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Kontrollemems-Kreiselkompass-Resonanzstruktur für bessere schräge Stabilität

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Kontrollemems-Kreiselkompass-Resonanzstruktur für bessere schräge Stabilität

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Kurz gesetzt

Die schräge Stabilität eines Kreiselkompasses zu verbessern kann eine schwierige Aufgabe sein, während praktisch alle Elemente des Kreiselkompasses zu dieser Leistungsmessung beitragen. Ein wichtiger Teil der Operation des MEMS-Kreiselkompasses ist genaue Steuerung der Resonanzstruktur des Sensors. Zwei verschiedene Steuerkonfigurationen werden in dieses Papier mit dem Ziel der Bestimmung der besten Konfiguration für Kreiselkompassleistung und Neigungsstabilität ausgewertet.

Die Bewertung verglich die erwartete Leistung der Sensor- und Steueransätze mit den Simulationsergebnissen. Ein Repräsentativ-Sensor wurde für die Studie benutzt: ein Ring-artiger MEMS-Kreiselkompaß. Zwei Steueransätze wurden ausgewertet: ein mit nur Umfangssteuerung der Primärresonanz und das andere mit Umfangs- und Phasensteuerung der Resonanz.

Wenn man die zwei Ansätze verglich, wurde es gefunden, dass die Kontrolle der Phase und des Umfanges der Primärresonanz einen Faktor von Verbesserung 100 in der Phasenfehlerunterdrückung über Umfangssteuerung allein ergab.

Eine abschließende Bewertung umfasste einen Test des MEMS-Kreiselkompasses. Die Ergebnisse zeigten, dass der Sensor, mit Phase und Umfangssteuerung, einen Faktor von Verbesserung zwei in der Neigungsstabilität erzielte. Dieses ist eine bedeutende Verbesserung in der Kreiselkompassleistung.

Die MEMs-Kreiselkompass-Sensor- und -steuerelektronik

Ein Vibrationskreiselkompaß misst eine Außenrotationsrate, indem er die Interaktion der Rate mit der internen Resonanzstruktur des Kreiselkompasses ermittelt. Der Kreiselkompaß mit einer Ring-artigen Struktur hat, mitzuschwingen Struktur, die auf eine externe Rate auf die gleiche Mode wie die reagiert, die im Jahre 1890 von G.H. Bryan mit einem Weinglas beobachtet wird. Eine stehende Welle im Glas dreht einen bestimmten Bruch der außen angewandten Rotation.

Im Ring-artigen Kreiselkompaß umfasst die Resonanzstruktur einen Primär- und Sekundärmodus. Die zwei unabhängigen Modi sind entworfen, um die gleiche Frequenz zu haben, aber mit Modus drehten Formen 45°. Die Modusformen werden im Abbildung 1 und im Abbildung 2. gezeigt Der Primärmodus ist die Hauptleitung mitschwingen Struktur.

Abbildung 1

Abbildung 1

Abbildung 2

Abbildung 2

Die Operation des Kreiselkompasses bezieht Steuerung der Primär- und Sekundärresonanzstrukturen mit ein. Sehen Sie Abbildung 3 für ein Santendiagramm des Sensors und des Kontrollsystems. Die Primärresonanz wird an einem konstanten Umfang mit einem Kontrollsystem aufrechterhalten, das den Umfang des Primärausgangssignals, PO ermittelt und einen Primärantrieb, PD rückwirkt, das die Struktur am Bezugsumfang hält. Die Primärsteuerung erzeugt auch Zeittakte, die im Sekundärprüfer benutzt werden.

Abbildung 3

Abbildung 3

Wenn es eine angewandte Rate gibt, die Rotation des Primärwillensergebnisses in einer Antwort in der Sekundärstruktur. Die Sekundärresonanz wird auch gesteuert. Das Kontrollsystem ermittelt die Quadratur- und Ratenkomponenten des Sekundärausgangssignals, SO. Zwei Feedbackspannungen werden erzeugt: ein, zum von Quadratur, von Signaldatenumformer und von anderem zu steuern, um die Ratenantwort, SDr zu steuern. Die Signale werden, ein Signal, Sd zu machen kombiniert, das zurück zu dem Sensor eingezogen wird. Der Entwurf des Kontrollsystems versichert, dass der Umfang der Feedbackspannung die Quadratur- und Ratensignale bis null fährt.

Schließlich weil das Raten-Rückkopplungssignal zur außen angewandten Rate proportional ist, ist dieses Signal Spalte-heraus und verlegt auf einem Tiefpassfilter, um das KreiselkompassAusgangssignal, Rate zur Verfügung zu stellen.

Simulations-Modell

Ein Simulationsmodell des Kreiselkompasses wurde konstruiert, um zu helfen, die Sensor-Leistung quantitativ zu bestimmen. Das Modell nimmt die Eigenschaften eines weithin bekannten Ring-artigen MEMs-Kreiselkompasses gefangen.

Das Modell umfasst die folgenden Eigenschaften:

Der Kreiselkompaß wird vom Silikon fabriziert.

