XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Системы ориентации и навигации стали неотъемлемой частью авиации (в том числе БЛА, в управляемых реактивных снарядах), судостроения, и т.д. C развитием электроники приборы, позволяющие определять параметры движения, значительно изменились как по физическим принципам, так и по размерам. Развитие электроники позволило прийти к созданию миниатюрных электромеханических систем (МЭМС), наиболее сложными из которых являются микромеханические гироскопы (ММГ).

C 1990-х годов началась работа в ведущих лабораториях и институтах зарубежных стран. На сегодняшний день имеются несколько крупных компаний выпускающие серийно ММГ, такие как: Analog Devices, STMicroelectronics, Honeywell и другие.

В данной работе рассматриваются различные структурные схемы систем возбуждения и стабилизации первичных колебаний (СУПК) ММГ LL-типа, их преимущества и недостатки; рассматриваются датчики силы, для возбуждения первичных колебаний и датчики положения.

1 Основные структурные схемы СУПК

Для достижения требуемой амплитуды первичных колебаний в ММГ используются резонансные свойства ротора и упругого подвеса (механической части). Главным условием для этого, является обеспечение равенства частоты управляющего воздействия и собственной частоты ЧЭ. Т.к. при изготовлении, возникают технологические погрешности, частоты чувствительных элементов могут менять в широком диапазоне.

Для того чтобы бороться c этим обычно используются различные автоматические системы, возбуждающие и стабилизирующие колебания на резонансной частоте ЧЭ ММГ. Наиболее часто применяемые схемы:

- автогенераторная схема возбуждения;

- схема c опорным генератором, частота которого автоматически настраивается на собственную частоту ЧЭ. [1,2]

Рис. 1. Структурная схема автогенераторная схема управления первичными колебаниями

Данная схема содержит устройство автоматической регулировки усиления (АРУ), служащее для подержания заданной амплитуды сигнала возбуждения и компаратор.

Для поддержания колебаний ЧЭ на резонансной частоте вводиться обратная связь в СУПК c помощью преобразователя емкость – напряжение (ПЕН), который в свою очередь преобразует изменение емкостей датчиков ММГ в постоянное напряжение. Также вместо него может использоваться другой датчик силы, например магнитоэлектрический (см. ниже).

Вносимая данным способом дополнительная энергия должна преобладать над энергией сил, действие которых на механическую систему, полная механическая энергия убывает, переходя в другие уже немеханическую энергию, например в тепловую. Такие силы называются силы диссипации.

Поддержание колебаний ЧЭ на резонансной частоте осуществляется обратной связью водимой в систему возбуждения первичных колебаний c помощью емкостного преобразователя, который преобразует изменение перемещения (изменение емкостей – гребенчатая структура) в постоянное напряжение (один из вариантов преобразователей).

Компенсирующее воздействие этой обратной связи имеет импульсную форму благодаря релейному элементу емкостного преобразователя напряжения и компаратора.

После переходного процесса устанавливается равновесие между вносимой энергии и энергии сил диссипации, в результате чего ЧЭ совершает уже установившиеся колебания определенной амплитуды. [1]

Схема возбуждения c опорным генератором приведена на рис. 2. В данной схеме используется генератор, который управляется напряжением (ГУН) для формирования сигнала, подаваемого на двигатель.

Принцип такой, что если частота ГУН будет совпадать c частотой механического резонанса ЧЭ ММГ, то между колебаниями генератора и колебаниями ЧЭ будет отсутствовать фазовый сдвиг, т.е. колебания будут синфазные. Это дает возможность использовать сигнал c ГУН в качестве опорного для модуляции сигнала об угловой скорости колебания ЧЭ.

В случае не совпадения частоты ГУН и механического резонанса ЧЭ будет наблюдаться фазовый сдвиг.

Рис. 2. Структурная схема системы управления первичными колебаниями c ФАПЧ

Обязательным условием для возбуждения первичных колебаний данного варианта является формирование контура автоматической настройки частоты задающего генератора на частоту механического резонанса ЧЭ ММГ. Так что данный контур лучше строить на основе не частотного, a фазового детектора (ФАПЧ), для повышения точности. [2,3]

В качестве преобразователя перемещения, возможно использование магнитоэлектрического, o котором сказано ниже.

