Анализ контура управления режимом работы MEMS-гироскопа

Основные положения

MEMS-гироскоп работает на основе угловой скорости, чувствительной к силе Кориолиса, и его система управления делится на контур управления режимом привода и контур управления режимом обнаружения. Только обеспечивая отслеживание амплитуды колебаний в режиме привода и резонансной частоты в реальном времени, демодуляция канала обнаружения позволяет получить точную информацию об угловой скорости на входе. В данной статье будет проведен анализ контура управления режимом привода MEMS-гироскопа с разных сторон.

Модель контура управления режимами привода

Вибрационное смещение в режиме работы MEMS-гироскопа преобразуется в изменение емкости с помощью структуры обнаружения с гребенчатым конденсатором, а затем емкость преобразуется в сигнал напряжения, характеризующий смещение гироскопа, через кольцевую диодную схему. После этого сигнал поступает в две ветви: одна проходит через модуль автоматической регулировки усиления (АРУ) для управления амплитудой, а другая — через модуль фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) для управления фазой. В модуле АРУ амплитуда сигнала смещения сначала демодулируется путем умножения и низкочастотного фильтра, а затем амплитуда регулируется до заданного опорного значения через ПИ-канал, и на выходе получается управляющий сигнал амплитуды. Опорный сигнал, используемый для умножения и демодуляции в модуле ФАПЧ, ортогонален опорному сигналу демодуляции, используемому в модуле АРУ. После прохождения сигнала через модуль ФАПЧ можно отслеживать резонансную частоту гироскопа. Выход модуля представляет собой управляющий сигнал фазы управления. Два управляющих сигнала умножаются для генерации напряжения управления гироскопом, которое подается на управляющий гребенчатый генератор и преобразуется в электростатическую движущую силу для управления режимом работы гироскопа, образуя таким образом замкнутый контур управления режимом работы гироскопа. На рисунке 1 показан контур управления режимом работы MEMS-гироскопа.

Рисунок 1. Блок-схема структуры управления режимом работы MEMS-гироскопа.

Функция передачи режима привода

Согласно динамическому уравнению режима работы вибрирующего МЭМС-гироскопа, непрерывную передаточную функцию можно получить с помощью преобразования Лапласа:

Где mx — эквивалентная масса режима работы гироскопа, ωx = √kx/mx — резонансная частота режима работы, а Qx = mxωx/cx — добротность режима работы.

Преобразовательная связь перемещения-емкости

Согласно анализу емкости детектирования зубцов гребенки, при игнорировании краевого эффекта связь преобразования смещения в емкость является линейной, а коэффициент усиления дифференциальной емкости, изменяющийся со смещением, может быть выражен следующим образом:

Где nx — количество активных гребенчатых частот, управляемых гироскопическим режимом, ε0 — диэлектрическая постоянная вакуума, hx — толщина управляющих детектирующих гребенок, lx — длина перекрытия управляющей детектирующей активной и неподвижной гребенчатых частот в состоянии покоя, и dx — расстояние между зубцами.

Преобразователь емкости в напряжение

В данной работе используется схема преобразования напряжения в конденсатор, представляющая собой кольцевую диодную схему, принципиальная схема которой показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема кольцевой диодной цепи.

На рисунке C1 и C2 — дифференциальные конденсаторы гироскопа, C3 и C4 — демодуляционные конденсаторы, а Vca — амплитуда прямоугольного импульса. Принцип работы: когда прямоугольный импульс находится в положительной полупериоде, диоды D2 и D4 включаются, затем конденсатор C1 заряжает C4, а C2 — C3; когда прямоугольный импульс находится в положительной полупериоде, диоды D1 и D3 включаются, затем конденсатор C1 разряжается на C3, а C2 — на C4. Таким образом, после нескольких циклов прямоугольного импульса напряжение на демодулированных конденсаторах C3 и C4 стабилизируется. Выражение для этого напряжения:

В рассматриваемом в данной работе кремниевом микромеханическом гироскопе статическая емкость составляет несколько пикофарад, а изменение емкости менее 0,5 пФ, в то время как емкость демодуляции, используемая в схеме, составляет порядка 100 пФ, поэтому имеются CC0》∆C и C2》∆C2, а коэффициент преобразования напряжения конденсатора определяется по упрощенной формуле:

Где Kpa — коэффициент усиления дифференциального усилителя, C0 — демодуляционная емкость, C — статическая емкость детектирующей емкости, Vca — амплитуда несущей, а VD — падение напряжения на диоде в открытом состоянии.

Преобразователь емкости в напряжение

Фазовое управление является важной частью управления приводом MEMS-гироскопа. Технология фазовой автоподстройки частоты позволяет отслеживать изменение частоты входного сигнала в захваченном частотном диапазоне и фиксировать фазовый сдвиг. Поэтому в данной работе для фазового управления гироскопом используется технология фазовой автоподстройки частоты, а её базовая блок-схема показана на рисунке 3.

Рисунок 3. Блок-схема базовой структуры ФАПЧ.

ФАПЧ (PLL) — это система автоматического регулирования фазы с отрицательной обратной связью. Принцип её работы можно кратко описать следующим образом: внешний входной сигнал ui(t) и сигнал обратной связи uo(t) на выходе генератора управляемого напряжением (VCO) одновременно подаются на фазовый дискриминатор для сравнения фаз двух сигналов, а на выходе фазового дискриминатора выдаётся сигнал ошибки напряжения ud(t), отражающий разность фаз θe(t) двух сигналов; сигнал проходит через фильтр контура, отфильтровывая высокочастотные компоненты и шум, получая управляющий напряжением генератор uc(t). Управляющий напряжением генератор регулирует частоту выходного сигнала в соответствии с этим управляющим напряжением, постепенно приближая её к частоте входного сигнала, и в итоге получается выходной сигнал uo(t). Когда частота ui(t) становится равной uo(t) или достигает стабильного значения, контур переходит в заблокированное состояние.

Автоматическая регулировка усиления

Автоматическая регулировка усиления (АРУ) — это замкнутая система отрицательной обратной связи с регулировкой амплитуды, которая в сочетании с фазовой автоподстройкой частоты обеспечивает амплитудно-фазовую стабильность колебаний в режиме управления гироскопом. Ее структурная схема показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Блок-схема структуры автоматической регулировки усиления.

Принцип работы автоматической регулировки усиления можно кратко описать следующим образом: сигнал ui(t), содержащий информацию о перемещении гироскопа, поступает на линию обнаружения амплитуды, сигнал амплитуды перемещения извлекается путем умножения и демодуляции, а затем высокочастотная составляющая и шум фильтруются с помощью фильтра нижних частот; в результате получается относительно чистый сигнал постоянного напряжения, характеризующий перемещение, который затем управляется сигналом до заданного опорного значения через ПИ-регулятор и выдается электрический сигнал ua(t), управляющий амплитудой перемещения, что завершает регулировку амплитуды.

Заключение

В данной статье представлен контур управления режимом работы MEMS-гироскопа, включая модель, преобразование емкости в режим блокировки, преобразование емкости в напряжение, фазовую автоподстройку частоты и автоматическую регулировку усиления. Компания Micro-Magic Inc., производитель MEMS-гироскопических датчиков, провела подробные исследования MEMS-гироскопов и часто популяризировала и распространяла соответствующие знания о них. Для более глубокого понимания MEMS-гироскопов можно обратиться к параметрам MG-501 и MG1001.

Если вас интересует более подробная информация и продукция в области MEMS, пожалуйста, свяжитесь с нами.