МЭМС-гироскоп зависит от угловой скорости, чувствительной к силе Кориолиса, и его система управления разделена на контур управления режимом привода и контур управления режимом обнаружения. Только обеспечив отслеживание в реальном времени амплитуды вибрации и резонансной частоты в режиме привода, демодуляция канала обнаружения может получить точную входную информацию об угловой скорости. В этой статье будет проанализирован контур управления режимом движения МЭМС-гироскопа со многих аспектов.
Модель контура модального управления приводом
Вибрационное смещение режима привода МЭМС-гироскопа преобразуется в изменение емкости через структуру обнаружения гребенчатого конденсатора, а затем емкость преобразуется в сигнал напряжения, характеризующий смещение привода гироскопа, через схему кольцевого диода. После этого сигнал поступит в две ветви соответственно: один сигнал через модуль автоматической регулировки усиления (АРУ) для достижения контроля амплитуды, один сигнал через модуль фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для достижения управления фазой. В модуле АРУ амплитуда сигнала смещения привода сначала демодулируется с помощью умножения и фильтра нижних частот, а затем амплитуда регулируется по заданному опорному значению через PI-связь и выводится сигнал управления амплитудой привода. Опорный сигнал, используемый для демодуляции умножения в модуле ФАПЧ, ортогонален опорному сигналу демодуляции, используемому в модуле АРУ. После прохождения сигнала через модуль ФАПЧ можно отслеживать управляющую резонансную частоту гироскопа. Выходом модуля является управляющий сигнал фазы движения. Два управляющих сигнала умножаются для генерации напряжения возбуждения гироскопа, которое подается на приводную гребенку и преобразуется в электростатическую движущую силу для управления режимом привода гироскопа, чтобы сформировать замкнутый контур управления режимом привода гироскопа. На рисунке 1 показан контур управления режимом привода МЭМС-гироскопа.
Рисунок 1. Блок-схема структуры управления режимом привода MEMS-гироскопа.
Функция модальной передачи привода
Согласно динамическому уравнению режима движения вибрационного МЭМС-гироскопа , передаточная функция непрерывной области может быть получена преобразованием Лапласа:
Где m x - эквивалентная масса режима привода гироскопа, ω x =√k x /m x - резонансная частота режима привода, а Q x = m x ω x /c x - добротность привода. режим.
Ссылка для преобразования смещения-емкости
Согласно анализу емкости обнаружения зубцов гребенки, звено преобразования смещения-емкости является линейным, когда краевой эффект игнорируется, а усиление дифференциальной емкости, изменяющейся со смещением, может быть выражено как:
Где n x - количество активных гребенок, приводимых в действие гироскопическим режимом, ε 0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, h x - толщина гребенок обнаружения движения, l x - длина перекрытия активных гребен обнаружения движения и неподвижных гребенок в состоянии покоя. , d x — расстояние между зубьями.
Звено преобразования емкости в напряжение
Схема преобразования напряжения конденсатора, используемая в этой статье, представляет собой схему с кольцевым диодом, принципиальная схема которой показана на рисунке 2.
Рисунок 2. Принципиальная схема кольцевого диода.
На рисунке C 1 и C 2 — конденсаторы дифференциального обнаружения гироскопа, C 3 и C 4 — конденсаторы демодуляции, а Vca — амплитуды прямоугольных импульсов. Принцип работы таков: когда прямоугольная волна находится в положительном полупериоде, диоды D2 и D4 включаются , затем конденсатор C1 заряжает C4 , а C2 заряжает C3 ; Когда прямоугольный сигнал находится в положительном полупериоде, диоды D1 и D3 включаются , затем конденсатор C1 разряжается в C3 , а конденсатор C2 разряжается в C4 . Таким образом, после нескольких циклов прямоугольных импульсов напряжение на демодулированных конденсаторах С 3 и С 4 стабилизируется. Его выражение напряжения:
Для кремниевого микромеханического гироскопа, изучаемого в этой статье, его статическая емкость составляет порядка нескольких пФ, а изменение емкости составляет менее 0,5 пФ, в то время как емкость демодуляции, используемая в схеме, составляет порядка 100 пФ, поэтому существуют CC 0》∆C и C 2》∆C 2 , а коэффициент преобразования напряжения конденсатора получается по упрощенной формуле:
Где Kpa — коэффициент усиления дифференциального усилителя, C 0 — емкость демодуляции, C — статическая емкость емкости обнаружения, V ca — амплитуда несущей, а V D — падение напряжения на диоде.
