基于數字調節方法的MEMS陀螺零位補償技術研究

吳 峰，王向軍，湯其劍

(1.天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津 300072；2.天津大學微光機電系統技術教育部重點實驗室，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，廣泛應用于軍用和民用領域［1］。但由于其加工材料、工藝水平等的特殊性和局限性，小型化尺寸和構造使其對周圍環境的變化很靈敏，這就直接限制了MEMS陀螺在高精度應用領域的使用。隨著功耗及外界溫度的變化，MEMS陀螺的各項指標，如零漂、刻度因子、靈敏度等都會發生相應改變［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，目前國內采用的主要方法為有計劃地改變慣性器件測試環境或工作環境的溫度，通過大量試驗，辨識出慣性器件靜、動態溫度模型，計算出相應的附加誤差，進行實時補償［6－8］。該方法需要大量時間用于MEMS陀螺恒溫，使陀螺內部溫度與環境溫度一致，這種研究方法效率較低。同時，相鄰兩個溫度點之間需要采用插值或分段補償的方法建立零漂模型。插值和分段補償方法均無法準確表達零漂模型，同時插值與分段補償等手段使得陀螺零位補償算法復雜化，CPU 占用率高［2，9］。

本文以實驗室研制的微小型光電吊艙(＜1 kg)陀螺穩定平臺為應用背景，以某型硅微機械陀螺為研究基礎，采用區別于傳統的多點定溫測試［10－11］的全溫測試方法，提高了建立零漂模型的工作效率；研究出基于數字調節方法的零位補償技術，降低零位補償算法對CPU的使用率；最后對該補償技術進行驗證，達到了較好的補償效果。

1 數字調節電路

與常用的純軟件補償不同，本文依據陀螺實際應用限制，設計了一種以DSP、數字電位器等為核心的數字調節電路，以軟件與硬件相結合的方法實現陀螺零位補償。

1.1 零位補償原理

傳統的零位補償方法在準確獲得零漂模型的基礎上，陀螺實際輸出值減去由零漂模型得到補償值，從而解算出陀螺瞬時速度值。本文通過全溫測試實驗建立起全溫范圍內的補償模型，依據當前溫度采集值，求解出當前的零偏值，再通過DSP重寫數字電位器輸出的補償值，實現陀螺零偏的電路補償。

1.2 數字調節電路結構圖

如圖1虛線框內所示為陀螺零位補償數字調節模塊電路結構圖。兩路陀螺均為獨立模塊，其溫度信號經低通濾波電路后進行A/D采集，速率信號先進行零位調整電路調整陀螺信號中心零位，再將調整后的陀螺信號進行低通濾波。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據存入FPGA內設計的RAM中，待采集滿一定數據后觸發DSP外部中斷。DSP讀取FPGA中的數據并進行處理，依據處理數據調整數字電位器輸出值。本方案選用MAX5494型數字電位器，MAX5494為雙通道、1024線、三端口、非易失電位器，采用SPI接口進行控制。調節電路中，數字電位器以電壓形式輸出［12］。

圖1 數字調節電路結構圖

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，實用中進行統一零位處理。本電路將數字電位器作為零位調整電路的可變量，數字電位器輸出與陀螺速率信號進行差分，再通過一個加法電路，實現陀螺輸出信號的零位中心調整。

環境溫度變化時，DSP根據陀螺內部溫度傳感器輸出的溫度變化，通過SPI調節數字電位器輸出，補償陀螺零位漂移信號；陀螺內部溫度達到平衡后，數字電位器保持輸出值不變，實現電路對每一個速度值的溫度補償。

2 基于全溫測試的零位補償模型

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 全溫測試實驗

依據MEMS陀螺在微小型光電吊艙陀螺穩定平臺里的應用溫度要求，本實驗對MEMS陀螺進行－40℃ ～+60℃溫度區間的全溫測試。采用實驗室現有高低溫箱(恒溫范圍－60℃ ～+150℃)進行全溫測試。

實驗過程:

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

(2)設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成60℃，高低溫箱將自動升溫，同時PC機開始接收并保存DSP系統上傳的陀螺溫度與零位數據，每分鐘40組，每組數據中X軸與Y軸溫度、零位數據各500個；

(4)保持60℃恒溫，PC持續接收陀螺數據，從而實現－40℃ ～+60℃全溫采集。

實驗結束后，選取陀螺從－40℃升溫開始后1 h內共2 400組數據建立零漂模型。通過分離每組數據中的X軸和Y軸的溫度與零位數據，求平均并分別按時間為橫坐標繪制曲線如圖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理電路存在差異性和統一中心零位的必要性。

