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#Tendenze
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Struttura sonora di controllo della girobussola di MEMs per migliore stabilità diagonale
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Struttura sonora di controllo della girobussola di MEMs per migliore stabilità diagonale
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Brevemente messo
Il miglioramento della stabilità diagonale di una girobussola può essere un compito difficile mentre virtualmente tutti gli elementi della girobussola contribuiscono a questa misura di prestazione. Una parte importante del funzionamento della girobussola di MEMS è controllo accurato della struttura sonora del sensore. Due configurazioni di controllo differenti sono valutate in questa carta con l'obbiettivo della determinazione della configurazione migliore per la prestazione della girobussola e la stabilità di polarizzazione.
La valutazione ha confrontato la prestazione prevista degli approcci di controllo e del sensore ai risultati di simulazione. Un sensore rappresentativo è stato utilizzato per lo studio: una girobussola anello tipa di MEMS. Due approcci di controllo sono stati valutati: uno con soltanto controllo di ampiezza della risonanza primaria e l'altro con controllo di fase e di ampiezza della risonanza.
Nel paragone dei due approcci, è stato trovato che controllare sia la fase che l'ampiezza della risonanza primaria ha provocato un fattore di miglioramento 100 nella soppressione di fase-errore sopra controllo di ampiezza da solo.
Una valutazione finale ha compreso una prova della girobussola di MEMS. I risultati hanno indicato che il sensore, con sia la fase che il controllo di ampiezza, ha raggiunto un fattore di miglioramento due nella stabilità di polarizzazione. Ciò è un miglioramento significativo nella prestazione della girobussola.
L'elettronica del sensore e di controllo della girobussola di MEMs
Una girobussola vibratoria misura un tasso esterno di rotazione individuando l'interazione del tasso con la struttura sonora interna della girobussola. La girobussola con una struttura anello tipa ha risuonare struttura che risponde ad un tasso esterno allo stesso modo di quella osservata nel 1890 da G.H. Bryan con un bicchiere di vino. Un'onda diritta nel vetro girerà una determinata frazione della rotazione esternamente applicata.
Nella girobussola anello tipa, la struttura sonora comprende un modo primario e secondario. I due modi indipendenti sono destinati per avere la stessa frequenza ma con il modo le forme hanno girato 45°. Le forme dei modi sono indicate nella figura 1 e figura 2. Il modo primario è la conduttura risuona struttura.
Figura 1
Figura 1
Figura 2
Figura 2
Il funzionamento della girobussola comprende il controllo delle strutture primarie e secondarie di risonanza. Si veda figura 3 per uno schema a blocchi del sensore e del sistema di controllo. La risonanza primaria è mantenuta ad un'ampiezza costante con un sistema di controllo che individua l'ampiezza del segnale in uscita primario, PO e retroagisce un azionamento primario, palladio, che tiene la struttura all'ampiezza di riferimento. Il controllo primario inoltre genera i segnali di temporizzazione che sono utilizzati nel regolatore secondario.
Figura 3
Figura 3
Quando c'è un tasso applicato, la rotazione del risultato primario di volontà in una risposta nella struttura secondaria. La risonanza secondaria inoltre è controllata. Il sistema di controllo individua le componenti del tasso e di quadratura del segnale in uscita secondario, COSÌ. Due tensioni di risposte sono generate: uno per controllare quadratura, SDc e l'altro per controllare la risposta di tasso, DSR. I segnali si combinano fare un segnale, deviazione standard, che è alimentata di nuovo al sensore. La progettazione del sistema di controllo assicura che l'ampiezza della tensione di risposte determinerà i segnali del tasso e di quadratura a zero.
Per concludere, perché il segnale di ritorno del tasso è proporzionale al tasso esternamente applicato, questo segnale è spaccatura-fuori e diretto ad un filtro passa-basso per fornire il segnale in uscita della girobussola, il tasso.
Modello di simulazione
Un modello di simulazione della girobussola è stato costruito per contribuire a quantificare la prestazione del sensore. Il modello cattura le caratteristiche di una girobussola anello tipa ben nota di MEMs.
Il modello comprende le seguenti caratteristiche:
La girobussola è fabbricata da silicio.
