吳 峰，王向軍，湯其劍

(1.天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；2.天津大學(xué)微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

MEMS陀螺具有體積小、重量輕、成本低、功耗小及可靠性高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍用和民用領(lǐng)域［1］。但由于其加工材料、工藝水平等的特殊性和局限性，小型化尺寸和構(gòu)造使其對周圍環(huán)境的變化很靈敏，這就直接限制了MEMS陀螺在高精度應(yīng)用領(lǐng)域的使用。隨著功耗及外界溫度的變化，MEMS陀螺的各項(xiàng)指標(biāo)，如零漂、刻度因子、靈敏度等都會發(fā)生相應(yīng)改變［2－3］。其中零漂是影響陀螺儀輸出精度的主要因素［4－5］。

為了降低溫度對MEMS陀螺零位輸出的影響，目前國內(nèi)采用的主要方法為有計(jì)劃地改變慣性器件測試環(huán)境或工作環(huán)境的溫度，通過大量試驗(yàn)，辨識出慣性器件靜、動態(tài)溫度模型，計(jì)算出相應(yīng)的附加誤差，進(jìn)行實(shí)時補(bǔ)償［6－8］。該方法需要大量時間用于MEMS陀螺恒溫，使陀螺內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度一致，這種研究方法效率較低。同時，相鄰兩個溫度點(diǎn)之間需要采用插值或分段補(bǔ)償?shù)姆椒ń⒘闫Ｐ?。插值和分段補(bǔ)償方法均無法準(zhǔn)確表達(dá)零漂模型，同時插值與分段補(bǔ)償?shù)仁侄问沟猛勇萘阄谎a(bǔ)償算法復(fù)雜化，CPU 占用率高［2，9］。

本文以實(shí)驗(yàn)室研制的微小型光電吊艙(＜1 kg)陀螺穩(wěn)定平臺為應(yīng)用背景，以某型硅微機(jī)械陀螺為研究基礎(chǔ)，采用區(qū)別于傳統(tǒng)的多點(diǎn)定溫測試［10－11］的全溫測試方法，提高了建立零漂模型的工作效率；研究出基于數(shù)字調(diào)節(jié)方法的零位補(bǔ)償技術(shù)，降低零位補(bǔ)償算法對CPU的使用率；最后對該補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，達(dá)到了較好的補(bǔ)償效果。

1 數(shù)字調(diào)節(jié)電路

與常用的純軟件補(bǔ)償不同，本文依據(jù)陀螺實(shí)際應(yīng)用限制，設(shè)計(jì)了一種以DSP、數(shù)字電位器等為核心的數(shù)字調(diào)節(jié)電路，以軟件與硬件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)陀螺零位補(bǔ)償。

1.1 零位補(bǔ)償原理

傳統(tǒng)的零位補(bǔ)償方法在準(zhǔn)確獲得零漂模型的基礎(chǔ)上，陀螺實(shí)際輸出值減去由零漂模型得到補(bǔ)償值，從而解算出陀螺瞬時速度值。本文通過全溫測試實(shí)驗(yàn)建立起全溫范圍內(nèi)的補(bǔ)償模型，依據(jù)當(dāng)前溫度采集值，求解出當(dāng)前的零偏值，再通過DSP重寫數(shù)字電位器輸出的補(bǔ)償值，實(shí)現(xiàn)陀螺零偏的電路補(bǔ)償。

1.2 數(shù)字調(diào)節(jié)電路結(jié)構(gòu)圖

如圖1虛線框內(nèi)所示為陀螺零位補(bǔ)償數(shù)字調(diào)節(jié)模塊電路結(jié)構(gòu)圖。兩路陀螺均為獨(dú)立模塊，其溫度信號經(jīng)低通濾波電路后進(jìn)行A/D采集，速率信號先進(jìn)行零位調(diào)整電路調(diào)整陀螺信號中心零位，再將調(diào)整后的陀螺信號進(jìn)行低通濾波。通過FPGA編寫的SPI模塊控制A/D采集芯片，并將采集到的陀螺數(shù)據(jù)存入FPGA內(nèi)設(shè)計(jì)的RAM中，待采集滿一定數(shù)據(jù)后觸發(fā)DSP外部中斷。DSP讀取FPGA中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，依據(jù)處理數(shù)據(jù)調(diào)整數(shù)字電位器輸出值。本方案選用MAX5494型數(shù)字電位器，MAX5494為雙通道、1024線、三端口、非易失電位器，采用SPI接口進(jìn)行控制。調(diào)節(jié)電路中，數(shù)字電位器以電壓形式輸出［12］。

