微机械陀螺要维持振荡时的恒定振幅,往往通过调节驱动电压来调节振幅.因Yc=Q•Fekcos(ωnt-π2)显示振幅与是成正比.因此当闭环驱动系统的振幅过大时,则可以通过降低静电驱动力来适当的降低振幅,以此来抵消振幅的增长;反之,若振幅过小时,则同理通过相应的提高静电驱动力来调节振幅,以此维持恒定的振幅.下面讨论三种自动增益控制的方法来维持恒定的振幅.
1直流自动增益控制的闭环驱动的研究
本节讨论陀螺闭环驱动系统中引入直流自动增益控制电路,如图6.图中显示经转换过后产生的驱动检测电压,经信号放大、相位调整后出现两支路,其中一支路经限幅而产生Vac信号,另一支路则通过整流、低通、与参考电压相减之后再放大产生直流Vdc信号,最后将两种信号叠加作用在梳齿上以实现振荡振幅的自动增益控制.图7显示的是当Q值在2000到3000之间作正弦波动时的振幅变化情况.图8显示的是驱动梳齿上的驱动电压与Q值的时间变化图.图9显示振幅随着Q值变化而变化的时间—振幅关系图.再对比无自动增益控制的情形,由图9中的振幅波动明显要小于图5中振幅的波动,前者的上电起振时间约为0.11秒,相比图5的0.3秒要小很多.
2直流-交流自动增益控制的闭环驱动
本节讨论的是闭环驱动系统中引入直流-交流的自动增益控制电路,如图10.此法的原理是产生的检测电压通过滤波器、运算放大、相位调整产生Vac0,然后通过整流、低通,与参考电压相减并放大之后,得到Vd0,接着将Vd0与Vac0相乘得到Vac交流信号,再通过叠加直流Vdc和交流Vac作为作用在梳齿上的静电驱动力[7-8].此法的自动调节控制方法是通过对直流电压Vd0的调节来控制交流信号Vac0的幅值,进而达到自动调节Vac的幅值的目的,此法称之为幅值调制(DC-AMAGC).图11是直流电压Vd0随着Q值变化的时间电压图,图中显示此法的的上电起振时间约为0.1秒,而起振之后,0.2秒-0.6秒这时间段内驱动Q值(2000到3000)作正弦波动,直流电压Vd0也发生相应的变化.图12是经Vd0调制后Vac的波形.图13是振幅随着Q值变化而变化的时间—振幅关系图.
3交流自动增益控制的闭环驱动
本节讨论的是引入交流自动增益控制电路,如图14.此法原理当驱动系统中转换成驱动检测电压时,使其经过滤波器作用、信号放大、相位调整之后产生Vac0,然后对Vac0放大———与限幅电压比较———放大———限幅几个环节之后产生交流信号Vac,再将其与直流Vdc叠加作用在梳齿上作为静电驱动力.图15a显示Vac上电过程的时间-电压关系.图16b显示Vac在上电瞬间的局部时间-电压关系,图15c显示Vac在上电后进入稳定振幅时的局部时间-电压关系.b图和c图显示,交流自动增益控制是通过调节交流Vac电压的占空比来维持恒定的振荡幅值的[9].图16显示振动位移在上电过程及Q值在2000到3000之间从0.2秒-0.6秒过程中作正弦波动的时间振幅关系.
4三种AGC自动增益控制的对比
通过深入分析三种维持恒定振幅的AGC自动增益控制方法,总结自动控制功能的好坏往往受制于上电起振时间、Q值变化时调节振幅的能力、抗加速度冲击干扰能力这三方面[10].图17是对三种AGC自动增益控制方法的进行仿真分析和对比,主要得出以下方面的结论1)上电起振时间.三者的起振时间无较大差别,而相对来讲AC-AGC控制环路中不检测幅值,只是对交流信号放大处理之后,与限幅信号比较再放大后作为梳齿上的交流驱动电压,并且在反馈控制过程中无时延现象,因此此法相对来讲控制效果要稍好.2)Q值随时间变化时系统调节振幅的能力.图17分别示了三种自动增产控制电路在Q值随时间变化时振幅的波动情况,总体而言三种控制方法的效果不错[11].3)抗加速度干扰能力.如图17,在0.2秒瞬间,当微机械陀螺受沿陀螺振动方向的加速度冲击时,AC-AGC自动增益控制的闭环驱动中恢复到平衡位置的速度是最快,可以看出受到的影响是最小的.
5结论
通过上面的对比,DCAGC、DC-AMAGC及ACAGC这三种自动增益控制方法都可引入到用于维持恒幅振荡并且都有良好的效果.实际上,DCAGC这种自动控制电路相对简单,且在振荡过程中可以维持恒定振幅值,如此一来就可以使得驱动交流信号对检测信号的寄生干扰恒定,进而降低微机械陀螺的信噪比.
作者：王艳红 赵文智 杨明 单位：中国民航大学经济与管理学院
