Микромеханический гироскоп

Микромеханический гироскоп

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа и схемам измерения перемещения подвижной массы (ПМ) или ротора в этих гироскопах.

Известны конструкции емкостных датчиков, предназначенных для измерения перемещений ПМ по оси возбуждения колебаний или драйва (drive axis) [Пат. США №6253612, Распопов В.Я. Микромеханические приборы, Тула, 2002 г., стр.323]. Выходной сигнал этих датчиков используется в гироскопах для формирования контура возбуждения колебаний в канале драйва (гребенчатого двигателя по оси возбуждения колебаний) и стабилизации их амплитуды, а также при выделении сигнала, пропорционального измеряемой скорости вращения. Для формирования датчика перемещений на подвижной массе и основании формируют соответствующие электроды и вводят электронные блоки. Примеры реализации конструкции гироскопа можно найти в пат. США №6253612, фиг.2, 3. Для измерения перемещений ПМ по другим осям размещают емкостные датчики по ним (см. пат. США №6253612, столбец 5).

Такой подход является общепринятым. В качестве примера можно обратиться к пат. США №5604309, где на фиг.5 показаны емкостные датчики, расположенные по ортогональным осям (ось драйва и ось чувствительности или выходная ось).

Отметим явление, которое, как правило, присуще ММГ: наличие в выходном сигнале (т.е. в сигнале емкостного датчика, расположенного по выходной оси) квадратурной помехи. Амплитуда этой помехи на 3-4 порядка превышает порог чувствительности ММГ, т.е. эта составляющая является превалирующей. Благодаря тому, что эта составляющая сдвинута на 90° по отношению к полезной составляющей, определяемой кориолисовыми ускорениями, имеется возможность подавления квадратурной помехи и сведения ее к нулевому уровню.

Природа квадратурной помехи достаточно ясно объяснена в [Пат. США №6370937]. В [Пат. США №№5604309, 6370937, 5604306] описаны возможные пути построения ММГ, в котором эта помеха подавляется.

Исключение одного емкостного датчика из ММГ могло бы упростить конструкции ММГ. Поэтому формирование сигнала, фаза которого стабильна по отношению к перемещениям ПМ по оси драйва, без использования емкостного датчика перемещений ПМ по этой оси позволит снизить стоимость ММГ.

В качестве прототипа выбран микромеханический гироскоп, содержащий емкостной датчик и систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), вход которой подключен к выходу емкостного датчика (см. фиг.5 пат. США №6253612).

Задачей изобретения является упрощение конструкции ММГ и снижение его стоимости.

Дополнительной задачей изобретения является увеличение амплитуды колебаний ПМ или снижение амплитуды напряжения, подаваемого на гребенчатый двигатель.

Поставленная задача достигается тем, что в микромеханическом гироскопе, содержащем ротор и статор с первой группой электродов, образующих гребенчатый двигатель по оси возбуждения колебаний, и второй группой электродов, расположенных по оси измерения выходного сигнала, емкостной датчик, образованный электродами второй группы и преобразователем емкость - напряжение, систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), вход которой подключен к выходу емкостного датчика, умножитель, первый вход которого соединен с выходом емкостного датчика, фильтр низкой частоты (ФНЧ), вход которого соединен с выходом умножителя, согласно изобретению введены выпрямитель, вход которого подключен к выходу емкостного датчика, интегратор, вход которого подключен к выходу выпрямителя, фазосдвигающее устройство, вход которого подключен к выходу емкостного датчика, и устройство суммирования, входы которого подключены к выходам интегратора и фазосдвигающего устройства, а выход устройства суммирования соединен с электродами первой группы, при этом второй вход умножителя соединен с выходом системы ФАПЧ.

Основное преимущество предлагаемого изобретения обусловлено тем, что как положение ПМ в плоскости первичных колебаний, так и перемещения по выходной координате или в плоскости вторичных колебаний определяют путем измерения сигнала одного емкостного датчика, используя квадратурную (по отношению к сигналу кориолисовых ускорений) помеху в качестве полезного сигнала, из которой, в соответствии с предложенным способом, осуществляют реконструкцию сигнала, получаемого в прототипе и аналогах с помощью емкостного датчика в канале драйва.

