تحليل حلقة التحكم في وضع تشغيل الجيروسكوب MEMS

النقاط الرئيسية

يعتمد الجيروسكوب الكهروميكانيكي الدقيق (MEMS) على السرعة الزاوية الحساسة لقوة كوريوليس، وينقسم نظام التحكم فيه إلى حلقتين: حلقة تحكم في وضع القيادة وحلقة تحكم في وضع الكشف. ولا يمكن الحصول على معلومات دقيقة عن السرعة الزاوية المدخلة إلا من خلال ضمان التتبع الفوري لسعة اهتزاز وضع القيادة وتردد الرنين. ستتناول هذه الورقة البحثية تحليل حلقة التحكم في وضع القيادة للجيروسكوب الكهروميكانيكي الدقيق من جوانب متعددة.

نموذج حلقة التحكم النمطي للقيادة

يتم تحويل إزاحة اهتزاز وضع تشغيل الجيروسكوب MEMS إلى تغير في السعة عبر بنية كشف المكثفات المشطية، ثم تُحوّل السعة إلى إشارة جهد تُميّز إزاحة تشغيل الجيروسكوب عبر دائرة الصمام الثنائي الحلقي. بعد ذلك، تدخل الإشارة إلى فرعين: الأول يمر عبر وحدة التحكم التلقائي في الكسب (AGC) للتحكم في السعة، والثاني يمر عبر وحدة حلقة الطور المقفلة (PLL) للتحكم في الطور. في وحدة AGC، تُزال أولًا شفرة إشارة إزاحة التشغيل عن طريق الضرب ومرشح التمرير المنخفض، ثم تُضبط السعة عند القيمة المرجعية المحددة عبر وصلة PI، وتُخرج إشارة التحكم في سعة التشغيل. الإشارة المرجعية المستخدمة لإزالة شفرة الضرب في وحدة PLL متعامدة مع إشارة إزالة الشفرة المرجعية المستخدمة في وحدة AGC. بعد مرور الإشارة عبر وحدة PLL، يُمكن تتبع تردد الرنين لتشغيل الجيروسكوب. مخرج الوحدة هو إشارة التحكم في طور التشغيل. تُضرب إشارتا التحكم لتوليد جهد تشغيل الجيروسكوب، والذي يُطبّق على مشط التشغيل ويُحوّل إلى قوة دافعة كهروستاتيكية لتشغيل وضع تشغيل الجيروسكوب، لتشكيل حلقة تحكم مغلقة لهذا الوضع. يوضح الشكل 1 حلقة التحكم في وضع تشغيل جيروسكوب MEMS.

الشكل 1. مخطط هيكل التحكم في وضع تشغيل الجيروسكوب MEMS

وظيفة نقل الوضعية للقيادة

وفقًا للمعادلة الديناميكية لنمط قيادة الجيروسكوب المهتز بتقنية MEMS، يمكن الحصول على دالة نقل المجال المستمر عن طريق تحويل لابلاس:

حيث أن mx هي الكتلة المكافئة لوضع محرك الجيروسكوب، وωx=√kx/mx هو التردد الرنيني لوضع المحرك، وQx = mxωx/cx هو عامل الجودة لوضع المحرك.

وصلة تحويل الإزاحة إلى السعة

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

حيث أن nx هو عدد الأمشاط النشطة التي يتم تشغيلها بواسطة الوضع الجيروسكوبي، و ε0 هو ثابت العزل الكهربائي للفراغ، و hx هو سمك أمشاط الكشف المحركة، و lx هو طول التداخل بين أمشاط الكشف المحركة النشطة والثابتة في حالة الراحة، و dx هي المسافة بين الأسنان.

وصلة تحويل السعة إلى جهد

دائرة تحويل الجهد المكثف المستخدمة في هذه الورقة هي دائرة ثنائية حلقية، ويظهر مخططها التخطيطي في الشكل 2.

الشكل 2: رسم تخطيطي لدائرة الصمام الثنائي الحلقي

في الشكل، C1 وC2 هما مكثفات الكشف التفاضلي للجيروسكوب، وC3 وC4 هما مكثفات إزالة التضمين، وVca هي سعة الموجة المربعة. مبدأ العمل هو: عندما تكون الموجة المربعة في النصف الموجب من الدورة، يتم تشغيل الثنائيين D2 وD4، ثم يقوم المكثف C1 بشحن C4 ويقوم C2 بشحن C3؛ وعندما تكون الموجة المربعة في النصف الموجب من الدورة، يتم تشغيل الثنائيين D1 وD3، ثم يقوم المكثف C1 بتفريغ شحنته إلى C3 ويقوم C2 بتفريغ شحنته إلى C4. بهذه الطريقة، وبعد عدة دورات من الموجة المربعة، يستقر الجهد على مكثفات إزالة التضمين C3 وC4. ويُعطى تعبير الجهد كما يلي:

