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Estructura resonante del girocompás de MEMs que controla para una mejor estabilidad diagonal
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Estructura resonante del girocompás de MEMs que controla para una mejor estabilidad diagonal
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Puesto brevemente
La mejora de la estabilidad diagonal de un girocompás puede ser una tarea difícil mientras que virtualmente todos los elementos del girocompás contribuyen a esta medida de funcionamiento. Una parte importante de la operación del girocompás de MEMS es control exacto de la estructura resonante del sensor. Dos diversas configuraciones de control se evalúan en este papel con el objetivo de determinar la mejor configuración para el funcionamiento del girocompás y la estabilidad del prejuicio.
La evaluación comparó el funcionamiento previsto de los acercamientos del sensor y del control a los resultados de la simulación. Un sensor representativo fue utilizado para el estudio: un anillo-tipo girocompás de MEMS. Dos acercamientos del control fueron evaluados: uno con solamente el control de amplitud de la resonancia primaria y el otro con el control de la amplitud y de fase de la resonancia.
En comparar los dos acercamientos, fue encontrado que controlar la fase y la amplitud de la resonancia primaria dio lugar a un factor de la mejora 100 en la supresión del fase-error sobre control de amplitud solamente.
Una evaluación final incluyó una prueba del girocompás de MEMS. Los resultados mostraron que el sensor, con fase y control de amplitud, alcanzó un factor de la mejora dos en estabilidad del prejuicio. Esto es una mejora significativa en funcionamiento del girocompás.
La electrónica del sensor y de control del girocompás de MEMs
Un girocompás vibratorio mide una tarifa externa de la rotación detectando la interacción de la tarifa con la estructura resonante interna del girocompás. El girocompás con un anillo-tipo estructura tiene resonar la estructura que responde a una tarifa externa en la misma moda que ésa observada en 1890 por G.H. Bryan con una copa. Una onda derecha en el vidrio girará cierta fracción de la rotación externamente aplicada.
En el anillo-tipo girocompás, la estructura resonante incluye un modo primario y secundario. Los dos modos independientes se diseñan para tener la misma frecuencia pero con modo las formas giraron 45°. Las formas de los modos se muestran en el cuadro 1 y el cuadro 2. El modo primario es la tubería resuena estructura.
Cuadro 1
Cuadro 1
Cuadro 2
Cuadro 2
La operación del girocompás implica el control de las estructuras primarias y secundarias de la resonancia. Véase el cuadro 3 para bloque diagrama del sensor y del sistema de control. La resonancia primaria se mantiene en una amplitud constante con un sistema de control que detecte la amplitud de la señal de resultado principal, PO, y retroactúe una impulsión primaria, el paladio, que guarda la estructura en la amplitud de la referencia. El control primario también genera las señales de temporización que se utilizan en el regulador secundario.
Cuadro 3
Cuadro 3
Cuando hay una tarifa aplicada, la rotación del resultado primario de la voluntad en una respuesta en la estructura secundaria. La resonancia secundaria también se controla. El sistema de control detecta los componentes de la cuadratura y de la tarifa de la señal de salida secundaria, TAN. Se generan dos voltajes de la reacción: uno para controlar cuadratura, el SDc, y el otro para controlar la respuesta de la tarifa, SDr. Se combinan las señales de hacer una señal, el SD, que se alimenta de nuevo al sensor. El diseño del sistema de control asegura que la amplitud del voltaje de la reacción conducirá las señales de la cuadratura y de la tarifa a cero.
Finalmente, porque la señal de retorno de la tarifa es proporcional a la tarifa externamente aplicada, esta señal es fractura-hacia fuera y encaminado a un filtro de paso bajo para proporcionar la señal de salida del girocompás, tarifa.
Modelo de la simulación
Un modelo de la simulación del girocompás fue construido para ayudar a cuantificar el funcionamiento del sensor. El modelo captura las características de un anillo-tipo bien conocido girocompás de MEMs.
