微机械陀螺仪的工作原理及其应用

2009-12-29 13:15:47 作者：admin 来源：

图1，哥氏力现象。

　　微机械陀螺仪的工作原理

　　微机械陀螺仪利用了哥氏力现象，其原理如图1所示。当图中的物体沿X轴做周期性振动或其他运动时，并且XY坐标系沿Z轴做角速度为Ωz旋转运动，就会在该物体上产生一个沿Y轴方向的哥氏力，其矢量可按式1计算[1]。

（1）

　　式中：F(t)是哥氏力，m是该物体的质量，ΩZ是坐标系旋转的角速度，是该物体的矢量速度。

图2，LY530AL单轴偏航陀螺仪结构

　　微机械陀螺仪LY530AL，它采用了对称的双质量块结构，如图2所示。滑块1和1’是检测质量块， 2和2’是驱动质量块，并且检测质量块是附着在驱动质量块之上。受限于结构件3，检测质量块能够被动的随驱动质量块沿驱动轴（X轴）运动，而在检测轴（Y轴）方向，检测质量块则能在哥氏力的作用下自由运动。所以检测质量块会有两个轴向运动，一个是随驱动质量块沿X轴的受限被动运动，另一个是由哥氏力牵引着在Y轴的自由运动。4（4’）和5（5’）分别是驱动电极和检测电极。[2]
根据式1，哥氏力产生的加速度为a(t)=2ΩZ×。振动速度为已知量，如果得到检测质量块上的哥氏力加速度a(t)，然后结合振动速度进行同步解调，就可以检测出XY坐标系的旋转角速度。这就是微机械振动陀螺仪的基本工作过程。由于加速度的检测方法较为简单，而保持一个振幅和频率都恒定的振动速度却比较困难，所以振动速度χ(t)对角速度的检出起着关键作用。下面就LY530AL中振动驱动控制部分做一讨论。

　　检测质量块的位移方程为：

　 （2）

　　对式2求导可得振动速度方程：

　 （3）

图3, 驱动电路双闭环控制。

　　因此，维持了恒定的陀螺仪振幅χo，就能使振动的速度的χ(t)幅值χ0wd恒定。再根据式1可知，只要保持振动速度χ(t)的幅值恒定就能使哥氏力加速度与输入角速率Ω成线性变化关系。因此，检测质量块的振动频率和振幅直接决定陀螺仪的检测精度。检测质量块的驱动电路的主要功能是维持微机械陀螺振荡时恒定的幅值，即恒幅振荡。在早期的微机械陀螺仪中，驱动电路采用开环控制的方式，由外部的振荡器来驱动内部质量块的振动，此时的振幅往往会随温度的变化而变化，导致了振幅的不可控性，从而影响了微机械陀螺仪的检测精度的一致性。为此，后续的微机械陀螺仪中集成一个温度传感器，但是这样的解决方法非常受限，主要是因为振幅与温度变化之间的非线性，增加了校正的难度。

　　为解决上述问题，使驱动质量块做一个频率可控和幅度恒定的振动， LY530AL中驱动电路采用了双闭环的结构，并且采取离散的自动增益控制方式，如图3所示。在LY530AL的驱动微机械的结构中，制作两种梳状电极：静电力驱动电极和振动速度检测电极，两个电极独立工作。静电力驱动电极用来产生静电力驱动检测质量块，控制内环通过该电极产生静电力驱动质量块进行恒频振动，但是只在内环的控制下，振幅是可以预知，但是不可控。为此，在内环路中引入了一个可变增益放大器（VGA）。振动速度检测电极测量质量块的峰值速度x(t)来获得振荡的幅度，经过跨阻放大器放大和PID校正后，控制可变增益放大器（VGA），从而达到控制振幅的目的。并且为了后续的解调，锁相环（PLL）用来锁定跨阻放大器的输出端，产生一个用于解调的同步系统时钟CLKDEM。

图4，检测电路结构

　　由式1可知，所要检测的角速度ΩZ是调制在驱动质量块振动速度上的，因此在检测电路中需要采取与驱动电路同步的解调方式。对于检测质量块在检测轴上的运动采用了全差分开环的架构，如图4所示。齿状差分电容对产生的信号被电荷放大器放大后，和CLKDEM一起送入混合器中进行双边带抑制载波解调，然后经低通滤波器滤除高频信号，送入ADC或者直接输出，这样就得到了所要的角速度值。

　　实践证明，上述的驱动环路能够驱动质量块产生一个可控的振动频率和振幅，较好地解决了温度或者其它制作缺陷对检测振幅的影响，显著提高其检测精度。在-40°C到85°C的温度范围内，LPR530AL的灵敏度控制在4%之内，零角速度输出只有5°/s。并且具有较快的启动速度和较短自恢复时间。

　　微机械陀螺仪的性能参数及应用

　　微机械陀螺仪的重要参数包括：分辨率（Resolution）、零角速度输出、灵敏度（Sensitivity）和测量范围，这些参数是评判微机械陀螺仪性能的重要标志，同时也决定了该陀螺仪的应用环境。分辨率是指陀螺仪能够检测的最小的角速度，该参数和零角速度输出其实是由陀螺仪的白噪声决定，白噪声一般用°/s/√Hz来表征，LY530AL的白噪声只有：0.1°/s/√Hz。这三个参数着重说明该陀螺的内部性能和其抗干扰能力，而对使用者而言，灵敏度更有实际的意义，其单位是mV/°/s，由此用户可选用适合的ADC来与之匹配。测量范围是指陀螺仪能够测量的最大的角速度，单位是°/s，不同的应用对陀螺仪的测量范围有不同的要求，LY530AL的测量范围是±300°/s，能够适合大多数的应用。