Помимо выше перечисленных схем, также существуют схемы c использованием автогенерации на «половинной частоте».

 

Сенсор

Один из вариантов исполнения данной схемы привел Хью Мерфи [5]. На рис. 3 представлена структурная схема возбуждения первичных колебаний c использованием авторгенерации на «половинной частоте».

 

Усилитель

Фильтр

ЭАУ

ФНЧ

Компенсатор

Множитель

Усилитель

Усилитель

Рис. 3. Структурная схема возбуждения первичных колебаний c использованием авторгенерации на «половинной частоте»

Принцип действия данной схемы: c емкостного преобразователя сигнал идет на усилитель, где усиливается. Далее компенсируется по фазе в компенсаторе. Частота движения привода делятся пополам, фильтруется и усиливается. Затем попадает на элемент автоматического усиления (ЭАУ). Опорный сигнал для автоматического элемента усиления устанавливается путем обнаружения амплитуды сигнала на усилителе в умножителе и фильтре низких частот. На выходе c автоматического элемента усиления регулирующий сигнал возбуждения, который дифференциально подается на ЧЭ ММГ.

В данном варианте квадратичная нелинейность датчика момента от напряжения удваивает эту «половинную частоту» до собственной частоты ЧЭ ММГ. Данный метод позволяет снизить возможное влияние управляющего напряжения на детектируемый сигнал.

В этом же патенте представлен пример схемы возбуждения первичных колебаний c использованием опорного генератора постоянной произвольной частоты (по отношению, к резонансной).

 

Фазовый сдвиг

Сенсор

На рис. 4 представлена структурная схема возбуждения первичных колебаний c использованием опорного генератора постоянной произвольной частоты

 

Усилитель

Опорный генератор

Усилитель

Суммирующий усилитель

ЭАУ

ФНЧ

ФНЧ

Множитель

Множитель

Компенсатор

Усилитель

Рис. 4. Структурная схема возбуждения первичных колебаний c использованием опорного генератора постоянной произвольной частоты

К недостаткам данной схемы является проявление тоновых сигналов, создаваемых генератором. [1,5]

Давид Де Ру получил патент за метод создания 4-х фазного управляющего напряжения.[4.9] Классическая автогенераторная схема со стабилизацией амплитуды угловой скорости первичных колебаний приводится в статье М’Клоски [1,7,8]. Ch. Jeong, S. Seok представили свою автогенераторную схему (рис. 5). [1,9]

Рис. 5. Структурная схема предоставленная Chihwan Jeong, Seonho Seok

Связи выше сказанным, структурная схема для данной работы выбрана структурная схема, представленная на рис. 1. Простота является преимуществом данной схемы, но зато при этом предъявляются уже повышенные требования выходному сигналу c емкостного датчика перемещения. Для того, чтобы предотвратить это в данной системе целесообразно использовать другие датчики положения, например фотоэлектрические.

2 Датчики силы (для возбуждения первичных колебаний)

2.1 Электростатический гребенчатый ДС

Датчики силы также их в разной литературе называют движками или электрические приводы.

Одни из распространенных датчиков силы для возбуждения и стабилизации первичных колебаний является электростатический гребенчатый ДС. Схема такого ДС представлена на рис. 6.

Рис. 6. Электростатический гребенчатый ДС

Сила, создаваемая таким ДС, описывается формулой:

(10)

где n – суммарное количество «пальцев» гребенчатой структуры привода;

– диэлектрическая проницаемость среды;

– зазор между гребенками ДС [6]; Предположим, что n = 50, , корпус будет заполнен воздухом (диэлектрическая проницаемость равна 1), h=1 мм, то сила, создаваемая данным типом ДС буде иметь значение равное 3,2 или 3,2 мкН.

2.2 Магнитоэлектрические датчики силы

Схема магнитоэлектрического датчика силы (ДС) представлена на рис.7.

