Producto: Sistema de navegación inercial puro (INS) basado en IMU
Características principales:
El giroscopio MEMS depende de la velocidad angular sensible a la fuerza de Coriolis, y su sistema de control se divide en un bucle de control del modo de accionamiento y un bucle de control del modo de detección. Solo garantizando el seguimiento en tiempo real de la amplitud de vibración y la frecuencia de resonancia del modo de accionamiento, la demodulación del canal de detección puede obtener información precisa sobre la velocidad angular de entrada. Este artículo analizará el bucle de control del modo de accionamiento del giroscopio MEMS desde diversos aspectos.
El desplazamiento de vibración del modo de accionamiento del giroscopio MEMS se convierte en un cambio de capacitancia a través de la estructura de detección del condensador de peine, y luego la capacitancia se convierte en la señal de voltaje que caracteriza el desplazamiento del accionamiento del giroscopio a través del circuito del diodo de anillo. Después de eso, la señal entrará en dos ramas respectivamente, una señal a través del módulo de control automático de ganancia (AGC) para lograr el control de amplitud, y otra señal a través del módulo de bucle de enganche de fase (PLL) para lograr el control de fase. En el módulo AGC, la amplitud de la señal de desplazamiento del accionamiento se demodula primero mediante multiplicación y filtro paso bajo, y luego la amplitud se controla en el valor de referencia establecido a través del enlace PI y se emite la señal de control de la amplitud del accionamiento. La señal de referencia utilizada para la demodulación por multiplicación en el módulo PLL es ortogonal a la señal de referencia de demodulación utilizada en el módulo AGC. Después de que la señal pasa por el módulo PLL, se puede rastrear la frecuencia de resonancia de accionamiento del giroscopio. La salida del módulo es la señal de control de la fase de accionamiento. Las dos señales de control se multiplican para generar el voltaje de accionamiento del giroscopio, que se aplica al peine de accionamiento y se convierte en fuerza electrostática para activar el modo de accionamiento del giroscopio, formando así un bucle de control cerrado. La Figura 1 muestra el bucle de control del modo de accionamiento de un giroscopio MEMS.
Figura 1. Diagrama de bloques de la estructura de control del modo de accionamiento del giroscopio MEMS
De acuerdo con la ecuación dinámica del modo de accionamiento del giroscopio MEMS vibratorio, la función de transferencia de dominio continuo se puede obtener mediante la transformada de Laplace:
Donde, mx es la masa equivalente del modo de accionamiento del giroscopio, ωx=√kx/mx es la frecuencia de resonancia del modo de accionamiento y Qx = mxωx/cx es el factor de calidad del modo de accionamiento.
Según el análisis de la capacitancia de detección de los dientes del peine, el vínculo de conversión de capacitancia-desplazamiento es lineal cuando se ignora el efecto del borde, y la ganancia de la capacitancia diferencial que cambia con el desplazamiento se puede expresar como:
Donde, nx es el número de peines activos impulsados por el modo giroscópico, ε0 es la constante dieléctrica de vacío, hx es el espesor de los peines de detección de accionamiento, lx es la longitud de superposición de los peines de detección de accionamiento activos y fijos en reposo, y dx es la distancia entre los dientes.
El circuito de conversión de voltaje de capacitor utilizado en este artículo es un circuito de diodo de anillo, y su diagrama esquemático se muestra en la Figura 2.