Заявленная совокупность признаков позволяет упростить конструкцию механической части гироскопа, увеличить амплитуду первичных колебаний, уменьшить влияние квадратурной помехи на выходной сигнал гироскопа. Заявленное устройство поясняется чертежами.

На фиг.1 приведен вариант конструкции ММГ.

На фиг.1 приняты следующие обозначения:

1 - ПМ (в данном варианте конструкции - ротор),

2 - основание,

3 - электроды, расположенные в плоскости вторичных колебаний на основании 2,

4 - электроды, расположенные в плоскости первичных колебаний.

На фиг.2 приведен вариант выполнения ПМ1.

На фиг.2 приняты следующие обозначения:

1 - ПМ (в данном варианте конструкции - ротор с гребенками),

5 - статоры, расположенные в плоскости первичных колебаний,

6 - торсионы подвеса ПМ,

7 - опора, закрепленная на основании 2.

На фиг.3 показан в векторной форме выходной сигнал емкостного датчика образованного ротором и электродами, расположенными по оси измерения выходного сигнала гироскопа, и его разложение на две ортогональные составляющие.

На фиг.3 приняты следующие обозначения:

8 - вектор, соответствующий квадратурной составляющей выходного сигнала,

9 - вектор, соответствующий составляющей выходного сигнала, пропорциональной действующим на гироскоп кориолисовым ускорениям,

10 - результирующий вектор выходного сигнала.

На фиг.4 приведены графики изменения во времени выходных сигналов двух емкостных датчиков ММГ, конструкция которого аналогична описанной в свидетельстве РФ на полезную модель №18768. Эти графики получены экспериментально для различных моментов времени.

На фиг.4 приняты следующие обозначения:

t - время,

U₁₁ - напряжение на выходе емкостного датчика канала драйва в начальной стадии возбуждения колебаний гребенчатого двигателя,

U₂₁ - напряжение на выходе емкостного датчика выходного канала (т.е. образованного ПМ1 и электродами 3) в начальной стадии возбуждения колебаний гребенчатого двигателя,

U₁₂ - напряжение на выходе емкостного датчика канала драйва после достижения установившего режима колебаний гребенчатого двигателя,

U₂₂ - напряжение на выходе емкостного датчика выходного канала после достижения установившего режима колебаний гребенчатого двигателя,

На фиг.5 показана блок-схема предложенного ММГ.

На фиг.5 приняты следующие обозначения:

11 - емкостной датчик,

12 - система ФАПЧ,

13 - умножитель,

14 - ФНЧ,

15 - блок управления гребенчатым двигателем,

16 - выпрямитель,

17 - интегратор,

18 - источник опорного сигнала,

19 - фазосдвигающее устройство,

20 - суммирующее устройство

На фиг.6 показана блок-схема варианта построения ФАПЧ.

На фиг.6 приняты следующие обозначения:

12 - система ФАПЧ,

21 - фазовый детектор,

22 - фильтр низкой частоты (ФНЧ),

23 - генератор, управляемый напряжением (ГУН).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В ММГ (см.фиг.1) ротор (ПМ 1) подвешен на упругом подвесе над основанием 2, электроды 3 с ПМ1 образуют емкостной датчик перемещения ПМ1 по выходному каналу относительно основания 2 (выходной канал). Для возбуждения колебаний ПМ1 в плоскости, параллельной основанию, на электроды 4 может подаваться постоянное и переменное напряжения. Частота последнего в этом случае выбирается равной резонансной частоте подвеса ПМ1.

