Producto: Sistema de navegación inercial puro (INS) basado en IMU
Características clave:
El conjunto direccional Fluxgate está compuesto por sensores de acelerómetro y sensores fluxgate, que se utilizan principalmente en perforación direccional, industria petrolera y otros campos para medir la inclinación del pozo, el ángulo de acimut y el ángulo de la cara de la herramienta. La perforación direccional en la industria petrolera comenzó a finales del siglo XIX, cuando se introdujo la tecnología de perforación rotativa para reemplazar la antigua perforación de toneladas, sin considerar el problema de estabilizar la sarta de perforación para controlar la trayectoria del pozo. Sin embargo, las mediciones de los pozos mostraron que los primeros pozos "verticales" estaban lejos de ser "verticales". Tanto en la perforación vertical como en la direccional, es necesario determinar la ubicación del pozo debajo de la superficie. Esto requiere el uso de instrumentos de medición que puedan medir la inclinación y el azimut a lo largo del pozo a diferentes profundidades. La posición del agujero con respecto a la superficie se puede calcular a partir de los resultados de medición acumulados.
En este artículo, se presentará la estructura y el principio de funcionamiento del conjunto direccional fluxgate, y se introducirán los principales ángulos de medición del ángulo de inclinación del pozo, el ángulo de la cara de la herramienta y el ángulo de acimut.
El sensor de aceleración adopta un sensor de aceleración por gravedad de suspensión líquida magnética, que tiene las características de una fuerte resistencia al impacto y un tamaño pequeño, y su precisión es de aproximadamente ± 0,1%. La estructura se muestra en la Figura 1.
Figura 1. Diagrama de bloques de la estructura de control del modo de accionamiento del giroscopio MEMS
Según la ecuación dinámica del modo de conducción 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 manejo del giroscopio, ωx=√kx/mx es la frecuencia de resonancia del modo de manejo y Qx = mxωx/cx es el factor de calidad del modo de manejo.
Según el análisis de la capacitancia de detección de los dientes del peine, el vínculo de conversión desplazamiento-capacitancia es lineal cuando se ignora el efecto de 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 accionados por el modo giroscópico, ε0 es la constante dieléctrica de vacío, hx es el espesor de los peines de detección de conducción, lx es la longitud de superposición de los peines de detección de conducción 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 en anillo y su diagrama esquemático se muestra en la Figura 2.
Figura 2 Diagrama esquemático del circuito de diodo en anillo.
En la figura, C1 y C2 son condensadores de detección diferencial de giroscopio, C3 y C4 son condensadores de demodulación y Vca son amplitudes de onda cuadrada. El principio de funcionamiento es: cuando la onda cuadrada está en el semiciclo positivo, los diodos D2 y D4 se encienden, luego el condensador C1 carga C4 y C2 carga C3; Cuando la onda cuadrada está en un medio período positivo, los diodos D1 y D3 se encienden, luego el capacitor C1 se descarga en C3 y C2 se descarga en C4. De esta forma, después de varios ciclos de onda cuadrada, la tensión en los condensadores demodulados C3 y C4 se estabilizará. Su expresión de voltaje 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 inferior a 0,5 pF, mientras que la capacitancia de demodulación utilizada en el circuito es del orden de 100 pF, por lo que hay 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 una parte importante del control del accionamiento del giroscopio MEMS. La tecnología de bucle de bloqueo de fase puede rastrear el cambio de frecuencia de la señal de entrada en su banda de frecuencia capturada y bloquear el cambio de fase. Por lo tanto, este artículo utiliza la tecnología de bucle de bloqueo de fase para ingresar al control de fase del giroscopio, y su diagrama de bloques de estructura básica se muestra en la Figura 3.
Cifra. 3 Diagrama de bloques de la estructura básica de 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 señal de retroalimentación uo(t) de salida del VCO se ingresan al discriminador de fase al mismo tiempo para complete la comparación de fase de las dos señales, y el extremo de salida del discriminador de fase genera 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 bloqueo de fase, proporciona vibración estable en amplitud y fase para el modo de accionamiento del giroscopio. Su diagrama de estructura 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 multiplicativa y luego la señal de alta frecuencia los componentes y el ruido se filtran mediante un filtro de paso bajo; En este momento, la señal es una señal de voltaje CC relativamente pura que caracteriza el desplazamiento del variador, 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 variador para completarse. el control de amplitud.
En este artículo, se presenta el bucle de control del modo de conducción del giroscopio MEMS, incluido el modelo, la conversión de capacitancia de desbloqueo, la conversión de capacitancia-voltaje, el bucle de bloqueo de fase y el control automático de ganancia. Como fabricante de sensores giroscópicos MEMS, Micro-Magic Inc ha realizado una investigación detallada sobre los giroscopios MEMS y, a menudo, ha popularizado y compartido el conocimiento relevante sobre los giroscopios MEMS. Para una comprensión más profunda del giroscopio MEMS, puede consultar los parámetros de MG-501 y MG1001.
Si está interesado en obtener más conocimientos y productos de MEMS, contáctenos.
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