所述高压交变方波经过滤波处理，转换为所述高压正弦波。

4.根据项3所述的静电激励电路，其中，所述光耦合隔离模块使用四通道光耦合隔离器，所述四通道中的每个通道互不影响，并分别并联一分流电阻，实现所述电一光一电转化。

5.根据项4所述的静电激励电路，其中，基于所输入的PWM波，所述四通道光耦合隔离器中的每个通道的耦合隔离器通过控制三极管通断产生交替的输出端信号。

6.根据项1所述的静电激励电路，其中，所述电容极板为变面积式双边梳齿电极式的板状电极，所述电容极板包括上下两片带电梳齿状电极对，所述电极对被配置为施加正弦高压形成电场，产生所述静电力，使所述质量块运动。

7.根据项1所述的静电激励电路，其中，所述电极对中的每个电极的材料为铝、厚度为0.2μm，所述电极对中的每个电极包括长度为20μm、齿宽为10μm的多个电极梳齿，多个所述电极梳齿压入在所述电极对和所述质量块之间的键合区。

8.根据项7所述的静电激励电路，其中，所述质量块位于所述电极对的电极梳齿中间。

9.一种金属壳谐振陀螺的控制系统，其中，所述控制系统包括：金属壳谐振陀螺，用于采集惯导数据；如项1至8所述的静电激励电路，用于激励所述金属壳谐振陀螺。

10.根据项9所述的控制系统，其中，所述控制系统还包括检测电路和数据解算组件，所述检测电路被配置为检测所述金属壳谐振陀螺的扰动，所述数据解算组件被配置为基于所述扰动，生成控制电压，并将所述控制电压输入给所述静电激励电路作为所述直流高压。

11.根据项9所述的控制系统，其中，基于以下公式生成所述控制电压：

其中，K

12.一种静电激励方法，包括：生成静电力作为金属谐振子中质量块的驱动力；电容极板基于所述驱动力，对所述质量块施加交变的静电力，激励所述质量块进行简谐运动，以驱动所述金属谐振子工作，其中，所述交变电压大于阈值电压。

13.一种金属壳谐振陀螺的控制方法，包括：金属壳谐振陀螺采集惯导数据；如项1至8所述的静电激励电路激励所述金属壳谐振陀螺。

14.根据项13所述的方法，其中，检测电路检测所述金属壳谐振陀螺的扰动，数据解算组件基于所述扰动，生成控制电压，并将所述控制电压输入给所述静电激励电路作为所述直流高压。

15.根据项13所述的方法，其中，基于以下公式生成所述控制电压：

其中，K

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到根据上述实施例的方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

上述实施例中的集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在上述计算机可读取的存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在存储介质中，包括若干指令用以使得一台或多台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的客户端，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。