图5, LY530AL典型应用电路图

　　LY530AL典型应用电路如图5所示，它提供两种接口：模拟或者数字接口（I2C/SPI），可以通过管脚5来选择所希望的接口方式。在上文中已经提到，LY530AL需要一个锁相环来同步驱动和检测两部分电路，C1、C2和R1为锁相环所需一个二阶低通滤波器[4]。

　　如图5中所示，LY530AL在模拟输出端集成了两个一阶片上滤波器用来滤除高频信号：开关电容低通滤波器（截至频率：400Hz）和一个有源滤波器。有源滤波器的电阻为180kΩ，已经集成在芯片内部，使用时需要外接电容CACT来设置截至频率计算方法如式4。如果上述两级低通还不能滤除高频噪声，LY530AL还支持外接ROPT和COPT构成的低通滤波器。当LY530AL与ADC之间走线较长时，其中还可加入运算放大器增强其驱动能力来符合ADC对输入信号的要求。

　　（4）

　　对于便携式设备而言，器件的功耗非常重要，直接影响其待机的时间。在使用其模拟接口时，LY530AL消耗电流典型值为：4.8mA，并还设置有一个PD管脚，控制其在待机时进入掉电模式，在该模式下消耗电流小于1μA。由于微机械陀螺仪内部有振荡的微机械部分，LY530AL还设有自测的功能，能够自行检测其内部的微机械部分是否正常。在使用模拟接口时，通过ST管脚来启动自测功能，这时芯片内部会产生一个静电力作用在微机械部分上，来模拟一定的哥氏力，输出电压也会随之变化。如果电压的变化值在一定的范围之内，说明芯片内部的微机械结构工作正常。

图6, STM32-Primer2外形图

图7，STM32-Primer2扩展连接器接口

　　微机械陀螺仪在新型鼠标或遥控器中的应用

　　STM32-PRIMER2是STM最新的STM32开发工具，如图6所示，其配置了128×160像素的彩色触摸屏显示器、方向控制按键、USB接口、外部扩展连接器、MEMS加速度传感器等，通过内置的开源CircleOS软件框架，用户可以轻松地管理所有组件[6]。为支持更多的外设，STM32-PRIMER2提供了20针的扩展连接器，其中包括一个UART接口、SPI、音频I2S接口以及ADC输入接口等，如图7所示。 同时其采用了STM公司的高精度加速度传感器LIS3LV02DL，加速度分辨率可达到1mg。为验证LY530AL的性能，通过STM32-PRIMER2的20针的扩展连接器，构建如图8所示的测试系统。

图8，LY530AL评估系统框图

　　该评估系统无线通讯部分采用STM的蓝牙收发模块GS-BT2416C2通过UART接口和主处理器STM32F103VET6进行通讯；采用了两颗LY530AL分别检测Yaw和Pitch上的转动，一颗水平放置，另一颗垂直主板放置，分别通过SPI接口和主处理器进行通讯；三轴的加速度传感器LIS3LV02DL用来检测遥控器在XYZ三个轴上的水平移动，主处理器STM32F103VET6负责数据的采集和处理。

该评估系统经蓝牙与笔记本相连接进行验证，其具有很好的灵敏度和响应速度，在使用过程中不存在光标漂移现象，完全可以取代传统的鼠标。再与机顶盒连接测试时，相较于现有复杂的多按键遥控器，具有更好的直观性，只需要利用3至5个按键，就可以对选单目录进行操控。

　　结论

　　本文介绍意法半导体微机械陀螺仪LY530AL的基本工作原理和使用方法，通过对驱动电路采用双闭环控制，有效解决温度等因素对陀螺仪检测精度的影响。讨论了LY530AL的主要参数以及它们在不同应用中的注意事项，最后LY530AL陀螺仪结合STM32评估测试板STM32-PRIMER2，实现了新型遥控器和空中鼠标，验证LY530AL的性能。

参考文献：
[1] N. Yazdi, F. Ayazi, and K. Najafi, “MICROMACHINED INERTIAL SENSORS,” Proceedings of the IEEE, vol. 86, No. 8, pp. 1640 – 1659, Aug. 1998.
[2] R. Oboe, R. antonello, E. Lasalandra, G. Spinola, L. Prandi, “CONTROL OF A Z-AXIS MEMS VIBRATIONAL GYROSCOPE,” ST Journal of Research, vol 3, No. 1, pp. 53 – 62, July. 2006.
[3] D. Liu, X. Chi, J. Cui, L. Lin, Q. Zhao, Z. Yang and G. Yan, “ Research on temperature dependent characteristics and compensation methods for digital gyroscope,” 3rd International Conference on Sensing Technology, Nov. 30 – Dec. 3, 2008, Tainan, Taiwan.
[4] LY530AL Datasheet,
[5]李锦明，“电容式微机械陀螺仪设计”， ISBN 7-118-04585-3，北京：国防工业出版社，2006.7.
[6] STM32-PRIMER2 specification, http://www.STMicroelectronics.com.cn.