Рис. 7. Магнитоэлектрический ДС

Данный тип датчика работает следующим образом: под действие силы ампера, пропорциональной величине тока, протекающего по проводящим полоскам, осуществляется движение пластины (ЧЭ ММГ LL-типа) в горизонтальной плоскости.

На пластину нанесен слой изолятора и слой меди (серебра) толщиной 10 мкм полосками некоторой ширины b c зазором между ними мкм (зазор выбран из технологических соображений.) В зависимости от числа полосок их ширины определяется по формуле:

(1)

где – ширина пластины, равной 5 мм (ЧЭ ММГ);

– число полосок;

– зазор между пластинками.

Произведем ограничение максимального тока проводящей полоски тепловой мощностью, которую возможно отвести через корпус датчика при помощи естественной конвекции. Обусловим, что тепловая энергия, выделяющаяся на проводящей полоске, мгновенно передаётся на корпус датчика. В соответствии с законом Нюнтона-Рихмана, при теплопередаче через площадь S в окружающую среду без принудительной конвекции максимальная отведённая мощность Q:

(2)

где – тепловая проводимость;

– температура датчика;

– температура окружающей среды.

Расчет максимального тока производиться с соответствие законом Джоуля – Ленца:

(3)

где R – сопротивление проводящей полоски;

– удельное сопротивление;

– высота полоски.

Индукция, которую создают магниты квадратного сечения c шириной и длиной :

(4)

где – остаточная индукция;

– высота цилиндра ( );

– расстояние от магнитов до пластины ( ).

Для облегчения расчетов рассмотрим случай напыления пластинок c одной стороны. В этом случае сила находиться:

(5)

Рассмотрим случай, когда магниты выполнены из Nd-Fe-B марки N52 ( ). A также два случая, когда полоски выполнены из меди ( ) и из серебра ( ).

Случай, при использование меди в качестве проводящих полосок и магнитов выполненных из Nd-Fe-B марки N52.

В таблице 1 приведены значения и для различного числа проводящих медных полосок на пластине при индукции .

Таблица 2. Характеристика ДС при изменение n числа пластин из меди.

Чис­ло по­ло­сок, n	5	10	20	50	100	150
Ши­ри­на по­лос­ки b, мкм.	992	49	24	90,2	40,1	23,4
Максимальный ток Imax, мА.	0,45	0,23	0,11	0,04	0,02	0,01
Си­ла Ам­пе­ра F, мкН.	16,2	16	15,70	14,75	13,10	11,48

В таблице 2 приведены значения и для различного числа проводящих медных полосок на пластине при индукции .

Таблица 2. Характеристика ДС при изменение n числа пластин из серебра.

Чис­ло по­ло­сок, n	5	10	20	50	100	150
Ши­ри­на по­лос­ки b, мкм.	992	49	24	90,2	40,1	23,4
Максимальный ток Imax, мА.	0,48	0,23	0,11	0,04	0,02	0,015
Си­ла Ам­пе­ра F, мкН.	17,36	17,19	16,8	15,79	14,04	12,3

График сравнения силы от числа пластинок для каждого материала представлен на рис. 8.

Рис. 8. Графики зависимости силы Ампера от числа пластинок для меди и серебра

Как видно из рис. 8 и таблицы 1 и 2, применение в качестве электропроводного материала пластинок серебро, сила Ампера возрастёт на 6,7 %.

Таким образом, проведенный анализ показывает, что магнитоэлектрический ДС создают почти в 6 раз силу, чем электростатический гребенчатый.

Датчики положения

Емкостные датчики положения на сегодняшний день наиболее часто используются ММГ любого типа. Принцип работы таких датчиков основан на измерение величины измерения емкости дифференциально изменению зазора между прокладки конденсатора.

Но на практике емкость датчиков положения составляет единицы фемтофарад. В этом случаем переходные и внутренние емкости в схеме больше или сопоставимы c измеряемой величиной изменения емкости ДП, что отрицательно сказывается на точность ММГ.

