MEMS陀螺仪是依靠哥氏力敏感角速度的，其控制系统分为驱动模态控制回路和检测模态控制回路，只有保证驱动模态振动幅度和谐振频率的实时跟踪，才能保证检测通道解调得到准确的输入角速度信息。本文将从多方面分析MEMS陀螺的驱动模态控制回路。
驱动模态控制回路模型
MEMS陀螺仪驱动模态的振动位移经过梳齿电容检测结构转换成电容变化量，实现位移-电容转换，再经过环形二极管电路将电容量转换成表征陀螺仪驱动位移的电压信号，实现电容-电压转换。之后信号将分别进入两个分支，一路信号通过自动增益控制(AGC)模块完成幅度控制，一路信号通过锁相环(PLL)模块完成相位控制。在AGC模块中信号首先通过乘法解调和低通滤波器解调出驱动位移信号的幅值，再经过 PI 环节将幅值控制在设定的参考值并输出驱动幅度的控制信号；在 PLL 模块中乘法解调所使用的基准信号与AGC模块使用的解调基准信号相正交，信号经过PLL模块后就可以跟踪陀螺仪的驱动谐振频率，模块的输出为驱动相位的控制信号。将两路控制信号相乘生成陀螺仪驱动电压，该电压施加在驱动梳齿上转换成静电驱动力来驱动陀螺仪的驱动模态，至此就构成了陀螺仪驱动模态的闭环控制回路。图1展示了MEMS陀螺的驱动模态控制回路。
图1 MEMS陀螺仪驱动模态控制结构框图
驱动模态传递函数
根据振动式MEMS陀螺仪驱动模态的动力学方程，做拉普拉斯变换，可以得到其连续域传递函数为：
式中，mx是陀螺仪驱动模态等效质量，ωx=√kx/mx为驱动模态谐振频率，Qx = mxωx/cx为驱动模态品质因数。
位移-电容转换环节
根据对梳齿检测电容的分析，在忽略边缘效应的情况下，位移-电容转换环节为线性的，差分电容量随位移变化的增益可以表示为：
式中，nx为陀螺驱动模态驱动检测活动梳齿个数，ε0为真空介电常数，hx为驱动检测梳齿的厚度，lx为静止时驱动检测活动梳齿与固定梳齿的重合长度，dx为梳齿间距。
电容-电压转换环节
本文中使用的电容-电压转换电路是环形二极管电路，其原理图如图2所示。
图2 环形二极管电路原理图
图中，C1和C2是陀螺仪差分检测电容，C3和C4是解调电容，Vca是方波幅值。其工作原理是：当方波在正半周期时，二极管D2、D4导通，则电容C1对C4充电，C2对C3充电；当方波在正半周期时，二极管D1、D3导通，则电容C1对C3放电，C2对C4放电。这样经过多个方波周期后，解调电容C3和C4上的电压将趋于稳定。其电压表达式为：
对于本文所研究的硅微机械陀螺仪，其静态电容在几pF量级，电容变化量小于0.5pF，而电路中使用的解调电容在百pF量级，所以有CC0 》∆C和C2》∆C2，简化式并求得电容电压转换增益为：
式中，Kpa为差分放大器的放大倍数C0为解调电容电容量，C为检测电容静态电容量，Vca为载波幅值，VD为二极管的导通压降。
锁相环环节
相位控制是MEMS陀螺仪驱动控制中重要的一环，使用锁相环技术可以在其捕获频段内跟踪输入信号的频率变化，并能锁定相移，因此，本文使用锁相环技术来进陀螺仪的相位控制，其基本结构框图如图3所示。
图3 锁相环基本结构框图
锁相环是一个负反馈的相位自动调节系统，其工作原理可以简述为：外部输入信号ui(t) 与压控振荡器输出的反馈信号uo(t)同时输入给鉴相器，完成两信号相位的比较，并在鉴相器的输出端输出一个体现两信号相位差θe(t)大小的误差电压信号ud(t)；该信号经过环路滤波器会滤除其中的高频分量和噪声，得到一个压控振荡器的控制电压uc(t)，压控振荡器会根据这个控制电压调节输出信号的频率，使其逐渐向输入信号的频率靠拢，并最终输出信号uo(t)，当ui(t)与uo(t)的频率相等或为一稳定值时，环路达到锁定状态。
自动增益控制
自动增益控制环节是一个幅值控制的闭环负反馈系统，该环节与锁相环结合一起为陀螺仪驱动模态提供幅值和相位稳定的振动，其结构示意图如图4所示。
图4 自动增益控制结构框图
自动增益控制环节的工作原理可简述如下：表示有陀螺仪驱动位移信息的电信号ui(t) 输入给幅值检测环节，使用乘法解调将驱动位移幅值信号提取出来，再经过低通滤波器滤除其中的高频分量和噪声；此时信号是一个较为纯净的表征驱动位移的直流电压信号，再经过一个PI环节将该信号控制在给出的基准值上，并输出控制驱动幅值的电信号ua(t)，完成幅度控制。
结论
本文介绍了MEMS陀螺的驱动模态控制回路，从模型，位移-电容转换环节，电容-电压转换环节，锁相环环节和自动增益控制进行介绍。Ericco作为研发MEMS陀螺的厂商，对MEMS陀螺做了细致的研究，也经常普及和分享MEMS陀螺的相关知识。想要深入了解MEMS陀螺，可以对ER-MG２-50/100和ER-MG2-300/400的参数进行参考。ER-MG２-50/100是一款寻北MEMS陀螺，多用于地面导航，其零偏不稳定性可以达到0.01-0.02°/hr，而ER-MG2-300/400则是一款导航MEMS陀螺，多用于空中和海上导航，其零偏不稳定性可以达到0.03-0.05°/hr。
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