Structure résonnante de contrôle de compas gyroscopique de MEMs pour une meilleure stabilité polarisée by Inertial Sensor DesignDirectIndustry

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L'amélioration de la stabilité polarisée d'un compas gyroscopique peut être une tâche difficile pendant que pratiquement tous les éléments du compas gyroscopique contribuent à cette mesure de représentation. Une part importante du fonctionnement du compas gyroscopique de MEMS est contrôle précis de la structure résonnante du capteur. Deux configurations de contrôle différentes sont évaluées en ce document en vue de déterminer la meilleure configuration pour la représentation de compas gyroscopique et la stabilité de polarisation.

L'évaluation a comparé la représentation prévue des approches de capteur et de contrôle aux résultats de simulation. Un capteur représentatif a été utilisé pour l'étude : un compas gyroscopique de type anneau de MEMS. Deux approches de contrôle ont été évaluées : un avec seulement le contrôle d'amplitude de la résonance primaire et l'autre avec le contrôle d'amplitude et de phase de la résonance.

Une évaluation finale a inclus un essai du compas gyroscopique de MEMS. Les résultats ont prouvé que le capteur, avec la phase et le contrôle d'amplitude, a réalisé un facteur de l'amélioration deux dans la stabilité de polarisation. C'est une amélioration significative dans la performance de compas gyroscopique.

Un compas gyroscopique vibratoire mesure un taux externe de rotation en détectant l'interaction du taux avec la structure résonnante interne du compas gyroscopique. Le compas gyroscopique avec une structure de type anneau a pour résonner la structure qui répond à un taux externe de la même mode que cela observée en 1890 par G.H. Bryan avec un verre à vin. Une onde stationnaire dans le verre tournera une certaine fraction de la rotation extérieurement appliquée.

Dans le compas gyroscopique de type anneau, la structure résonnante inclut un mode primaire et secondaire. Les deux modes indépendants sont conçus pour avoir la même fréquence mais avec le mode les formes ont tourné 45°. Les formes de modes sont montrées sur le schéma 1 et le schéma 2. Le mode primaire est la canalisation résonnent structure.

Le fonctionnement du compas gyroscopique comporte le contrôle des structures primaires et secondaires de résonance. Voir le schéma 3 pour un schéma fonctionnel du capteur et du système de contrôle. La résonance primaire est maintenue à une amplitude constante avec un système de contrôle qui détecte l'amplitude du signal de sortie primaire, PO, et rétroagit une commande primaire, le palladium, qui garde la structure à l'amplitude de référence. Le contrôle primaire produit également des signaux horaires qui sont employés dans le contrôleur secondaire.

Quand il y a un taux appliqué, la rotation du résultat primaire de volonté dans une réponse dans la structure secondaire. La résonance secondaire est également commandée. Le système de contrôle détecte les composants de quadrature et de taux du signal de sortie secondaire, AINSI. Deux tensions de retour sont produites : un pour commander la quadrature, le SDc, et l'autre pour commander la réponse de taux, DTS. Les signaux sont combinés pour faire un signal, l'écart-type, qui est alimenté de nouveau au capteur. La conception du système de contrôle s'assure que l'amplitude de la tension de retour conduira les signaux de quadrature et de taux à zéro.

L'approche à commander le résonateur primaire est de maintenir la structure à une amplitude constante à sa fréquence de résonance. Ceci peut être fait avec l'approche d'auto-résonateur a décrit sur le schéma 4. La réponse de la structure primaire est détectée par l'amplificateur de gain d'interface, GPO, produisant de la sélection primaire outre du signal, PO. Un détecteur de passage à zéro est employé pour produire du signal horaire f0 qui est employé pour démoduler le signal primaire et pour produire du signal primaire d'amplitude, pamp. Ce signal est filtré et comparé au niveau de référence. La différence est le signal d'erreur d'amplitude, amperr.

Le bloc de gestion produit alors d'un signal de retour, pafb. Un deuxième signal horaire, f90 qui a un retard de phase de 90° de f0, est utilisé comme moyen -de moduler le signal de retour. Ce signal primaire d'entraînement, palladium avec l'ensemble d'amplitude par le pafb, est alors appliqué de nouveau à la structure résonnante. Ce signal forcera l'erreur d'amplitude à zéro.

