تحليل حلقة التحكم في وضع محرك الجيروسكوب MEMS

النقاط الرئيسية

يعتمد جيروسكوب MEMS على السرعة الزاوية الحساسة لقوة كوريوليس، وينقسم نظام التحكم الخاص به إلى حلقة التحكم في وضع القيادة وحلقة التحكم في وضع الكشف. فقط من خلال ضمان التتبع في الوقت الحقيقي لسعة اهتزاز وضع القيادة وتردد الرنين، يمكن لإزالة تشكيل قناة الكشف الحصول على معلومات دقيقة عن السرعة الزاوية. ستحلل هذه الورقة حلقة التحكم في وضع القيادة لـ MEMS gyro من جوانب عديدة.

محرك نموذج حلقة التحكم مشروط

يتم تحويل إزاحة الاهتزاز لوضع محرك الجيروسكوب MEMS إلى تغيير السعة من خلال هيكل الكشف عن مكثف المشط، ومن ثم يتم تحويل السعة إلى إشارة الجهد التي تميز إزاحة محرك الجيروسكوب من خلال دائرة الصمام الثنائي الحلقي. بعد ذلك، ستدخل الإشارة إلى فرعين على التوالي، إشارة واحدة من خلال وحدة التحكم التلقائي في الكسب (AGC) لتحقيق التحكم في السعة، وإشارة واحدة من خلال وحدة حلقة الطور المقفلة (PLL) لتحقيق التحكم في الطور. في وحدة AGC، يتم أولاً إزالة تشكيل سعة إشارة إزاحة محرك الأقراص عن طريق الضرب ومرشح الترددات المنخفضة، ثم يتم التحكم في السعة عند القيمة المرجعية المحددة من خلال رابط PI ويتم إخراج إشارة التحكم الخاصة بسعة محرك الأقراص. تكون الإشارة المرجعية المستخدمة لإزالة التشكيل المضاعفة في وحدة PLL متعامدة مع الإشارة المرجعية لإزالة التشكيل المستخدمة في وحدة AGC. بعد مرور الإشارة عبر وحدة PLL، يمكن تتبع تردد الرنين الدافع للجيروسكوب. إخراج الوحدة هو إشارة التحكم في مرحلة القيادة. يتم مضاعفة إشارتي التحكم لتوليد جهد محرك الجيروسكوب، والذي يتم تطبيقه على مشط القيادة وتحويله إلى قوة دافعة إلكتروستاتيكية لقيادة وضع محرك الجيروسكوب، وذلك لتشكيل حلقة تحكم مغلقة لوضع محرك الجيروسكوب. يوضح الشكل 1 حلقة التحكم في وضع القيادة لجيروسكوب MEMS.

الشكل 1. رسم تخطيطي لهيكل التحكم في وضع الجيروسكوب MEMS

محرك وظيفة نقل مشروط

وفقًا للمعادلة الديناميكية لوضع القيادة لجيروسكوب MEMS المهتز، يمكن الحصول على وظيفة النقل المستمر للمجال عن طريق تحويل لابلاس:

حيث mx هي الكتلة المكافئة لوضع محرك الجيروسكوب، وωx=√kx/mx هو تردد الرنين لوضع القيادة، وQx = mxωx/cx هو عامل الجودة لوضع القيادة.

رابط تحويل الإزاحة والسعة

وفقًا لتحليل سعة الكشف لأسنان المشط، يكون رابط تحويل سعة الإزاحة خطيًا عند تجاهل تأثير الحافة، ويمكن التعبير عن كسب السعة التفاضلية المتغيرة مع الإزاحة على النحو التالي:

حيث nx هو عدد الأمشاط النشطة المدفوعة بالوضع الجيروسكوبي، ε0 هو ثابت العزل الكهربائي الفراغي، hx هو سمك أمشاط اكتشاف القيادة، lx هو طول التداخل لأمشاط اكتشاف القيادة النشطة والثابتة في حالة الراحة، وdx هو المسافة بين الأسنان.

وصلة تحويل السعة والجهد

دائرة تحويل الجهد والمكثف المستخدمة في هذه الورقة هي دائرة الصمام الثنائي الحلقي، ويظهر الرسم التخطيطي لها في الشكل 2.