Фазовая автоподстройка частоты
Фазовый контроль является важной частью управления приводом МЭМС-гироскопа . Технология фазовой автоподстройки частоты позволяет отслеживать изменение частоты входного сигнала в захваченной полосе частот и фиксировать фазовый сдвиг. Поэтому в этой статье для входа в управление фазой гироскопа используется технология фазовой автоподстройки частоты, а ее базовая структурная блок-схема показана на рисунке 3.
Фигура. 3 Блок-схема базовой структуры ФАПЧ
ФАПЧ представляет собой систему автоматического регулирования фазы с отрицательной обратной связью, принцип ее работы можно резюмировать следующим образом: внешний входной сигнал ui(t) и сигнал обратной связи uo(t) на выходе ГУН подаются на фазовый дискриминатор одновременно для завершают сравнение фаз двух сигналов, и выходной конец фазового дискриминатора выдает сигнал напряжения ошибки ud(t), отражающий разность фаз θe(t) двух сигналов; Сигнал через петлевой фильтр будет отфильтровывать высокочастотные компоненты и шум, получать генератор управления напряжением uc(t), генератор управления напряжением будет регулировать частоту выходного сигнала в соответствии с этим управляющим напряжением, так что он постепенно приближается. к частоте входного сигнала и конечному выходному сигналу uo(t). Когда частота ui(t) равна uo(t) или стабильному значению, контур достигает состояния блокировки.
Автоматическая регулировка усиления
Автоматическая регулировка усиления (АРУ) представляет собой замкнутую систему отрицательной обратной связи с регулировкой амплитуды, которая в сочетании с фазовой автоподстройкой частоты обеспечивает стабильную по амплитуде и фазе вибрацию для режима привода гироскопа. Его структурная схема представлена на рисунке 4.
Рисунок 4. Структурная схема автоматической регулировки усиления.
Принцип работы автоматической регулировки усиления можно резюмировать следующим образом: сигнал u i (t) с информацией о смещении привода гироскопа вводится в линию обнаружения амплитуды, сигнал амплитуды смещения привода извлекается путем демодуляции умножения, а затем высокочастотный сигнал. частотная составляющая и шум фильтруются фильтром нижних частот; В это время сигнал представляет собой относительно чистый сигнал напряжения постоянного тока, который характеризует смещение привода, а затем управляет сигналом при заданном опорном значении через PI-связь и выводит электрический сигнал u a (t), который управляет амплитудой привода, чтобы завершить контроль амплитуды.
Заключение
В этой статье представлен контур управления режимом движения МЭМС-гироскопа , включая модель, преобразование разблокировки-емкости, преобразование емкости-напряжения, фазовую автоподстройку частоты и автоматическую регулировку усиления. Как производитель гироскопических датчиков MEMS, компания Ericco провела детальное исследование гироскопов MEMS и часто популяризировала и делилась соответствующими знаниями о гироскопах MEMS. Для более глубокого понимания работы MEMS-гироскопа вы можете обратиться к параметрам ER-MG2-50/100 и ER-MG2-300/400. ER-MG2-50/100 — это MEMS-гироскоп для определения севера, в основном используемый для наземной навигации, его нестабильность нулевого смещения может достигать 0,01–0,02°/час, а ER-MG2-300/400 — это навигационный MEMS-гироскоп, в основном используемый для воздушное и морское судоходство. Неустойчивость нулевого смещения может достигать 0,03-0,05°/час.
Если вы заинтересованы в дополнительных знаниях и продуктах MEMS, пожалуйста, свяжитесь с нами.
https://www.ericcointernational.com/application/analysis-of-mems-gyroscope-drive-mode-control-loop.html
