Análise do circuito de controle do modo de acionamento do giroscópio MEMS

Pontos-chave

O giroscópio MEMS depende da velocidade angular sensível à força de Coriolis e seu sistema de controle é dividido em malha de controle do modo de acionamento e malha de controle do modo de detecção. Somente garantindo o rastreamento em tempo real da amplitude de vibração do modo de acionamento e da frequência de ressonância a demodulação do canal de detecção pode obter informações precisas de velocidade angular de entrada. Este artigo analisará o circuito de controle do modo de condução do giroscópio MEMS sob vários aspectos.

Modelo de loop de controle modal de acionamento

O deslocamento de vibração do modo de acionamento do giroscópio MEMS é convertido em mudança de capacitância através da estrutura de detecção do capacitor pente e, em seguida, a capacitância é convertida no sinal de tensão que caracteriza o deslocamento do acionamento do giroscópio através do circuito de diodo em anel. Depois disso, o sinal entrará em duas ramificações respectivamente, um sinal através do módulo de controle automático de ganho (AGC) para obter o controle de amplitude, um sinal através do módulo de loop bloqueado de fase (PLL) para obter o controle de fase. No módulo AGC, a amplitude do sinal de deslocamento do inversor é primeiro demodulada por multiplicação e filtro passa-baixa e, em seguida, a amplitude é controlada no valor de referência definido através do link PI e o sinal de controle da amplitude do inversor é emitido. O sinal de referência utilizado para demodulação de multiplicação no módulo PLL é ortogonal ao sinal de referência de demodulação utilizado no módulo AGC. Depois que o sinal passa pelo módulo PLL, a frequência ressonante de acionamento do giroscópio pode ser rastreada. A saída do módulo é o sinal de controle da fase de acionamento. Os dois sinais de controle são multiplicados para gerar a tensão de acionamento do giroscópio, que é aplicada ao pente de acionamento e convertida em força motriz eletrostática para acionar o modo de acionamento do giroscópio, de modo a formar um circuito de controle de malha fechada do modo de acionamento do giroscópio. A Figura 1 mostra o circuito de controle do modo drive de um giroscópio MEMS.

Figura 1. Diagrama de blocos da estrutura de controle do modo de acionamento do giroscópio MEMS

Função de transferência modal de acionamento

De acordo com a equação dinâmica do modo de condução do giroscópio MEMS vibratório, a função de transferência de domínio contínuo pode ser obtida pela transformada de Laplace:

Onde mx é a massa equivalente do modo de acionamento do giroscópio, ωx=√kx/mx é a frequência de ressonância do modo de acionamento e Qx = mxωx/cx é o fator de qualidade do modo de acionamento.

Link de conversão de deslocamento-capacitância

De acordo com a análise da capacitância de detecção dos dentes do pente, a ligação de conversão deslocamento-capacitância é linear quando o efeito de borda é ignorado, e o ganho da capacitância diferencial mudando com o deslocamento pode ser expresso como:

Onde, nx é o número de pentes ativos acionados pelo modo giroscópico, ε0 é a constante dielétrica do vácuo, hx é a espessura dos pentes de detecção de acionamento, lx é o comprimento de sobreposição dos pentes ativos e fixos de detecção de acionamento em repouso, e dx é a distância entre os dentes.

Link de conversão capacitância-tensão

O circuito de conversão de tensão do capacitor usado neste artigo é um circuito de diodo em anel e seu diagrama esquemático é mostrado na Figura 2.