Перейдем к фиг.2. Электроды 4, показанные на фиг.1 схематично, образованы гребенчатыми статорами 5, установленными на основании 2, и гребенками ПМ1. На торсионах 6 ПМ1 подвешена на опоре 7. Подобная конструкция обеспечивает высокодобротный подвес ПМ1. Амплитуда колебаний ПМ1 определяется добротностью подвеса (Q), напряжением, подаваемым на гребенки статоров и ПМ1, числом используемых гребенок. Чем выше Q, напряжение и число гребенок, тем больше амплитуда колебаний. Однако все эти величины ограничены. Так величина Q существенно зависит от давления воздуха в ММГ, при достаточно глубоком вакуумировании ММГ она может превышать величину 100000, а при нормальном атмосферном давлении падать до 50. Максимальная величина напряжения определяется допустимым напряжением пробоя и при 1-2 микронных зазорах между гребенками не превышает 10-20 В. В известных ММГ-аналогах часть гребенок используется для построения емкостного датчика положения или перемещения ПМ1 для канала драйва (т.е. для измерения перемещений ПМ1 в плоскости, параллельной основанию 2.

Положение ПМ1 изменяется в соответствие с выражением

где А - амплитуда колебаний, ω - угловая частота колебаний (ω как правило совпадает с резонансной частотой подвеса ПМ1) В ММГ-аналогах сигнал на выходе емкостного датчика в канале драйва пропорционален величине φ.

В реальных конструкциях ММГ ПМ1 совершает колебания не только в плоскости, параллельной основанию 2, но и в направлении, нормальном к этой плоскости. Это обусловлено влиянием ряда факторов, в частности неравножесткостью торсионов, нормальными к ПМ1 составляющим электростатического поля. Все это, в конечном счете, приводит к тому, что в выходном сигнале емкостного датчика, построенного на электродах 3, присутствует составляющая 8 (см. фиг.3), которая в общем случае зависит от φ.

Экспериментальная проверка на образцах ММГ с емкостными датчиками, находящимися на оси драйва и выходной оси, показала, что эта зависимость близка к линейной. Как видно из фиг.4, фазы выходных сигналов емкостных датчиков (напряжения U₁, U₂) практически совпадают, а отношение амплитуд U₁₁/U₂₁ и U₁₂/U₂₂ остаются постоянными.

Если допустить, что угол поворота ММГ вокруг оси чувствительности 9 изменяется в соответствии с выражением:

то под действием кориолисовых сил ПМ1 будет совершать колебательные движения, которые можно описать с помощью выражения:

величина, пропорциональная ν, соответствует вектору 9 на фиг.3.

Как видно из фиг.3, фаза вектора 10 по отношению к вектору 8 изменяется с частотой Ω.

В предлагаемом ММГ на фиг.5 с выходом емкостного датчика, образованного ПМ и электродами, расположенными на выходной оси, соединены входы системы ФАПЧ 12, выпрямителя 16, фазосдвигающего устройства 19 и один из входов умножителя 13. Выход системы ФАПЧ соединен с другим входом умножителя 13, выход которого соединен с входом ФНЧ 14, выход которого является выходом ММГ. Источник опорного сигнала 18 и выход выпрямителя 16 соединены с входами интегратора 17. Выходы фазосдвигающего устройства 19 и интегратора 17 соединены с входами суммирующего устройства 20, выходы которого соединены с электродами гребенчатого двигателя. Элементы 16-20 образуют в совокупности устройство управления гребенчатым двигателем.

ММГ работает следующим образом Выходной сигнал емкостного датчика 11 (U₁₁) содержит составляющие, пропорциональные φ и ν, первая из которых является квадратурной помехой, а вторая - полезным сигналом. Этот сигнал имеет следующий вид:

где k₁, k₂ - постоянные коэффициенты.