La frequenza, wp, dei modi di risonanza primari e secondari è 14kHz. I modi sono i primi due modi della struttura dell'anello.
Il fattore di qualità della disposizione testamentaria, Q, è 5000.
Il sensore è simulato con densità tipica di rumore. La fonte di rumore è l'input ha fatto riferimento il rumore degli amplificatori dell'interfaccia del sensore.
Il modello include i filtri per catturare gli effetti tipici dell'implementazione.
Il sensore è presupposto per avere un errore di derivazione di 10°/s e una componente di quadratura di zero. L'errore di derivazione è poi polarizzato azzerare (così può essere compiuto nella calibratura).
Il moto della struttura sonora è individuato facendo uso di un approccio induttivo.
La simulazione è stata realizzata facendo uso di Matlab Simulink.
Dettaglio del regolatore primario
L'approccio a controllare il risuonatore primario è di mantenere la struttura ad un'ampiezza costante alla sua frequenza di risonanza. Ciò può essere fatta con l'approccio del auto-risuonatore ha descritto nella figura 4. La risposta della struttura primaria è individuata dall'amplificatore di guadagno dell'interfaccia, GPO, generante il primario strappa il segnale, PO. Un rivelatore di passaggio a zero è usato per generare il segnale di temporizzazione f0 che è usato per demodulare il segnale primario e per generare il segnale primario di ampiezza, pamp. Questo segnale è filtrato e confrontato al livello di riferimento. La differenza è il segnale di errore di ampiezza, amperr.
Figura 4
Figura 4
Il blocco di controllo poi genera un segnale di ritorno, pafb. Un secondo segnale di temporizzazione, f90 che ha un ritardo di fase di 90° da f0, è usato su-modulare il segnale di ritorno. Questo segnale drive primario, palladio con l'insieme di ampiezza da pafb, poi si applica di nuovo alla struttura sonora. Questo segnale forzerà l'errore di ampiezza a zero.
Questo tipo di configurazione dirisonanza può richiedere un circuito della partenza. Ciò può essere compiuta con un segnale di eccitazione, banda larga o ha sintonizzato alla frequenza di risonanza, che si applica alla struttura alla partenza con abbastanza energia che la risposta della struttura inizierà la auto-risonanza.
Analisi degli errori di fase
Mentre la messa a punto dirisonanza è un modo efficace di controllare l'ampiezza del risuonatore, non ha rilevazione o controllo dell'errore di fase. L'errore di fase è la differenza nei segnali di temporizzazione f0 e f90 che non è esattamente 90°.
Nel controllo di ampiezza primario, un errore di fase provocherà un errore che misura l'ampiezza primaria. L'ampiezza primaria demodulata sarà più di meno dell'ampiezza reale del risuonatore. L'errore è proporzionale al coseno dell'errore di fase.
Il regolatore compenserà l'errore applicando un'più alta tensione di controllo per raggiungere l'ampiezza di riferimento. L'aggiunta in tensione di controllo richiesta è
Poiché l'errore di ampiezza è proporzionale al coseno dell'errore di fase, non ha essenzialmente sensibilità ai piccoli cambi nella fase.
L'effetto dell'errore di fase più ulteriormente è stato valutato facendo uso del modello di simulazione. I risultati sono indicati nella figura 6 dove la tensione di controllo ha richiesto per mantenere l'ampiezza di riferimento è tracciata contro l'errore di fase. La simulazione indica che un errore di fase 2° provocherà un aumento 400uV in tensione di controllo per la sola configurazione di ampiezza. Ciò è i 0,05% aumenti.
Sebbene, questo piccolo aumento in tensione di controllo ed errore collegato nella determinazione dell'ampiezza del motore generi un certo errore nel fattore di scala della girobussola, questo errore non è l'effetto più significativo sulla prestazione del sensore. Il maggior effetto è generato quando l'errore di fase, mediante i segnali di temporizzazione, è usato per elaborare la risposta secondaria.
Aggiunta di un rivelatore di fase al controllo primario
Il sistema di controllo primario può essere modificato per catturare e controllare l'errore di fase. Il controllo di fase introduce la demodulazione del primario con il segnale di temporizzazione f90. Questa demodulazione è sensibile all'errore di fase. Dalla trigonometria, l'errore è:
Il segnale di errore sarà vicino ad una funzione lineare per l'immagine prevista dell'errore di fase.