Figura 2 Diagrama esquemático do circuito de diodo em anel

Na figura, C1 e C2 são capacitores de detecção diferencial de giroscópio, C3 e C4 são capacitores de demodulação e Vca são amplitudes de onda quadrada. O princípio de funcionamento é: quando a onda quadrada está no meio ciclo positivo, os diodos D2 e D4 são ligados, então o capacitor C1 carrega C4 e C2 carrega C3; Quando a onda quadrada está em meio período positivo, os diodos D1 e D3 são ligados, então o capacitor C1 descarrega para C3 e C2 descarrega para C4. Desta forma, após vários ciclos de onda quadrada, a tensão nos capacitores demodulados C3 e C4 se estabilizará. Sua expressão de tensão é:

Para o giroscópio micromecânico de silício estudado neste artigo, sua capacitância estática é da ordem de vários pF, e a variação da capacitância é inferior a 0,5pF, enquanto a capacitância de demodulação usada no circuito é da ordem de 100 pF, portanto há CC0》∆C e C2》∆C2, e o ganho de conversão de tensão do capacitor é obtido pela fórmula simplificada:

Onde Kpa é o fator de amplificação do amplificador diferencial, C0 é a capacitância de demodulação, C é a capacitância estática da capacitância de detecção, Vca é a amplitude da portadora e VD é a queda de tensão do diodo.

Link de conversão capacitância-tensão

O controle de fase é uma parte importante do controle do giroscópio MEMS. A tecnologia de loop de bloqueio de fase pode rastrear a mudança de frequência do sinal de entrada em sua banda de frequência capturada e bloquear a mudança de fase. Portanto, este artigo usa a tecnologia de loop de bloqueio de fase para inserir o controle de fase do giroscópio, e seu diagrama de blocos de estrutura básica é mostrado na Figura 3.

Figura. 3 Diagrama de blocos da estrutura básica do PLL

PLL é um sistema de regulação automática de fase de feedback negativo, seu princípio de funcionamento pode ser resumido da seguinte forma: O sinal de entrada externo ui(t) e o sinal de feedback uo(t) de saída do VCO são inseridos no discriminador de fase ao mesmo tempo para completar a comparação de fase dos dois sinais, e a extremidade de saída do discriminador de fase emite um sinal de tensão de erro ud(t) refletindo a diferença de fase θe(t) dos dois sinais; O sinal através do filtro de loop filtrará os componentes de alta frequência e o ruído, obterá um oscilador de controle de tensão uc (t), o oscilador de controle de tensão ajustará a frequência do sinal de saída de acordo com esta tensão de controle, de modo que gradualmente se aproxime à frequência do sinal de entrada e ao sinal de saída final uo(t). Quando a frequência de ui(t) é igual a uo(t) ou um valor estável, o loop atinge um estado bloqueado.

Controle automático de ganho

O controle automático de ganho (AGC) é um sistema de feedback negativo de circuito fechado com controle de amplitude, que, combinado com circuito de bloqueio de fase, fornece amplitude e vibração estável de fase para o modo de acionamento do giroscópio. Seu diagrama de estrutura é mostrado na Figura 4.

Figura 4. Diagrama de blocos da estrutura de controle automático de ganho

O princípio de funcionamento do controle automático de ganho pode ser resumido da seguinte forma: o sinal ui(t) com as informações de deslocamento da unidade do giroscópio é inserido no link de detecção de amplitude, o sinal de amplitude de deslocamento da unidade é extraído por demodulação de multiplicação e, em seguida, a alta frequência componente e ruído são filtrados por filtro passa-baixa; Neste momento, o sinal é um sinal de tensão CC relativamente puro que caracteriza o deslocamento do acionamento e, em seguida, controla o sinal no valor de referência determinado através de um link PI e emite o sinal elétrico ua(t) que controla a amplitude do acionamento para completar o controle de amplitude.

Conclusão

Neste artigo, o circuito de controle do modo de condução do giroscópio MEMS é introduzido, incluindo modelo, conversão de capacitância de desbloqueio, conversão de capacitância-tensão, circuito de bloqueio de fase e controle automático de ganho. Como fabricante de sensores giroscópios MEMS, a Micro-Magic Inc fez pesquisas detalhadas sobre giroscópios MEMS e frequentemente popularizou e compartilhou o conhecimento relevante do giroscópio MEMS. Para uma compreensão mais profunda do giroscópio MEMS, você pode consultar os parâmetros do MG-501 e MG1001.

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