الشكل 2: رسم تخطيطي لدائرة الصمام الثنائي الدائري

في الشكل، C1 وC2 عبارة عن مكثفات كشف تفاضلي للجيروسكوب، وC3 وC4 عبارة عن مكثفات إزالة التشكيل، وVca عبارة عن سعات موجة مربعة. مبدأ العمل هو: عندما تكون الموجة المربعة في نصف دورة موجبة، يتم تشغيل الصمام الثنائي D2 وD4، ثم يقوم المكثف C1 بشحن C4 وC2 بشحن C3؛ عندما تكون الموجة المربعة في نصف فترة موجبة، يتم تشغيل الثنائيات D1 و D3، ثم يتم تفريغ المكثف C1 إلى C3 وC2 إلى C4. بهذه الطريقة، بعد عدة دورات موجة مربعة، سوف يستقر الجهد على المكثفات المنزوعة التشكيل C3 وC4. التعبير عن الجهد هو:

بالنسبة لجيروسكوب السيليكون الميكروميكانيكي الذي تمت دراسته في هذا البحث، تكون سعته الثابتة في حدود عدة pF، ويكون تباين السعة أقل من 0.5pF، بينما تكون سعة إزالة التشكيل المستخدمة في الدائرة في حدود 100 pF، لذلك هناك CC0》∆C وC2》∆C2، ويتم الحصول على كسب تحويل جهد المكثف عن طريق تبسيط الصيغة:

حيث Kpa هو عامل التضخيم للمضخم التفاضلي، وC0 هي سعة إزالة التشكيل، وC هي السعة الثابتة لسعة الكشف، وVca هي سعة الموجة الحاملة، وVD هو انخفاض الجهد في الصمام الثنائي.

وصلة تحويل السعة والجهد

يعد التحكم في الطور جزءًا مهمًا من التحكم في محرك جيروسكوب MEMS. يمكن لتقنية الحلقة المقفلة الطور تتبع تغير تردد إشارة الإدخال في نطاق التردد الذي تم التقاطه وقفل تحول الطور. لذلك، تستخدم هذه الورقة تقنية الحلقة المقفلة الطور للدخول إلى التحكم في الطور للجيروسكوب، ويظهر الرسم التخطيطي لهيكلها الأساسي في الشكل 3.

شكل. 3 رسم تخطيطي للهيكل الأساسي لـ PLL

PLL هو نظام تنظيم تلقائي لمرحلة التغذية المرتدة السلبية، ويمكن تلخيص مبدأ عمله على النحو التالي: يتم إدخال إشارة الإدخال الخارجية ui(t) وإشارة التغذية المرتدة uo(t) من VCO إلى تمييز الطور في نفس الوقت أكمل مقارنة الطور بين الإشارتين، ويخرج طرف الخرج لتمييز الطور إشارة جهد خطأ ud(t) تعكس فرق الطور θe(t) للإشارتين؛ ستقوم الإشارة من خلال مرشح الحلقة بتصفية المكونات عالية التردد والضوضاء، والحصول على مذبذب التحكم في الجهد uc(t)، وسيقوم مذبذب التحكم في الجهد بضبط تردد إشارة الخرج وفقًا لجهد التحكم هذا، بحيث يقترب تدريجيًا إلى تردد إشارة الدخل وإشارة الخرج النهائية uo(t)، عندما يكون تردد ui(t) مساويًا لـ uo(t) أو قيمة مستقرة، تصل الحلقة إلى حالة القفل.

التحكم التلقائي في الكسب

التحكم التلقائي في الكسب (AGC) هو نظام ردود فعل سلبية ذو حلقة مغلقة مع التحكم في السعة، والذي، جنبًا إلى جنب مع حلقة قفل الطور، يوفر اهتزازًا ثابتًا للسعة والطور لوضع محرك الجيروسكوب. يظهر مخطط هيكلها في الشكل 4.

الشكل 4. مخطط كتلة هيكل التحكم التلقائي في الكسب

يمكن تلخيص مبدأ العمل للتحكم التلقائي في الكسب على النحو التالي: يتم إدخال إشارة ui(t) مع معلومات إزاحة محرك الجيروسكوب إلى رابط اكتشاف السعة، ويتم استخراج إشارة سعة إزاحة المحرك عن طريق إزالة التشكيل المضاعف، ثم التردد العالي يتم تصفية المكون والضوضاء بواسطة مرشح الترددات المنخفضة؛ في هذا الوقت، تكون الإشارة عبارة عن إشارة جهد تيار مستمر نقية نسبيًا تميز إزاحة محرك الأقراص، ثم تتحكم في الإشارة عند القيمة المرجعية المحددة من خلال رابط PI، وتخرج الإشارة الكهربائية ua(t) التي تتحكم في سعة محرك الأقراص لإكمالها التحكم في السعة.

خاتمة

في هذا البحث، تم تقديم حلقة التحكم في وضع القيادة لجيروسكوب MEMS، بما في ذلك النموذج، وتحويل سعة القفل، وتحويل السعة والجهد، وحلقة قفل الطور، والتحكم التلقائي في الكسب. باعتبارها شركة مصنعة لمستشعر الجيروسكوب MEMS، أجرت شركة Micro-Magic Inc بحثًا تفصيليًا حول الجيروسكوبات MEMS، وغالبًا ما قامت بنشر ومشاركة المعرفة ذات الصلة بجيروسكوب MEMS. للحصول على فهم أعمق لجيروسكوب MEMS، يمكنك الرجوع إلى معلمات MG-501 وMG1001.

إذا كنت مهتمًا بمعرفة المزيد عن منتجات MEMS، فيرجى الاتصال بنا.