KR101131098B1

KR101131098B1 - 진동 구조형 자이로스코프에서 바이어스 에러 감소 방법

Info

Publication number: KR101131098B1
Application number: KR1020067015887A
Authority: KR
Inventors: 크리스토퍼 폴 펠; 앤드류 카저
Original assignee: 애틀랜틱 이너셜 시스템스 리미티드
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2012-04-02
Also published as: EP1711778A1; JP2007520716A; JP4331211B2; WO2005075939A1; DE602005018322D1; US7240533B2; EP1711778B1; US20060260382A1; ATE452326T1; KR20060132686A

Abstract

진동 구조형 자이로스코프에서 바이어스 에러를 감소시키는 본 발명의 방법은, 진동 구조체(1), 상기 진동 구조체(1)를 캐리어 모드 공진으로 구동하는 제1 구동 수단(2), 캐리어 모드 모션을 감지하는 제1 픽-오프 수단(3), 적용된 회전 속도에 응답해서 상기 진동 구조체(1)의 응답 모드 진동을 감지하는 제2 픽-오프 수단(10), 상기 응답 모드 모션을 제어하기 위해 힘을 가하는 제2 구동 수단(16), 제1 픽-오프 수단(3)에서 모션의 고정된 진폭을 유지하고 구동 주파수를 응답 최대치에서 유지하는 폐루프인 제1 제어 루프, 및 상기 제2 픽-오프 수단(10)에서 널 상태를 유지하는 제2 제어 루프를 포함하는 진동 구조체(1)를 포함한다. 상기 방법에서, SF_QUAD = SF_IN _-PHASE x Sin(Φ_SD+Φ_PPO)의 수학식에 따라, Sin(Φ_SD+Φ_PPO)의 직접 측정을 제공하기 위해 제2 제어 루프로부터 SF_IN _-PHASE에 대한 SF_QUAD의 비율을 계산하고, 여기서 SF_QUAD는 구적 스케일팩터(quadrature scalefactor)이고, SF_IN _-PHASE는 위상내 스케일팩터(in-phase scalefactor)이고, Φ_SD는 제2 구동 수단(16)에서의 위상 에러이며 Φ_PPD는 제1 픽-오프 수단(3)에서의 위상 에러이다. 총 위상 에러 Φ_E는 Φ_E = Φ_SD+Φ_PPO 에 따라 상기 측정된 Sin(Φ_SD+Φ_PPO)로부터 직접적으로 구해지며, 상기 위상 에러 Φ_E를 감소시키고 이에 따라 구적 바이어스 에러를 감소시킴으로써 자이로스코프의 성능을 향상시키도록 제2 구동 수단(16) 및/또는 제1 픽-오프 수단(3)에 위상 보정이 적용된다.

위상 보정, 자이로스코프, 위상 에러, 스케일팩터, 구적 바이어스 에러

Description

진동 구조형 자이로스코프에서 바이어스 에러 감소 방법 {METHOD FOR REDUCING BIAS ERROR IN A VIBRATING STRUCTURE GYROSCOPE}

본 발명은 진동 구조형 자이로스코프에서 바이어스 에러를 감소시키는 방법에 관한 것이며 특히 실리콘으로 제조된 이러한 자이로스코프와 함께 사용되기에 적합한 방법에 관한 것이다.

마이크로가공의 진동 구조형 자이로스코프(VGS)는 저가로 폭넓게 이용되고 있다. 이러한 자이로스코프는 터닝 포크(turning forms), 평판 링, 빔 및 오실레이팅 디스크 구조를 포함하는 진동 구조체의 넓은 범위를 사용하여 제조되어 왔다. 이러한 모든 자이로스코프의 기본적인 동작 원리는 진동 구조체가 공진으로 구동하여 캐리어 모드 모션을 제공하는 것과 본질적으로 동일하다. 이러한 구조가 캐리어 모드 모션에 의해 제공되는 선형 모션에 직각인 축을 중심으로 회전할 때는 코리올리스 힘이 생성된다. 이러한 힘은 남아 있는 직각 축을 따라 향해지고 이에 따라 진동 구조체로 하여금 응답 모드라 칭하는 오실레이션의 제2 모드에서 진동하게 한다. 이 응답 모드의 모션이, 인가된 회전 속도에 진폭이 정비례하는 캐리어 모드 모션을 갖는 위상내(in-phase)이다.

