Produto: Sistema de Navegação Inercial Puro (INS) baseado em IMU
Principais características:
Os conjuntos direcionais Fluxgate são compostos por sensores acelerômetros e sensores Fluxgate, utilizados principalmente em perfuração direcional, na indústria petrolífera e em outros campos para medir a inclinação do poço, o ângulo de azimute e o ângulo da face da ferramenta. A perfuração direcional na indústria petrolífera teve início no final do século XIX, quando a tecnologia de perfuração rotativa foi introduzida para substituir a antiga perfuração com brocas de torção, sem considerar o problema da estabilização da coluna de perfuração para controlar a trajetória do poço. No entanto, as medições em poços mostraram que os primeiros poços "verticais" estavam longe de serem realmente verticais. Tanto na perfuração vertical quanto na direcional, é necessário determinar a localização do poço abaixo da superfície. Isso requer o uso de instrumentos de medição que possam medir a inclinação e o azimute ao longo do poço em diferentes profundidades. A posição do poço em relação à superfície pode ser calculada a partir dos resultados das medições acumuladas.
Neste artigo, serão apresentadas a estrutura e o princípio de funcionamento do conjunto direcional do fluxgate, bem como os principais parâmetros de medição: ângulo de inclinação do furo, ângulo da face da ferramenta e ângulo de azimute.
O sensor de aceleração adota um sensor de aceleração gravitacional de suspensão magnética-líquida, que possui características de alta resistência a impactos e tamanho reduzido, com precisão de aproximadamente ± 0,1%. A estrutura é mostrada na Figura 1.
Figura 1. Diagrama de blocos da estrutura de controle do modo de acionamento do giroscópio MEMS
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Se você tiver interesse em obter mais informações e conhecer os produtos de MEMS, entre em contato conosco.
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