Análise do laço 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 um laço de controle do modo de acionamento e um laço de controle do modo de detecção. Somente garantindo o rastreamento em tempo real da amplitude de vibração e da frequência de ressonância do modo de acionamento é que a demodulação do canal de detecção pode obter informações precisas sobre a velocidade angular de entrada. Este artigo analisará o laço de controle do modo de acionamento do giroscópio MEMS sob diversas perspectivas.

Modelo de circuito de controle modal de acionamento

O deslocamento vibratório do modo de acionamento do giroscópio MEMS é convertido em variação de capacitância por meio da estrutura de detecção de capacitor em pente. Em seguida, a capacitância é convertida em um sinal de tensão que caracteriza o deslocamento do giroscópio por meio do circuito de diodo anelar. Após isso, o sinal entra em dois ramos distintos: um sinal passa pelo módulo de controle automático de ganho (CAG) para realizar o controle de amplitude, e o outro passa pelo módulo de circuito de travamento de fase (PLL) para realizar o controle de fase. No módulo CAG, a amplitude do sinal de deslocamento do acionamento é primeiramente demodulada por multiplicação e filtro passa-baixa. Em seguida, a amplitude é controlada no valor de referência definido por meio do circuito PI, e o sinal de controle da amplitude do acionamento é emitido. O sinal de referência usado para a demodulação por multiplicação no módulo PLL é ortogonal ao sinal de referência de demodulação usado no módulo CAG. Após o sinal passar pelo módulo PLL, a frequência de ressonância do 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 eletrostática para acionar o modo de acionamento do giroscópio, formando assim um circuito de controle fechado para o modo de acionamento do giroscópio. A Figura 1 mostra o circuito de controle do modo de acionamento 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 acionamento do giroscópio MEMS vibratório, a função de transferência no 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.

Ligação de conversão deslocamento-capacitância

De acordo com a análise da capacitância de detecção dos dentes do pente, a relação de conversão deslocamento-capacitância é linear quando o efeito de borda é ignorado, e o ganho da capacitância diferencial que varia 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 de detecção de acionamento ativos e fixos em repouso, e dx é a distância entre os dentes.

Ligação de conversão capacitância-tensão

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

Figura 2. Diagrama esquemático do circuito do diodo anelar.

Na figura, C1 e C2 são capacitores de detecção diferencial do giroscópio, C3 e C4 são capacitores de demodulação e Vca representa a amplitude da onda quadrada. O princípio de funcionamento é o seguinte: quando a onda quadrada está no semiciclo positivo, os diodos D2 e ​​D4 são acionados, carregando o capacitor C1 com C4 e o capacitor C2 com C3; quando a onda quadrada está no semiciclo positivo, os diodos D1 e D3 são acionados, descarregando o capacitor C1 para C3 e o capacitor C2 para C4. Dessa forma, após alguns ciclos da onda quadrada, a tensão nos capacitores de demodulação C3 e C4 se estabiliza. Sua expressão de tensão é:

Para o giroscópio micromecânico de silício estudado neste artigo, sua capacitância estática é da ordem de alguns pF, e a variação da capacitância é inferior a 0,5 pF, enquanto a capacitância de demodulação usada no circuito é da ordem de 100 pF, portanto, existem CC0》∆C e C2》∆C2, e o ganho de conversão da 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 do capacitor de detecção, Vca é a amplitude da portadora e VD é a queda de tensão no diodo.

Ligação de conversão capacitância-tensão

O controle de fase é uma parte importante do controle de acionamento de giroscópios MEMS. A tecnologia de PLL (Phase-Locked Loop) permite rastrear a variação de frequência do sinal de entrada em sua faixa de frequência capturada e travar a defasagem. Portanto, este artigo utiliza a tecnologia de PLL para realizar o controle de fase do giroscópio, e seu diagrama de blocos da estrutura básica é mostrado na Figura 3.

Figura 3. Diagrama de blocos da estrutura básica de um PLL.

O PLL é um sistema de regulação automática de fase com realimentação negativa. Seu princípio de funcionamento pode ser resumido da seguinte forma: o sinal de entrada externo ui(t) e o sinal de realimentação uo(t) de saída do VCO são aplicados simultaneamente ao discriminador de fase para realizar a comparação de fase entre os dois sinais. A saída do discriminador de fase gera um sinal de tensão de erro ud(t) que reflete a diferença de fase θe(t) entre os dois sinais. O sinal, após passar por um filtro de loop, filtra os componentes de alta frequência e o ruído, resultando em um oscilador controlado por tensão uc(t). O oscilador controlado por tensão ajusta a frequência do sinal de saída de acordo com essa tensão de controle, aproximando-a gradualmente da frequência do sinal de entrada, até que o sinal de saída final seja uo(t). Quando a frequência de ui(t) se iguala a uo(t) ou atinge um valor estável, o loop entra em estado de travamento.

Controle automático de ganho

O controle automático de ganho (CAG) é um sistema de realimentação negativa em malha fechada com controle de amplitude que, combinado com o circuito de travamento de fase (PLL), proporciona vibração estável em amplitude e fase para o modo de acionamento do giroscópio. Seu diagrama estrutural 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 a informação de deslocamento do giroscópio é inserido no circuito de detecção de amplitude; o sinal de amplitude do deslocamento é extraído por demodulação por multiplicação; em seguida, os componentes de alta frequência e o ruído são filtrados por um filtro passa-baixa; nesse momento, o sinal resultante é um sinal de tensão CC relativamente puro que caracteriza o deslocamento do giroscópio, e então o sinal é controlado no valor de referência fornecido através de um circuito PI, resultando no sinal elétrico ua(t) que controla a amplitude do giroscópio, completando assim o controle de amplitude.

Conclusão

Neste artigo, apresentamos o circuito de controle do modo de acionamento de um giroscópio MEMS, incluindo o modelo, a conversão capacitância-tensão, a conversão capacitância-tensão, o circuito de travamento de fase (PLL) e o controle automático de ganho. Como fabricante de sensores giroscópicos MEMS, a Micro-Magic Inc. realiza pesquisas detalhadas sobre giroscópios MEMS e frequentemente divulga e compartilha o conhecimento relevante sobre eles. Para uma compreensão mais aprofundada, consulte os parâmetros dos modelos MG-501 e MG1001.

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