이러한 진동 구조형 자이로스코프는 자동 브레이킹 시스템(automatic braking systems), 롤 오버 방지(roll over prevention) 및 카 내비게이션(car navigation)의 자동차분야와 같은 고용량 응용에 폭넓게 사용되기에 적합하다. 저가이면서 소형인 이러한 진동 구조형 자이로스코프는 내부 내비게이션 및 플랫폼 안정화와 같은 다른 용도에도 매력적이다. 그렇지만, 후자의 응용에 있어서의 사용은 달성될 수 있는 성능이 한정되어 있어, 특히 바이어스 안정성(인가된 회전 속도의 부재 시의 출력)과 관련하여 제한을 받고 있다. 이러한 진동 구조형 자이로스코프를 더 높은 정확도를 요하는 응용에 적합하도록 하기 위해 성능면에서 더 향상시킬 필요가 있다.

진동 구조체의 코리올리스 자이로스코프의 성능을 제약하는 주요 제한은 구적 바이어스 에러(quadrature bias error)이다. 구적 바이어스 에러는 진동 구조체의 기하학적인 면에서의 결함으로 발생한다. 이러한 결함으로 인해 인가된 회전 속도에 의해 유도된 모션에 위상내 및 구적의 응답 모드의 오실레이션을 야기하고(즉 90° 위상 관계를 가지고), 자이로스코프가 회전하지 않을 때에도 나타날 수 있다. 이러한 신호들의 크기 역시, 회전 속도 정보를 제공하는데 필요한 위상내 신호에 비해 크다. 큰 구적 신호의 존재 시, 필요한 회전 유도 신호를 복구하기 위해서는 검출 시스템의 위상 정확도에 대해 엄밀한 요건을 필요로 한다. 정확하게 위상 제어된 전자제품은 구적 신호가 안정하게 거부되도록 한다. 그렇지만, 이러한 페이징(phasing)이 설정될 수 있는 정확도에 대한 실제의 제한은 이러한 신호의 일부가 통상적으로 남아 있어서 실제의 회전으로 유도된 위상 내 신호에 악영향을 미친다는 것을 의미한다. 이러한 제한은 이러한 유형의 진동 구조형 자이로스코프에 대한 주요 에러 요인이다.

그러므로 진동 구조체의 코리올리스 자이로스코프 성능에 가해지는 구적 에러를 더 최소화하기 위한 방법이 필요하다.

본 발명의 한 관점에 따르면, 진동 구조체, 상기 진동 구조체를 캐리어 모드 공진으로 구동하는 제1 구동 수단, 캐리어 모드 모션을 감지하는 제1 픽-오프 수단, 적용된 회전 속도에 응답해서 상기 진동 구조체의 응답 모드 진동을 감지하는 제2 픽-오프 수단, 상기 응답 모드 모션을 제어하기 위해 힘을 가하는 제2 구동 수단, 상기 제1 픽-오프 수단에서 모션의 고정된 진폭을 유지하고 구동 주파수를 응답 최대치에서 유지하는 폐루프인 제1 제어 루프, 및 상기 제2 픽-오프 수단에서 널(null)을 유지하는 제2 제어 루프를 포함하는 진동 구조형 자이로스코프에서 바이어스 에러를 감소시키는 방법이 제공되며,

이하의 식에 따라, Sin(Φ_SD+Φ_PPO)의 측정치를 직접 제공하기 위해 상기 제2 제어 루프로부터 SF_IN _-PHASE/SF_QUAD가 측정되고,

SF_QUAD = SF_IN _-PHASE x Sin(Φ_SD+Φ_PPO)

여기서 SF_QUAD는 구적 스케일팩터(quadrature scalefactor)이고, SF_IN _-PHASE는 위상내 스케일팩터(in-phase scalefactor)이고, Φ_SD는 제2 구동 수단에서의 위상 에러이며 Φ_PPD는 제1 픽-오프 수단에서의 위상 에러이며, 총 위상 에러 Φ_E는 이하의 식에 따라 상기 측정된 Sin(Φ_SD+Φ_PPO)로부터 직접적으로 구해지며,

Φ_E = Φ_SD+Φ_PPO

상기 위상 에러 Φ_E를 감소시키고 이에 따라 구적 바이어스 에러를 감소시킴으로써 자이로스코프의 성능을 향상시키도록 제2 구동 수단 및/또는 제1 픽-오프 수단에 위상 보정이 적용된다.