2.2 零漂模型

由于數字調節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際點重合。因此，可采用二次擬合曲線作為零漂模型。

2.3 零偏—數字電位器調整值模型

式(1)給出了X軸陀螺與Y軸陀螺零位輸出與陀螺內部溫度之間的關系，由第1節可知，陀螺采用統一零位中心，因此，需要得出零偏值與保持零位穩定時的數字電位器調整值之間的關系模型。由于無法準確獲得信號調整電路部分的數學模型，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學模型，只需得出零偏與數字電位器調整值之間的對應關系。

本文設計了以下實驗:

(1)取下陀螺模塊，采用微調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整電源信號，模擬陀螺零位漂移，將電源信號同時連接到數字調節電路中X軸與Y軸陀螺信號輸入端；

(2)用微調電源給定陀螺常溫下靜止輸出電壓信號，當數字電位器N0=511時，PC機接收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發送串口指令，調整數字電位器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，記錄各組數據。

實驗數據擬合曲線如圖4所示。

圖4 零偏值與數字電位器調整值擬合曲線

由圖4可知數字電位器的調整值與電壓偏差值具有較好的線性關系。擬合曲線方程為:

其中:

式(2)即零偏—數字電位器調整值模型。

2.4 零位補償模型

結合式(1)～式(5)可以分別得出X軸與Y軸的零位補償模型如下:

通過采集陀螺內部溫度值，即能求解出數字電位器輸出值，再通過DSP的SPI接口將解算得到的輸出值分別寫入到對應的數字電位器寄存器，實現陀螺零位補償。

3 溫度補償試驗及結果分析

為了驗證零位補償模型的正確性，本節給出了DSP溫度補償流程以及補償實驗，并對實驗結果進行分析。

3.1 補償流程

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

圖5 溫度補償流程圖

3.2 溫度補償實驗

溫度補償實驗與全溫測試實驗條件、步驟相同，設定:X軸陀螺進行溫度補償，Y軸陀螺不進行溫度補償作對比。實驗結果如圖6所示。

圖6 全溫補償實驗結果

3.3 實驗結果分析

由圖6可知，Y軸陀螺在全溫范圍內變化約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變化值相近，而補償后的X軸在同樣的溫度變化范圍變化小于40個采集值，穩定精度提高10倍以上，達到明顯的補償效果。同時，X軸陀螺零位采集值基本保持在8 200左右，實現了零位中心調整。

4 結論

本文提出的全溫零位補償測試方法不需要在多個特定溫度下長時間保溫，節省了陀螺零位特性研究的實驗時間，提高了實用效率。采用基于數字調節方法的零位補償技術，軟件硬件相結合，有效的補償了陀螺在全溫范圍內的零位漂移，同時簡化了補償算法在DSP內的運算過程，具有耗時少、可實現性好及高效等優點。

［1］何昆鵬.MEMS慣性器件參數辨識及系統誤差補償技術［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2009.

［2］秦偉，苑偉政，常洪龍，等.基于模糊邏輯的MEMS陀螺零漂溫度補償技術研究［J］.彈箭與制導學報，2011，31(6):19－22.

［3］陳懷，張嶸，周斌，等.微機械陀螺儀溫度特性及補償算法研究［J］.傳感器技術，2004，23(10):24－26.

［4］程龍，王壽榮，葉甫.硅微機械振動陀螺零偏溫度補償研究［J］.傳感技術學報，2008，21(3):483－485.

［5］Michael I Ferguson，Didier Keymeulen，Chris Peay，et al.Effect of Temperature on MEMS Vibratory Rate Gyroscope［C］//Aerospace Conference，2005 IEEE，5－12 March 2005，1－5.

［6］許德新，何昆鵬，梁海波.MEMS慣性測量組件的溫度誤差補償模型研究［J］.哈爾濱工程大學學報，2010，31(5):607－613.

［7］羅兵，吳美平，尹文，等.微機械陀螺溫度系數的快速標定方法［J］.傳感技術學報，2010，23(10):1444－1448.

［8］羅兵，尹文.微機械陀螺零偏溫度梯度建模［J］.電光與控制，2008，15(11):29－31.

［9］夏敦柱，王壽榮，周百令.硅微陀螺儀零偏溫度性能補控方法設計［J］.東南大學學報，2012，42(2):290－294.

［10］滿海鷗，肖定邦，吳學忠，等.基于驅動頻率的硅微陀螺零偏補償方法研究［J］.傳感技術學報，2012，25(5):624－627.

［11］溫佰仟.微小型MEMS陀螺的誤差特性研究［D］.南京:南京航空航天大學，2008.

［12］MAX5494ETE［G］.Maxim Integrated Products，19－3562，Rev 1，6/05.