Ce type de configuration auto-résonnante peut exiger un circuit de démarrage. Ceci peut être accompli avec un signal d'excitation, bande large ou a accordé à la fréquence de résonance, qui est appliquée à la structure au démarrage avec de assez de l'énergie que la réponse de structure lancera l'auto-résonance.

L'effet de l'erreur de phase a été encore évalué utilisant le modèle de simulation. Les résultats sont affichés sur le schéma 6 où la tension d'entraînement exigée pour maintenir l'amplitude de référence est tracée contre l'erreur de phase. La simulation prouve qu'une erreur de phase 2° aura comme conséquence une augmentation 400uV de tension d'entraînement pour la seule configuration d'amplitude. C'est des 0,05% augmentations.

Bien que, cette petite augmentation de tension d'entraînement et erreur associée en déterminant l'amplitude de moteur produise d'une certaine erreur dans le facteur de proportionnalité du compas gyroscopique, cette erreur n'est pas la plupart d'effet significatif sur la représentation de capteur. L'effet plus grand est produit quand l'erreur de phase, par les signaux horaires, est employée pour traiter la réponse secondaire.

L'exécution du contrôle de phase est montrée dans le schéma fonctionnel sur le schéma 5. La démodulation d'amplitude demeure en place avec la démodulation du signal primaire avec le signal f0. La démodulation de phase est ajoutée avec la démodulation du signal primaire avec le signal f90.

La sortie de la démodulation de phase est le phaserr de signal d'erreur. Le contrôleur produit alors du signal de retour de phase, phasfb. Le signal de retour de phase est l'entrée dans l'oscillateur commandé de tension. Le bloc de VCO produit alors un signal d'horloge avec une fréquence qui est proportionnelle à la tension de phasfb. Ce signal va au bloc de générateur d'entraînement et est divisé vers le bas pour créer les signaux horaires, f0 et f90, pour la démodulation et le retour d'entraînement. Par la conception du contrôleur, le phasfb est la tension exigée pour conduire le phaserr à zéro.

Avant de fermer la boucle, une simulation a été courue pour évaluer le sensible de boucle ouverte du système de contrôle à l'erreur de phase. La simulation a été installée avec un phasfb fixe pour produire d'une fréquence hors du VCO qui assortit la fréquence du capteur. L'erreur de phase a été présentée dans le signal horaire. (Le contrôleur a été déconnecté.) La sortie de la démodulation de phase, phaserr, était alors une mesure de l'erreur de phase entre le résonateur et les signaux horaires. Les résultats sont affichés sur le schéma 7. L'erreur est linéaire, comme prévu, et a une sensibilité de 1.1V par degré. Le signal de phaserr est bien adapté pour l'usage dans un contrôleur de phase.

La boucle étant fermé, le contrôleur de phase conduit effectivement l'erreur de phase à zéro dans la résonance primaire. Des résultats de simulation représentés sur le schéma 6, on élimine essentiellement l'amplitude de retour, l'ampfb, variation par rapport à l'erreur de phase. En outre, suivant les indications du schéma 7 ci-dessus, le retour de phase, le phasefb, variation par rapport à l'erreur est également conduit près à zéro.

Comme évoqué dans la section précédente, une erreur de phase dans les signaux horaires produira des erreurs dans la démodulation de la résonance secondaire. La démodulation secondaire est semblable au primaire ; dans ce cas le signal f0 est utilisé comme moyen pour démoduler le composant de taux et le signal f90 est employé pour le composant de quadrature. Le taux et la quadrature sont installés avec des boucles d'avertissement. Le DTS et le SDc de tensions de retour sont appliqués de nouveau au capteur pour conduire le taux et la quadrature à zéro.

Mais, cette erreur peut être considérablement réduite avec le contrôle de phase. Le modèle de simulation a été employé pour évaluer l'effet global de l'erreur de phase sur la représentation de capteur avec et sans le contrôle de phase. Les résultats sont affichés sur le schéma 8. Sans contrôleur de phase, l'erreur dans le signal de sortie, taux, est ±300°/hr. (semblable à l'erreur prévue.) Réciproquement, avec le contrôleur d'erreur de phase, l'erreur est ±3°/hr. La sensibilité de compas gyroscopique à l'erreur de phase est réduite par deux ordres de grandeur avec l'utilisation du contrôleur de phase.

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Structure résonnante de contrôle de compas gyroscopique de MEMs pour une meilleure stabilité polarisée

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