Figura 2 Diagrama esquemático del circuito de diodo de anillo
En la figura, C1 y C2 son condensadores de detección diferencial del giroscopio, C3 y C4 son condensadores de demodulación, y Vca son amplitudes de onda cuadrada. El principio de funcionamiento es el siguiente: cuando la onda cuadrada está en el semiciclo positivo, los diodos D2 y D4 se activan, y el condensador C1 carga C4 y C2 carga C3. Cuando la onda cuadrada está en el semiciclo positivo, los diodos D1 y D3 se activan, y el condensador C1 se descarga a C3 y C2 a C4. De esta manera, tras varios ciclos de onda cuadrada, la tensión en los condensadores demodulados C3 y C4 se estabiliza. Su expresión de tensión es:
Para el giroscopio micromecánico de silicio estudiado en este artículo, su capacitancia estática es del orden de varios pF y la variación de capacitancia es menor a 0,5 pF, mientras que la capacitancia de demodulación utilizada en el circuito es del orden de 100 pF, por lo que existen CC0》∆C y C2》∆C2, y la ganancia de conversión de voltaje del capacitor se obtiene mediante una fórmula simplificada:
Donde, Kpa es el factor de amplificación del amplificador diferencial, C0 es la capacitancia de demodulación, C es la capacitancia estática de la capacitancia de detección, Vca es la amplitud de la portadora y VD es la caída de voltaje del diodo.
El control de fase es un componente importante del control de accionamiento de giroscopios MEMS. La tecnología de bucle de enganche de fase permite rastrear el cambio de frecuencia de la señal de entrada en su banda de frecuencia capturada y bloquear el desplazamiento de fase. Por lo tanto, este artículo utiliza la tecnología de bucle de enganche de fase para el control de fase del giroscopio, cuyo diagrama de bloques estructural básico se muestra en la Figura 3.
Figura 3. Diagrama de bloques de la estructura básica del PLL.
PLL es un sistema de regulación automática de fase de retroalimentación negativa, su principio de funcionamiento se puede resumir de la siguiente manera: La señal de entrada externa ui(t) y la salida de la señal de retroalimentación uo(t) del VCO se ingresan al discriminador de fase al mismo tiempo para completar la comparación de fase de las dos señales, y el extremo de salida del discriminador de fase emite una señal de voltaje de error ud(t) que refleja la diferencia de fase θe(t) de las dos señales; La señal a través del filtro de bucle filtrará los componentes de alta frecuencia y el ruido, obtendrá un oscilador de control de voltaje uc(t), el oscilador de control de voltaje ajustará la frecuencia de la señal de salida de acuerdo con este voltaje de control, de modo que se acerque gradualmente a la frecuencia de la señal de entrada, y la señal de salida final uo(t), cuando la frecuencia de ui(t) es igual a uo(t) o un valor estable, el bucle alcanza un estado bloqueado.
El control automático de ganancia (AGC) es un sistema de retroalimentación negativa de bucle cerrado con control de amplitud que, combinado con un bucle de enganche de fase, proporciona una vibración estable en amplitud y fase para el modo de accionamiento del giroscopio. Su diagrama estructural se muestra en la Figura 4.
Figura 4. Diagrama de bloques de la estructura de control automático de ganancia
El principio de funcionamiento del control automático de ganancia se puede resumir de la siguiente manera: la señal ui(t) con la información de desplazamiento del impulsor del giroscopio se ingresa al enlace de detección de amplitud, la señal de amplitud de desplazamiento del impulsor se extrae mediante demodulación por multiplicación y luego el componente de alta frecuencia y el ruido se filtran mediante un filtro de paso bajo; En este momento, la señal es una señal de voltaje de CC relativamente pura que caracteriza el desplazamiento del impulsor, y luego controla la señal en el valor de referencia dado a través de un enlace PI y emite la señal eléctrica ua(t) que controla la amplitud del impulsor para completar el control de amplitud.
En este artículo, se presenta el bucle de control del modo de conducción del giroscopio MEMS, incluyendo el modelo, la conversión de desbloqueo a capacitancia, la conversión de capacitancia a voltaje, el bucle de enganche de fase y el control automático de ganancia. Como fabricante de sensores giroscópicos MEMS, Micro-Magic Inc. ha realizado una investigación exhaustiva sobre los giroscopios MEMS y ha difundido y compartido con frecuencia sus conocimientos relevantes. Para una comprensión más profunda del giroscopio MEMS, puede consultar los parámetros de MG-501 y MG1001.
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