圖1 數(shù)字調(diào)節(jié)電路結(jié)構(gòu)圖

由于陀螺外圍電路及自身特性的差異性，不同陀螺相同溫度下零位輸出值存在偏差［3］。因此，實(shí)用中進(jìn)行統(tǒng)一零位處理。本電路將數(shù)字電位器作為零位調(diào)整電路的可變量，數(shù)字電位器輸出與陀螺速率信號進(jìn)行差分，再通過一個加法電路，實(shí)現(xiàn)陀螺輸出信號的零位中心調(diào)整。

環(huán)境溫度變化時，DSP根據(jù)陀螺內(nèi)部溫度傳感器輸出的溫度變化，通過SPI調(diào)節(jié)數(shù)字電位器輸出，補(bǔ)償陀螺零位漂移信號；陀螺內(nèi)部溫度達(dá)到平衡后，數(shù)字電位器保持輸出值不變，實(shí)現(xiàn)電路對每一個速度值的溫度補(bǔ)償。

2 基于全溫測試的零位補(bǔ)償模型

本文采用全溫測試方法，所用MEMS陀螺能同時輸出溫度信號與速度信號，無需在多個特定溫度點(diǎn)長時間保溫，只需同時采集陀螺在溫度變化過程中溫度輸出信號與零位輸出信號，采用最小二乘算法擬合出零位漂移模型。

2.1 全溫測試實(shí)驗(yàn)

依據(jù)MEMS陀螺在微小型光電吊艙陀螺穩(wěn)定平臺里的應(yīng)用溫度要求，本實(shí)驗(yàn)對MEMS陀螺進(jìn)行－40℃ ～+60℃溫度區(qū)間的全溫測試。采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有高低溫箱(恒溫范圍－60℃ ～+150℃)進(jìn)行全溫測試。

實(shí)驗(yàn)過程:

(1)由DSP設(shè)定數(shù)字電位器兩通道寄存器寫入值N=511，數(shù)字電位器輸出為端電壓中心值；

(2)設(shè)定高低溫箱起始溫度為－40℃，同時，陀螺上電保持1 h；

(3)將高低溫箱恒溫值設(shè)成60℃，高低溫箱將自動升溫，同時PC機(jī)開始接收并保存DSP系統(tǒng)上傳的陀螺溫度與零位數(shù)據(jù)，每分鐘40組，每組數(shù)據(jù)中X軸與Y軸溫度、零位數(shù)據(jù)各500個；

(4)保持60℃恒溫，PC持續(xù)接收陀螺數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)－40℃ ～+60℃全溫采集。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，選取陀螺從－40℃升溫開始后1 h內(nèi)共2 400組數(shù)據(jù)建立零漂模型。通過分離每組數(shù)據(jù)中的X軸和Y軸的溫度與零位數(shù)據(jù)，求平均并分別按時間為橫坐標(biāo)繪制曲線如圖2所示。

由圖2可推斷，X軸與Y軸溫度輸出信號基本一致，而零位輸出存在較大偏差，證明了不同陀螺以及信號調(diào)理電路存在差異性和統(tǒng)一中心零位的必要性。

2.2 零漂模型

由于數(shù)字調(diào)節(jié)電路中存在對陀螺速度信號的差分，因而陀螺零位隨溫度升高而降低。由圖2可知，二者間存在一定相關(guān)性。本文采用最小二乘方法對X軸、Y軸的溫度輸出與零位輸出分別進(jìn)行二次擬合，得到擬合曲線如圖3所示。

圖2 全溫測試中零位與溫度隨時間變化曲線

圖3 零位隨溫度變化二次擬合曲線

得到擬合方程分別為:

圖3可知，二次擬合曲線基本與實(shí)際點(diǎn)重合。因此，可采用二次擬合曲線作為零漂模型。

2.3 零偏—數(shù)字電位器調(diào)整值模型

式(1)給出了X軸陀螺與Y軸陀螺零位輸出與陀螺內(nèi)部溫度之間的關(guān)系，由第1節(jié)可知，陀螺采用統(tǒng)一零位中心，因此，需要得出零偏值與保持零位穩(wěn)定時的數(shù)字電位器調(diào)整值之間的關(guān)系模型。由于無法準(zhǔn)確獲得信號調(diào)整電路部分的數(shù)學(xué)模型，研究中采用軟件測試中常用的“黑盒測試”原理，不考慮具體電路的數(shù)學(xué)模型，只需得出零偏與數(shù)字電位器調(diào)整值之間的對應(yīng)關(guān)系。