При достаточно большой величине k₁ А по сравнению с k₂ В, что соответствует большому уровню квадратурной помехи в ММГ, на выходе выпрямителя 16 выделяется сигнал постоянного тока, величина которого пропорциональна величине А, которая пропорциональна амплитуде колебаний ПМ по оси первичных колебаний. Выходной сигнал выпрямителя 16 сравнивается на входе интегратора 17 с опорным сигналом источника 18. В случае, когда эти сигналы отличаются друг от друга, выходной сигнал интегратора 17 изменяется в сторону увеличения или уменьшения в зависимости от разности входных сигналов. Этот выделенный сигнал на входе элемента 20 сравнивается с опорным сигналом и после интегрирования поступает на вход сумматора 22. Необходимый для возбуждения колебаний на резонансной частоте подвеса ПМ1 по оси драйва фазовый сдвиг в контуре обеспечивается элементом 19. Напряжение на выходе сумматора 20 (U₂₀)

где К - коэффициент, U₁₇ - напряжение на выходе интегратора 17.

Поскольку сила (F) или момент, развиваемый гребенчатым двигателем, пропорционален квадрату напряжения, подаваемому на электроды, то

где к - коэффициент.

Учитывая только составляющую на частоте ω, получим, что F пропорционально величине U₁₇Asin(ωt), т.е. контурное усиление в контуре стабилизации амплитуды зависит от интеграла разности задаваемого значения амплитуды (сигнал на выходе элемента 18 и его текущего значения). Таким образом, при наличии одного емкостного датчика 11, расположенного по выходной оси, возможны возбуждение колебаний на резонансной частоте подвеса по оси драйва и стабилизация амплитуды колебаний ПМ1 в этом канале.

Покажем теперь, как в предложенном устройстве осуществляется выделение сигнала измеряемой скорости.

Системой ФАПЧ 12 осуществляется фильтрация малых изменений фазы входного сигнала, сигнал на выходе системы ФАПЧ 12 сдвинут на 90° по отношению к основной составляющей входного сигнала, т.е. к квадратурной помехе. Этот сигнал является опорным сигналом фазового детектора или демодулятора на умножителе 13. При перемножении выходного сигнала системы ФАПЧ 12 и выходного сигнала датчика 11 на выходе умножителя 13 появляются составляющие на частоте 2 ω (если сигнал на выходе системы ФАПЧ 12 синусоидальный) и низкочастотная составляющая, пропорциональная BSin( Ωt), которая выделяется ФНЧ 14.

Вариант построения системы ФАПЧ 12, показанный на фиг.6, включает в себя последовательно включенные фазовый детектор 21, ФНЧ 22 и ГУН23. Выход ГУН 23 соединен с вторым входом фазового детектора 21, первый вход которого является входом системы ФАПЧ 12. В этой системе при сдвиге фазы между входным и выходным сигналами, отличающимися от 90°, на выходе фазового детектора 22 появляется сигнал, который изменяет частоту ГУН 23 до тех пор пока сдвиг фазы между входным и выходным сигналами не станет равным 90°. Эта структура является типичной структурой ФАПЧ, описанной в литературе и реализуемой в виде, например, интегральных микросхем, например, типа 564ГГ1.

Возможность реализации предложенного ММГ подтверждена моделированием и экспериментами, проведенными на экспериментальном образце ММГ с виртуальным преобразователем сигнала емкостного датчика по описанному способу, выполненным в программе Lab View.

Микромеханический гироскоп, содержащий ротор и статор с первой группой электродов, образующих гребенчатый двигатель по оси возбуждения колебаний, и второй группой электродов, расположенных по оси измерения выходного сигнала, емкостный датчик, образованный электродами второй группы и преобразователем емкость - напряжение, систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), вход которой подключен к выходу емкостного датчика, фильтр низкой частоты (ФНЧ), умножитель, первый вход которого соединен с выходом емкостного датчика, фильтр низкой частоты (ФНЧ), вход которого соединен с выходом умножителя, отличающийся тем, что в него введены выпрямитель, вход которого подключен к выходу емкостного датчика, интегратор, вход которого подключен к выходу выпрямителя, фазосдвигающее устройство, вход которого подключен к выходу емкостного датчика, и устройство суммирования, входы которого подключены к выходам интегратора и фазосдвигающего устройства, а выход устройства суммирования соединен с электродами первой группы, при этом второй вход умножителя соединен с выходом системы ФАПЧ.