이 방법으로, 제어 전자제품의 위상 응답은 위상내 감지 채널에 악영향을 미치는 구적 신호를 정밀하게 타개할 수 있도록 하여 상당한 성능 향상을 제공한다.

상기 방법은 특히 실질적으로 평면이고, 실질적으로 링 형상인 진동 구조체를 갖는 자이로스코프로 사용될 수 있다.

양호하게, 상기 방법이 가변치 캐패시터(variable value capacitor)를 갖는 제1 및 제2 아날로그 제어 루프를 구비하는 자이로스코프를 사용할 때, 상기 제2 구동 수단에 관련된 제2 제어 루프 내에서의 상기 가변치 캐패시터의 값 및/또는 상기 제1 픽-오프 수단에 관련된 상기 제1 제어 루프 내에서의 상기 가변치 캐패시터의 값을 가변시켜 상기 위상 보정을 적용함으로써, Φ_E의 값이 최소가 되도록 Φ_SD 및 Φ_PPO를 조정한다.

편리하게 상기 방법이 제1 및 제2 디지털 제어 루프를 구비하는 자이로스코프를 사용할 때, Φ_E와 균등한 위상 보정은, 진동 구조체 제어 시스템에서 위상 에러의 결합된 효과와 동일하되 방향이 반대인 양만큼, 위상내 구동 채널 및 구적 구동 채널을 교차결합시키는 방식으로 상기 제2 제어 루프를 통해 상기 제2 구동 수단에 적용된다.

대안으로 상기 방법이 제1 및 제2 디지털 제어 루프를 구비하는 자이로스코프를 사용할 때, Φ_E와 균등한 위상 보정은, 진동 구조체 제어 시스템에서 위상 에러의 결합된 효과와 동일하되 방향이 반대인 양만큼, 위상내 구동 채널 및 구적 구동 채널을 교차결합시키는 방식으로 제1 제어 루프에 의해 제1 픽-오프 수단에 적용된다.

편리하게, 위상내 신호 성분 및 구적 신호 성분은 SinΦ_CORR 및 CosΦ_CORR로 곱해지며, 여기서 Φ_CORR은 위상 보정이고, 위상내 채널 및 구적 채널 각각의 유효 위상은 다음의 식

Quadrature_CORR = Quadrature x CosΦ_CORR + In-phase x SinΦ_CORR

및

In-phase_CORR = In-phase x CosΦ_CORR - Quadrature x SinΦ_CORR

에 따라 조정된다.

이롭게도 Φ_CORR은 Φ_E을 최소값으로 유지하도록 자이로스코프의 동작 온도에 따라 조정된다.

본 발명을 더 잘 이해하기 위해 본 발명이 어떻게 효과적으로 수행되는지를 보이기 위해, 첨부된 도면을 예를 들어 참조하여 설명한다.

도 1a는 본 발명에 따르지 않은 Cos 2θ 캐리어 진동 모드의 개략 도시도이다.

도 1b는 본 발명에 따르지 않은 Cos 2θ 응답 진동 모드의 개략 도시도이다.

도 2는 본 발명에 따르지 않은 코리올리스 진동 구조형 자이로스코프용 종래 제어 시스템의 개략 블록도이다.

도 3은 본 발명에 따르지 않은 코리올리스 진동 구조형 자이로스코프용 디지털 제어 시스템의 개략 블록도이다.

도 4는 본 발명에 따라 소프트웨어 내에서 유효한 제2 구동 위상을 조정할 능력이 있는 코리올리스 진동 구조형 자이로스코프용 디지털 제어 시스템의 개략 블록도이다.