L'implementazione del controllo di fase è indicata nello schema a blocchi nella figura 5. La demodulazione di ampiezza rimane sul posto con la demodulazione del segnale primario con il segnale f0. La demodulazione di fase si aggiunge con la demodulazione del segnale primario con il segnale f90.
L'uscita della demodulazione di fase è il phaserr del segnale di errore. Il regolatore poi genera il segnale di ritorno di fase, phasfb. Il segnale di ritorno di fase è l'input nell'oscillatore controllato di tensione. Il blocchetto di VCO poi produce un segnale di orologio con una frequenza che è proporzionale alla tensione del phasfb. Questo segnale va al blocchetto del generatore di azionamento ed è diviso giù per creare i segnali di temporizzazione, f0 e f90, per demodulazione e risposte dell'azionamento. Dalla progettazione del regolatore, il phasfb è la tensione richiesta per determinare il phaserr a zero.
Prima della chiusura del ciclo, una simulazione è stata funzionata per valutare il sensibile ad anello aperto del sistema di controllo all'errore di fase. La simulazione è stata installata con un phasfb fisso per generare una frequenza dal VCO che abbina la frequenza del sensore. L'errore di fase è stato introdotto nel segnale di temporizzazione. (Il regolatore è stato staccato.) L'uscita della demodulazione di fase, phaserr, era poi una misura dell'errore di fase fra il risuonatore ed i segnali di temporizzazione. I risultati sono indicati nella figura 7. L'errore è lineare, come previsto ed ha una sensibilità di 1.1V per grado. Il segnale del phaserr è ben adattato per uso in un regolatore di fase.
Prestazione del sensore con controllo di fase
Con il ciclo chiuso, il regolatore di fase efficacemente determina l'errore di fase a zero nella risonanza primaria. Dai risultati di simulazione come appare figura 6, l'ampiezza di risposte, il ampfb, variazione rispetto all'errore di fase essenzialmente si elimina. Inoltre, secondo le indicazioni di figura 7 qui sopra, le risposte di fase, il phasefb, variazione rispetto all'errore inoltre sono determinate vicino a zero.
Come discusso nella sezione precedente, un errore di fase nei segnali di temporizzazione genererà gli errori nella demodulazione della risonanza secondaria. La demodulazione secondaria è simile al primario; in questo caso il segnale f0 è usato demodulare la componente del tasso ed il segnale f90 è usato per la componente di quadratura. Sia il tasso che la quadratura sono installati con i cicli di controllo. Il DSR e lo SDc di tensioni di risposte si applicano di nuovo al sensore per determinare il tasso e la quadratura a zero.
Senza alcun controllo, un errore di fase mescolerà le informazioni di tasso e di quadratura. L'errore risultante nel canale del tasso, Ratee, può essere calcolato da:
Per la girobussola di esempio, un errore di fase 1° si mescolerebbe in 1,7% del contrappeso naturale 10°/s del sensore. L'errore previsto è poi 315°/hr.
Ma, questo errore può notevolmente essere ridotto con controllo di fase. Il modello di simulazione è stato usato per valutare l'effetto globale dell'errore di fase sulla prestazione del sensore con e senza il controllo di fase. I risultati sono indicati nella figura 8. Senza il regolatore di fase, l'errore nel segnale in uscita, il tasso, è ±300°/hr. (simile all'errore previsto.) Per contro, con il regolatore di errore di fase, l'errore è ±3°/hr. La sensibilità della girobussola all'errore di fase è ridotta da due ordini di grandezza con l'uso del regolatore di fase.
Gli ultimi benefici del controllo di fase sono stati valutati collaudando una girobussola anello tipa reale di MEMs. I risultati sono indicati nel diagramma di varianza di Allan nella figura 9.
Il punto di polarizzazione-instabilità è stato migliorato da 1,0 a 0.45°/hr con il controllo di fase. Così, il beneficio del regolatore di fase è stato trovato per estendere al sensore reale e per contribuire ad un miglioramento significativo nella stabilità di polarizzazione.