El modelo incluye las características siguientes:
El girocompás se fabrica del silicio.
La frecuencia, wp, de los modos de resonancia primarios y secundarios es 14kHz. Los modos son los primeros dos modos de la estructura del anillo.
El factor de calidad del legado, Q, es 5000.
El sensor se simula con densidad típica del ruido. La fuente de ruido es la entrada refirió el ruido de los amplificadores de la interfaz del sensor.
El modelo incluye los filtros para capturar efectos típicos de la puesta en práctica.
El sensor se asume para tener un error compensado de 10°/s y un componente de la cuadratura de cero. El error compensado es entonces en polarización negativa poner a cero (puede ser logrado tan en la calibración).
El movimiento de la estructura resonante se detecta usando un acercamiento inductivo.
La simulación fue realizada usando Matlab Simulink.
Detalle del regulador primario
El acercamiento a controlar el resonador primario es mantener la estructura en una amplitud constante en su frecuencia de la resonancia. Esto se puede hacer con el acercamiento del uno mismo-resonador describió en el cuadro 4. La respuesta de la estructura primaria es detectada por el amplificador del aumento del interfaz, GPO, generando la selección primaria de señal, PO. Un detector del paso a cero se utiliza para generar la señal de temporización f0 que se utiliza para desmodular la señal primaria y para generar la señal primaria de la amplitud, pamp. Esta señal se filtra y se compara al nivel de referencia. La diferencia es la señal del error de la amplitud, amperr.
Cuadro 4
Cuadro 4
El bloque de gestión entonces genera una señal de retorno, pafb. Se utiliza una segunda señal de temporización, f90 que tenga un retraso de la fase del 90° de f0, para arriba-de modular la señal de retorno. Esta señal de impulsión primaria, paladio con el sistema de la amplitud por el pafb, entonces se aplica de nuevo a la estructura resonante. Esta señal forzará el error de la amplitud a cero.
Este tipo de configuración de uno mismo-resonancia puede requerir un circuito de lanzamiento. Esto se puede lograr con una señal de la excitación, banda ancha o adaptó a la frecuencia resonante, que se aplica a la estructura en el arranque con bastante energía que la respuesta de la estructura iniciará la uno mismo-resonancia.
Análisis de error de fase
Mientras que la disposición de uno mismo-resonancia es un modo eficaz de controlar la amplitud del resonador, no tiene ninguna detección o control del error de fase. El error de fase es la diferencia en las señales de temporización f0 y f90 que no sea exactamente el 90°.
En el control de amplitud primario, un error de fase dará lugar a un error que mide la amplitud primaria. La amplitud primaria desmodulada será menos que la amplitud real del resonador. El error es proporcional al coseno del error de fase.
El regulador compensará el error aplicando un voltaje más alto de la impulsión para alcanzar la amplitud de la referencia. La adición en el voltaje requerido de la impulsión es
Porque el error de la amplitud es proporcional al coseno del error de fase, no tiene esencialmente ninguna sensibilidad a los pequeños cambios en fase.
El efecto del error de fase fue evaluado más a fondo usando el modelo de la simulación. Los resultados se muestran en el cuadro 6 donde el voltaje de la impulsión requerido mantener la amplitud de la referencia se traza contra el error de fase. La simulación muestra que un error de fase 2° dará lugar a un aumento 400uV en el voltaje de la impulsión para la única configuración de la amplitud. Esto es 0,05% aumentos.
Aunque, este pequeño aumento en voltaje de la impulsión y error asociado en la determinación de la amplitud del motor genere un cierto error en el factor de posicionamiento del girocompás, este error no es el efecto más significativo sobre el funcionamiento del sensor. Se genera el mayor efecto cuando el error de fase, por las señales de temporización, se utiliza para procesar la respuesta secundaria.
Adición de un detector de la fase al control primario
El sistema de control primario se puede modificar para capturar y para controlar el error de fase. El control de fase introduce la desmodulación del primario con la señal de temporización f90. Esta desmodulación es sensible al error de fase. De la trigonometría, el error es:
La señal del error estará cercana a una función linear para la gama prevista de error de fase.