도 5는 본 발명에 따라 소프트웨어 내에서 유효한 제1 픽-오프 위상을 조정할 능력이 있는 코리올리스 진동 구조형 자이로스코프용 디지털 제어 시스템의 개략 블록도이다.

도 6은 도 4 및 도 5의 위상 보정 블록의 기능을 나타내는 개략 블록도이다.

도 7은 본 발명에 따르지 않은 종래의 코리올리스 진동 구조형 자이로스코프의 고감도의 축을 중심으로 적용된 범위 속도 범위에서 진동 구조형 자이로스코프의 위상내 속도 및 구적 출력을 나타내는 그래프이다.

도 8은 본 발명에 따르지 않은 종래의 코리올리스 진동 구조형 자이로스코프 에서 위상 에러 Φ_E의 범위에 대한 구적 스케일 팩터의 변화를 나타내는 그래프이다.

진동 구조형 자이로스코프에서 바이어스 에러를 감소시키기 위한 본 발명의 방법에 대해 폐루프 구성으로 동작하는 실질적으로 편평하고 실질적으로 링 형상인 진동 구조체를 사용하는 코리올리스 자이로스코프 설계를 참조하여 설명한다. 이 방법은 폐루프 구성에서 동작하는 어떠한 진동 구조체에도 적용할 수 있음은 물론이다.

독일 특허 제2322196호에는 마이크로 머신 기술을 사용하여 제조될 수 있고 고신뢰성, 고용량 응용에서 사용하기에 적합한 진동 구조형 자이로스코프에 대해 개시되어 있다. 진동 구조형 자이로스코프는 주로, 외부 프레임에 대해 8개의 호환성의 지지 레그에 탑재된 결정 실리콘 평면 링 진동 구조체로 되어 있다. 이러한 자이로스코프는 통상적으로 도 1a 및 도 1b에 개략적으로 도시된 바와 같이 Cos2θ 진동 모드들에서 구동된다. 도 1a에 도시된 바와 같은 하나의 모드는 캐리어 모드(carrier mode)로서 여기된다. 자이로스코프가 링 진동 구조체 코리올리스 힘 F_c의 평면에 수직인 축을 중심으로 회전할 때, 도 1b에 도시된 응답 모드(response mode)로 결합 에너지가 생긴다. 이러한 힘의 크기는 다음과 같이 주어진다.

F_C = 2MVΩ_APP

여기서 M은 형태 질량(modal mass)이고, v는 유효 속도이며 Ω_APP는 적용된 회전 속도이다. 캐리어 모드 진동 진폭은 통상적으로 고정 레벨로 유지된다. 이것은 또한 속도 v를 고정 레벨로 유지하고, 이에 따라 생성된 코리올리스 힘이 회전 속도 Ω_APP에 정비례하게 된다. 이러한 코리올리스 힘에 의해 유도된 모션의 진폭은 캐리어 모드와 응답 모드의 공진 주파수를 정확하게 매칭시킴으로써 강화될 수 있다. 그런 다음 상기 모션은 응답 모드의 Q에 의해 증폭되어 장치 감도가 향상된다. 개방 루프 모드에서 동작할 때 자이로스코프의 감도(스케일팩터)는 제2 모드의 Q에 의존하며, 상기 Q는 동작 온도 범위에서 상당히 가변할 수 있다. 이러한 의존성은 폐루프(힘 피드백) 모드에서 장치를 동작시키면 제거될 수 있다. 이 모드에서는, 회전 속도에 정비례하는 이것을 달성하는데 필요한 상기 적용된 힘에 따라 상기 유도된 응답 모드 모션이 능동적으로 무효화 된다.