بالنسبة للجيروسكوب الميكانيكي السيليكوني الدقيق الذي تمت دراسته في هذه الورقة، فإن سعته الساكنة في حدود عدة بيكوفاراد، وتغير السعة أقل من 0.5 بيكوفاراد، بينما سعة إزالة التضمين المستخدمة في الدائرة في حدود 100 بيكوفاراد، لذلك يوجد CC0》∆C و C2》∆C2، ويتم الحصول على كسب تحويل جهد المكثف من خلال الصيغة المبسطة التالية:

حيث أن Kpa هو عامل التضخيم للمضخم التفاضلي، و C0 هي سعة إزالة التضمين، و C هي السعة الثابتة لسعة الكشف، و Vca هي سعة الموجة الحاملة، و VD هو انخفاض الجهد في حالة التشغيل للثنائي.

وصلة تحويل السعة إلى جهد

يُعدّ التحكم في الطور جزءًا أساسيًا من التحكم في محرك الجيروسكوب بتقنية الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS). تستطيع تقنية الحلقة المغلقة الطورية تتبع تغير تردد إشارة الدخل ضمن نطاق التردد المُلتقط، وتثبيت إزاحة الطور. لذا، تستخدم هذه الورقة البحثية تقنية الحلقة المغلقة الطورية للتحكم في طور الجيروسكوب، ويُوضح الشكل 3 مخططها الهيكلي الأساسي.

الشكل 3: مخطط هيكلي للبنية الأساسية لـ PLL

نظام PLL هو نظام تنظيم طور تلقائي ذو تغذية راجعة سالبة، ويمكن تلخيص مبدأ عمله كما يلي: يتم إدخال إشارة الدخل الخارجية ui(t) وإشارة التغذية الراجعة uo(t) الخارجة من مذبذب التحكم بالجهد (VCO) إلى مُفَرِّق الطور في آنٍ واحد لإجراء مقارنة طورية بين الإشارتين. ويُخرج مُفَرِّق الطور إشارة جهد خطأ ud(t) تعكس فرق الطور θe(t) بين الإشارتين. تُمرَّر الإشارة عبر مرشح الحلقة لتصفية مكونات التردد العالي والضوضاء، والحصول على مذبذب تحكم بالجهد uc(t). يقوم مذبذب التحكم بالجهد بضبط تردد إشارة الخرج وفقًا لجهد التحكم هذا، بحيث يقترب تدريجيًا من تردد إشارة الدخل، وإشارة الخرج النهائية uo(t). عندما يتساوى تردد ui(t) مع uo(t) أو يصل إلى قيمة ثابتة، تصل الحلقة إلى حالة التزامن.

التحكم التلقائي في الكسب

نظام التحكم التلقائي في الكسب (AGC) هو نظام تغذية راجعة سلبية ذو حلقة مغلقة مع تحكم في السعة، والذي يوفر، بالاشتراك مع حلقة قفل الطور، اهتزازًا مستقرًا في السعة والطور لوضع تشغيل الجيروسكوب. يوضح الشكل 4 مخطط هيكله.

الشكل 4. مخطط هيكل التحكم التلقائي في الكسب

يمكن تلخيص مبدأ عمل التحكم التلقائي في الكسب على النحو التالي: يتم إدخال الإشارة ui(t) التي تحتوي على معلومات إزاحة محرك الجيروسكوب إلى وصلة كشف السعة، ويتم استخراج إشارة سعة إزاحة المحرك عن طريق إزالة التضمين بالضرب، ثم يتم ترشيح مكون التردد العالي والضوضاء بواسطة مرشح تمرير منخفض؛ في هذه الحالة، تكون الإشارة عبارة عن إشارة جهد مستمر نقية نسبيًا تميز إزاحة المحرك، ثم يتم التحكم في الإشارة عند قيمة مرجعية معينة من خلال وصلة PI، ويتم إخراج الإشارة الكهربائية ua(t) التي تتحكم في سعة المحرك لإكمال التحكم في السعة.

خاتمة

تتناول هذه الورقة البحثية حلقة التحكم في وضع القيادة لجيروسكوب MEMS، بما في ذلك النموذج، وتحويل السعة إلى حالة عدم التزامن، وتحويل السعة إلى جهد، وحلقة الطور المقفلة، والتحكم التلقائي في الكسب. وبصفتها شركة مصنعة لمستشعرات جيروسكوب MEMS، أجرت شركة Micro-Magic Inc أبحاثًا معمقة حول جيروسكوبات MEMS، وساهمت بشكل متكرر في نشر المعرفة المتعلقة بها ومشاركتها. لفهم أعمق لجيروسكوب MEMS، يمكنكم الرجوع إلى معلمات MG-501 وMG1001.

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