В автоколебательной системе возбуждения первичных колебаний ММГ для повышения точности, рекомендуется использовать в качестве ДП фотоэлектрический преобразователь, который построен на основе бескорпусных элементов, т.е. светодиода и фототранзистора (также возможно использовать фототиристор).[14]

Принципом работы такого типа ДП является моделирование подвижной пластиной светового потока, что приводит к соответственному изменению сигнала фототранзистора, т.е. изменение напряжения относительно положения ЧЭ. Преимуществом таких ДП является то, что, как правило, не требует применение опорного сигнала, что существенно упрощает систему возбуждения и стабилизации первичных колебаний, a также съем вторичных колебаний ММГ. [3,15]

Заключение

В данной работе, были рассмотрены различные структурные схемы систем возбуждения и стабилизации первичных колебаний ММГ LL-типа их достоинства и недостатки, была выбрана структурная схема, для данной системы. Также были рассмотрены датчики положения и датчики силы. Был произведен сравнительный анализ для магнитоэлектрических ДС, полоски которых выполнены двух разных электропроводящих материалов.

Список используемой литературы

Ковалев А.С. Управление первичными и вторичными колебаниями микромеханического гироскопа. – Санкт-Петербург, 2008. 158с.

Семенцов А.О. Моделирование системы стабизиции частоты первичных колебаний чувствительного элемента микромеханического гироскопа. – Томск: Приборостроение

Тыртычный А.А. Разработка принципов построения и анализ характеристик автоколебательного микромеханического гироскопа. Санкт-Петербург, 2014. 149с.

Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств. Л: Энергия, 1968. 248с.

Hugh Murphy. Micromachined Rate Sensor comb drive device and metod US005530342 Patent, 1996

David W. DeRoo at al. Method of driving MEMS sensor with balanced four-phase comb drive. US 2002/0020218A1 Patent, 2002.

M’Closker R.T., Daneshrad B., Gibon J.S. Algorithm and low power implementation for MEMS Inertial sensors. Mechanical and Aerospase Engineering University of California. Final Report 1999-2000 for MOCRO Project 99-083.

Cenk Acar, Andrei Shkel. MEMS Vibratory Gyroscopes: Structural Approaches to Improve Robustness, Mechanical and Aerospase Engineering University of California, 2009. 255c

Jeong Ch., Seok S. et al. A study on resonant frequency and Q factor tuning for MEMS vibratory gyroscopes // Jounal of Mechanics and Microengineering, (2004).

Постоянные магниты справочник/ Под ред. Ю. М. Пятина. М.: Энергия, 1980.

Tirtichny A. The Comparative Analysis of Characteristics of Compensating Converters of Micromechanical Inertial Sensor // Information and Communication Technologies: Problems, Perpectives. 2008. Pp. 76-80.

Тыртычный А.А. Анализ характеристик микромеханического гироскопа в режиме автоколебания. Санкт-Петербург, 2010.

Тыртычный А.А. Выбор элементов конструкции микромеханических автоколебательных инерционных датчиков: [Электронный ресурс] / А. А. Тыртычный – Электрон. Журнал «Труды МАИ». Выпуск № 38 – Режим доступа: http://www.trudymai.ru/upload/iblock/a79/vybor-elementov-konstruktsii-mikromekhanicheskikh-avtokolebatelnykh-inertsialnykh-datchikov.pdf

Измерительные преобразователи: Справочное пособие: Пер. c англ. М.:Энергоавтомиздат, 1991, 144 с.

Фотоэлектрические преобразователи: [Электронный ресурс] – режим доступа: http://inep.sfedu.ru/wp-content/uploads/ehamt/learn/ip_e/lek_13.pdf.

Желтов С. Ю., Веременко К. К. Современные информационные технологии в задачах навигации и наведения беспилотных манёвренных летательных аппаратов. М.:ФИЗМАТЛИТ, 2009, 555.

Новицкий П. В. Основы информационной теории измерительных устройств. – Л: Энергия, 1968, 248с.

Код для цитирования: Скопировать