本文設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn):

(1)取下陀螺模塊，采用微調(diào)電源模擬陀螺速度信號，以陀螺常溫下靜止輸出電壓信號為中心上下調(diào)整電源信號，模擬陀螺零位漂移，將電源信號同時連接到數(shù)字調(diào)節(jié)電路中X軸與Y軸陀螺信號輸入端；

(2)用微調(diào)電源給定陀螺常溫下靜止輸出電壓信號，當(dāng)數(shù)字電位器N0=511時，PC機(jī)接收A/D采集值，提取X軸與Y軸陀螺信號采集值記為Vx、Vy，保持電源電壓不變，通過PC發(fā)送串口指令，調(diào)整數(shù)字電位器N值，使得X軸與Y軸陀螺信號采集值盡可能的接近零位中心值8 200，記錄此時的陀螺采集值Vx0，Vy0以及Nx，Ny；

(3)重復(fù)步驟(2)，改變電源電壓，以陀螺常溫下靜止時輸出電壓為中心上下各10組共21組，記錄各組數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線如圖4所示。

圖4 零偏值與數(shù)字電位器調(diào)整值擬合曲線

由圖4可知數(shù)字電位器的調(diào)整值與電壓偏差值具有較好的線性關(guān)系。擬合曲線方程為:

其中:

式(2)即零偏—數(shù)字電位器調(diào)整值模型。

2.4 零位補(bǔ)償模型

結(jié)合式(1)～式(5)可以分別得出X軸與Y軸的零位補(bǔ)償模型如下:

通過采集陀螺內(nèi)部溫度值，即能求解出數(shù)字電位器輸出值，再通過DSP的SPI接口將解算得到的輸出值分別寫入到對應(yīng)的數(shù)字電位器寄存器，實(shí)現(xiàn)陀螺零位補(bǔ)償。

3 溫度補(bǔ)償試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證零位補(bǔ)償模型的正確性，本節(jié)給出了DSP溫度補(bǔ)償流程以及補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 補(bǔ)償流程

如圖5所示為DSP中溫度補(bǔ)償流程圖，補(bǔ)償過程在外部中斷中進(jìn)行，每采集一定次數(shù)后對X軸與Y軸溫度信號求一次均值，再分別代入零位補(bǔ)償模型，解算得出當(dāng)前數(shù)字電位器輸出值，當(dāng)解算值與前一次寫入值不相等時，DSP將新值寫入數(shù)字電位器，同時保存當(dāng)前值。圖中虛線表示該部分為電路調(diào)節(jié)。

圖5 溫度補(bǔ)償流程圖

3.2 溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)與全溫測試實(shí)驗(yàn)條件、步驟相同，設(shè)定:X軸陀螺進(jìn)行溫度補(bǔ)償，Y軸陀螺不進(jìn)行溫度補(bǔ)償作對比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 全溫補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由圖6可知，Y軸陀螺在全溫范圍內(nèi)變化約400個采集值，由圖2可知X軸陀螺與Y軸陀螺在全溫范圍內(nèi)變化值相近，而補(bǔ)償后的X軸在同樣的溫度變化范圍變化小于40個采集值，穩(wěn)定精度提高10倍以上，達(dá)到明顯的補(bǔ)償效果。同時，X軸陀螺零位采集值基本保持在8 200左右，實(shí)現(xiàn)了零位中心調(diào)整。

4 結(jié)論

本文提出的全溫零位補(bǔ)償測試方法不需要在多個特定溫度下長時間保溫，節(jié)省了陀螺零位特性研究的實(shí)驗(yàn)時間，提高了實(shí)用效率。采用基于數(shù)字調(diào)節(jié)方法的零位補(bǔ)償技術(shù)，軟件硬件相結(jié)合，有效的補(bǔ)償了陀螺在全溫范圍內(nèi)的零位漂移，同時簡化了補(bǔ)償算法在DSP內(nèi)的運(yùn)算過程，具有耗時少、可實(shí)現(xiàn)性好及高效等優(yōu)點(diǎn)。

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