Die Frequenz, wp, der Primär- und Sekundärresonanzmodi ist 14kHz. Die Modi sind die ersten zwei Modi der Ringstruktur.

Der Qualitätsfaktor des Vermächtnisses, Q, ist 5000.

Der Sensor wird mit typischer Geräuschdichte simuliert. Die Lärmquelle ist der Input verwies Geräusche der Sensor-Schnittstellenverstärker.

Das Modell umfasst Filter, um typische Effekte der Durchführung gefangenzunehmen.

Der Sensor wird angenommen, um einen Offsetfehler von 10°/s und eine Quadraturkomponente von null zu haben. Der Offsetfehler ist dann voreingenommen auf Null einzustellen (kann in der Kalibrierung so vollendet werden).

Die Bewegung der Resonanzstruktur wird unter Verwendung einer induktiven Annäherung ermittelt.

Die Simulation wurde unter Verwendung Matlab Simulink durchgeführt.

Sonderkommando des Primärprüfers

Die Annäherung an die Kontrolle des Primärresonators ist, die Struktur an einem konstanten Umfang bei seiner Resonanzfrequenz beizubehalten. Dieses kann mit der Selbstresonatorannäherung getan werden beschrieb im Abbildung 4. Die Antwort der Primärstruktur wird durch den Schnittstellengewinnverstärker, GPO ermittelt und erzeugt die Primär-Auswahl weg vom Signal, PO. Ein Nullüberfahrtdetektor wird benutzt, um den Zeittakt f0, der, um benutzt wird das Primärsignal zu demodulieren und das Primärumfangssignal zu erzeugen, pamp zu erzeugen. Dieses Signal wird mit dem Bezugswert gefiltert und verglichen. Der Unterschied ist das Amplitudenfehlersignal, amperr.

Abbildung 4

Abbildung 4

Der Kennblock erzeugt dann ein Rückkopplungssignal, pafb. Ein zweiter Zeittakt, f90, das eine 90° Phasenverzögerung von f0 hat, wird, das Rückkopplungssignal oben-zu modulieren benutzt. Dieses Primärantriebsignal, PD mit Umfangssatz durch pafb, wird dann zurück zu der Resonanzstruktur angewendet. Dieses Signal zwingt den Amplitudenfehler bis null.

Diese Art der selbst-mitschwingenden Konfiguration erfordert möglicherweise einen Startstromkreis. Dieses kann mit einem Anregungssignal vollendet werden, entweder Breitband oder zur Eigenfrequenz abgestimmt werden, die an der Struktur am Start mit genügender Energie angewendet wird, dass die Strukturantwort die Selbstresonanz einleitet.

Phasenfehler-Analyse

Während die selbst-mitschwingende Einrichtung eine effektive Art ist, den Umfang des Resonators zu steuern, hat sie keine Entdeckung oder Steuerung des Phasenfehlers. Der Phasenfehler ist der Unterschied bezüglich der Zeittakte f0 und f90, das nicht genau 90° ist.

In der Primärumfangssteuerung ergibt ein Phasenfehler einen Fehler, der den Primärumfang misst. Der demodulierte Primärumfang ist weniger als der tatsächliche Resonatorumfang. Der Fehler ist zum Kosinus des Phasenfehlers proportional.

Der Prüfer entschädigt den Fehler, indem er eine höhere Antriebsspannung anwendet, um den Bezugsumfang zu erzielen. Der Zusatz in der erforderlichen Antriebsspannung ist

Weil der Amplitudenfehler zum Kosinus des Phasenfehlers proportional ist, hat er im Wesentlichen keine Empfindlichkeit zu den kleinen Veränderungen in der Phase.

Der Effekt des Phasenfehlers wurde weiter unter Verwendung des Simulationsmodells ausgewertet. Die Ergebnisse werden im Abbildung 6 gezeigt, in dem die Antriebsspannung, die erfordert wird, den Bezugsumfang beizubehalten, gegen den Phasenfehler grafisch dargestellt wird. Die Simulation zeigt, dass ein Phasenfehler 2° eine Zunahme 400uV der Antriebsspannung für die einzige Konfiguration des Umfanges ergibt. Dieses ist eine 0,05% Zunahme.

Obgleich, diese kleine Zunahme der Antriebsspannung und verbundener Fehler, wenn, den Bewegungsumfang bestimmend, irgendeinen Fehler im Normierungsfaktor des Kreiselkompasses erzeugt, ist dieser Fehler nicht die meiste erhebliche Auswirkung auf der Sensor-Leistung. Der größere Effekt wird erzeugt, wenn der Phasenfehler, über die Zeittakte, verwendet wird, um die Sekundärantwort zu verarbeiten.

Zusatz eines Phasen-Detektors zur Primärsteuerung

Das Primärkontrollsystem kann geändert werden, um den Phasenfehler gefangenzunehmen und zu steuern. Die Phasensteuerung stellt Demodulation vom Primär mit dem Zeittakt f90 vor. Diese Demodulation ist für Phasenfehler empfindlich. Von der Trigonometrie ist der Fehler:

Das Fehlersignal ist zu einer linearen Funktion für die erwartete Strecke des Phasenfehlers nah.