La puesta en práctica del control de fase se muestra en bloque diagrama en el cuadro 5. Sigue habiendo la desmodulación de la amplitud en el lugar con la desmodulación de la señal primaria con la señal f0. La desmodulación de la fase se añade con la desmodulación de la señal primaria con la señal f90.
La salida de la desmodulación de la fase es el phaserr de la señal del error. El regulador entonces genera la señal de retorno de la fase, phasfb. La señal de retorno de la fase es la entrada en el oscilador controlado de voltaje. El bloque de VCO entonces hace salir una señal de reloj con una frecuencia que sea proporcional al voltaje del phasfb. Esta señal va al bloque del generador de impulsión y se divide abajo para crear las señales de temporización, f0 y f90, para la desmodulación y la reacción de la impulsión. Por el diseño del regulador, el phasfb es el voltaje requerido para conducir el phaserr a cero.
Antes de cerrar el lazo, una simulación fue corrida para evaluar el sensible de anillo abierto del sistema de control al error de fase. La simulación fue puesta con un phasfb fijo para generar una frecuencia fuera del VCO que hace juego la frecuencia del sensor. El error de fase fue introducido en la señal de temporización. (El regulador fue desconectado.) La salida de la desmodulación de la fase, phaserr, era entonces una medida del error de fase entre el resonador y las señales de temporización. Los resultados se muestran en el cuadro 7. El error es linear, como se esperaba, y tiene una sensibilidad de 1.1V por grado. La señal del phaserr está bien adaptada para el uso en un regulador de la fase.
Funcionamiento del sensor con control de fase
Con el lazo cerrado, el regulador de la fase conduce con eficacia el error de fase a cero en la resonancia primaria. De los resultados de la simulación mostrados en el cuadro 6, la amplitud de la reacción, ampfb, variación con error de fase esencialmente se elimina. También, tal y como se muestra en del cuadro 7 arriba, la reacción de la fase, phasefb, variación con error también se conduce cerca a cero.
Como se debate en la sección anterior, un error de fase en las señales de temporización generará errores en la desmodulación de la resonancia secundaria. La desmodulación secundaria es similar al primario; en este caso la señal f0 se utiliza de desmodular el componente de la tarifa y la señal f90 se utiliza para el componente de la cuadratura. La tarifa y la cuadratura se ponen con los lazos de control. El SDr y el SDc de los voltajes de la reacción se aplican de nuevo al sensor para conducir la tarifa y la cuadratura a cero.
Sin ningún control, un error de fase mezclará la información de la cuadratura y de tarifa. El error resultante en el canal de la tarifa, Ratee, se puede calcular de:
Para el girocompás del ejemplo, un error de fase 1° se mezclaría en 1,7% de la compensación natural 10°/s del sensor. El error previsto es entonces 315°/hr.
Pero, este error se puede reducir grandemente con control de fase. El modelo de la simulación fue utilizado para evaluar el efecto total del error de fase sobre el funcionamiento del sensor con y sin el control de fase. Los resultados se muestran en el cuadro 8. Sin el regulador de la fase, el error en la señal de salida, tarifa, es ±300°/hr. (similar al error previsto.) Inversamente, con el regulador del error de fase, el error es ±3°/hr. La sensibilidad del girocompás al error de fase es reducida por dos órdenes de magnitud con el uso del regulador de la fase.
Las últimas ventajas del control de fase fueron evaluadas probando un anillo-tipo real girocompás de MEMs. Los resultados se muestran en el diagrama de la variación de Allan en el cuadro 9.
El punto de la prejuicio-inestabilidad fue mejorado a partir del 1,0 a 0.45°/hr con el control de fase. Así pues, la ventaja del regulador de la fase fue encontrada para extender al sensor real y para contribuir a una mejora significativa en estabilidad del prejuicio.