Die Durchführung der Phasensteuerung wird im Santendiagramm im Abbildung 5. gezeigt Die Umfangsdemodulation bleibt an Ort und Stelle mit der Demodulation des Primärsignals mit dem Signal f0. Die Phasendemodulation wird mit der Demodulation des Primärsignals mit dem Signal f90 hinzugefügt.

Der Ertrag der Phasendemodulation ist das Fehlersignal phaserr. Der Prüfer erzeugt dann das Phasen-Rückkopplungssignal, phasfb. Das Phasen-Rückkopplungssignal ist der Input in den kontrollierten Oszillator der Spannung. Der VCO-Block gibt dann ein Taktsignal mit einer Frequenz aus, die zur phasfb Spannung proportional ist. Dieses Signal geht zum Generatorsatzblock und wird unten geteilt, um die Zeittakte, f0 und f90 zu schaffen, für Demodulation und Antriebsfeedback. Durch den Entwurf des Prüfers, ist phasfb die Spannung, die erfordert wird, um phaserr bis null zu fahren.

Bevor man die Schleife schloss, wurde eine Simulation laufen gelassen, um das offene Regelkreis- empfindliche des Kontrollsystems für den Phasenfehler auszuwerten. Die Simulation wurde mit einem örtlich festgelegten phasfb gegründet, um eine Frequenz aus dem VCO heraus zu erzeugen, das die Frequenz des Sensors zusammenbringt. Der Phasenfehler wurde im Zeittakt eingeführt. (Der Prüfer wurde. getrennt) Der Ertrag der Phasendemodulation, phaserr, war dann ein Maß des Phasenfehlers zwischen dem Resonator und den Zeittakten. Die Ergebnisse werden im Abbildung 7. gezeigt Der Fehler ist, wie erwartet linear und hat eine Empfindlichkeit von 1.1V pro Grad. Das phaserr Signal ist für Gebrauch in einem Phasenprüfer gut angepasst.

Leistung des Sensors mit Phasen-Steuerung

Wenn die Schleife geschlossen ist, fährt der Phasenprüfer effektiv den Phasenfehler bis null in der Primärresonanz. Von den Simulationsergebnissen, die im Abbildung 6 gezeigt werden, wird der Feedbackumfang, ampfb, Veränderung mit Phasenfehler im Wesentlichen beseitigt. Auch wie in Abbildung 7 gezeigt oben, wird das Phasenfeedback, phasefb, Veränderung mit Fehler auch nahe bis null gefahren.

Wie im vorhergehenden Abschnitt besprochen, erzeugt ein Phasenfehler in den Zeittakten Fehler in der Demodulation der Sekundärresonanz. Die Sekundärdemodulation ist dem Primär ähnlich; in diesem Fall wird das Signal f0, die Ratenkomponente zu demodulieren benutzt und das Signal f90 wird für die Quadraturkomponente benutzt. werden die Rate und die Quadratur mit Regelkreisen gegründet. Feedbackspannungen SDr und Signaldatenumformer werden zurück zu dem Sensor angewendet, um die Rate und die Quadratur bis null zu fahren.

Ohne irgendeine Steuerung mischt ein Phasenfehler die Quadratur- und Rateninformationen. Der resultierende Fehler im Ratenkanal, Ratee, kann von berechnet werden:

Für den Beispielkreiselkompaß würde ein Phasenfehler 1° 1,7% des natürlichen Ausgleichs 10°/s des Sensors mischen. Der erwartete Fehler ist dann 315°/hr.

Aber, dieser Fehler kann mit Phasensteuerung groß verringert werden. Das Simulationsmodell wurde benutzt, um den Gesamteffekt des Phasenfehlers auf die Sensor-Leistung mit und ohne die Phasensteuerung auszuwerten. Die Ergebnisse werden im Abbildung 8. gezeigt Ohne den Phasenprüfer ist der Fehler im Ausgangssignal, Rate, ±300°/hr. (ähnlich dem erwarteten Fehler.) Andererseits mit dem Phasenfehlerprüfer, ist der Fehler ±3°/hr. Die Kreiselkompassempfindlichkeit zum Phasenfehler wird durch zwei Größenordnungen mit dem Gebrauch des Phasenprüfers verringert.

Der entscheidende Nutzen der Phasensteuerung wurde ausgewertet, indem man einen tatsächlichen Ring-artigen Kreiselkompaß MEMs prüfte. Die Ergebnisse werden im Allan-Abweichungsplan im Abbildung 9. gezeigt

Der Neigunginstabilitätspunkt wurde von 1,0 zu 0.45°/hr mit der Phasensteuerung verbessert. So wurde der Nutzen des Phasenprüfers, um auf den tatsächlichen Sensor zu verlängern gefunden und zu einer bedeutenden Verbesserung in der Neigungsstabilität beizutragen.