도 2에 개략 도시된 종래기술의 제어 루프를 사용하면 폐루프 동작이 통상적으로 실행된다. 도 2에서 링 형상의 진동 구조체(1)는 제1 구동 수단(2)에 의해 캐리어 모드 응답 모션으로 여기되고, 그 모션은 제1 픽-오프 수단(3)에 의해 검출된다. 제1 픽-오프 수단(3)에서 검출된 신호는 캐리어 모드 제어 루프(5)에 인가되기 전에 복조기(4)에서 복조되고 제1 구동 수단(2)에 인가되기 전에 재변조기(6)(re-modulator)에서 재변조된다. 캐리어 모드 제어 루프(5)는 위상 고정 루프(7)를 포함하며, 이 위상 고정 루프(7)는 제1 픽-오프 신호 및 제1 구동 신호의 상대적 위상들을 비교하고 전압 제어 오실레이터(8)의 주파수를 조정하여 상기 인가된 구동 신호 및 진동 구조체 모션 사이의 90 위상 시프트로 유지한다. 이에 따라 상기 모션이 공진 최고치로 유지된다. 제1 픽-오프 신호 역시 자동 이득 제어 루프(9)에 인가되고, 이 자동 이득 제어 루프는 제1 픽-오프 신호 레벨을 고정 기준 레벨 V_θ과 비교한다. 이에 따라 제1 구동 레벨을 고정 신호 레벨을 유지하도록 조정하며 제1 픽-오프 수단(3)에서 진동 구조체(1)의 모션의 진폭을 유지한다.

진동 구조체(1)의 응답 모드 모션은 제2 픽-오프 수단(10)에서 검출된다. 제2 픽-오프 수단(10)의 출력 신호는 복조기(11)에서 복조되고, 이 신호는 위상내 성분과 구적 성분으로 분리되어, 위상내 성분은 위상내 루프(12)를 통과하고 구적 성분은 구적 루프(13)를 통과한다. 위상내 성분은 캐리어 모드 모션과 동일한 위상에 있는 성분이다. 인가된 회전 속도에 의해 유도된 코리올리스 힘은 위상내 성분과 구적 성분 둘 다를 갖는 모션을 생성할 것이다. 구적 성분은 정확하게 일치하지 않는 모드 주파수들(mode frequencies)로 인해 생기는 오류 항(error term)이다. 이러한 복조된 기저대역 DC 신호에 루프(12 및 13)에 의한 루프 필터링이 수행되어 대역폭과 같은 필요한 시스템 성능이 달성된다. 그런 다음 결과적인 신호들은 재변조기(14)에서 재변조되고 가산기(15)에서 가산되며, 제2 픽-오프 수단(10)에서 널(null) 상태를 유지하도록 제2 구동 수단(16)에 인가된다. 위상내 기저대역 신호는 제2 구동 수단(16)을 통해 진동 구조체(1)에 인가된 응답 모드 구동의 위상내 성분에 정비례하며, 필터(17)에서 스케일링되고 필터링되어 레이트 출력 신호(18)를 생성한다.

이러한 동작 모드에 있어서 스케일팩터 인가된 회전 속도에 응답하여 다음과 같이 주어진다.

여기서 V₀는 제1 모드 진폭 설정 레벨이고, ω는 제1 모드 공진 주파수이고, k는 공진기 치수를 포함하는 상수이고, G_B는 브라이언 인자(형태 결합 계수(modal coupling coefficient))이고, G_PPO는 제1 픽-오프 이득이며, g_SD는 제2 구동 이득이다.

GB 2322196에 개시된 진동 구조형 자이로스코프는 GB 2329471에 개시된 디지털 전자 제어 시스템과 결합하여 사용될 수도 있다. 이 종래의 디지털 전자 제어 시스템은 첨부된 도 3에 도시되어 있으며, 도 3에서는 도 2와 관련해서 이미 기술되어 있는 동일한 구성요소들에 동일한 도면부호를 붙이고 상세한 설명은 생략한다. 이러한 실행을 위해 제1 및 상기 제2 픽-오프 수단(3)으로부터의 신호들이 각각 아날로그/디지털 변환기들(19)에서 디지털화된다. 그런 다음 위상내 채널 및 구적 채널 둘 다에 대해 소프트웨어(20)에서 복조가 수행된다. 위상 고정 루프(7) 및 자동 이득 제어 루프(9)의 기능은 소프트웨어 기능으로서 수행된다. 디지털 제어 워드는 변조 갱신 및 구동 갱신의 타이밍을 제어하는 캐리어 모드 공진 주파수에서 아날로그 전압 제어 오실레이터(8) 회로를 구동하기 위해 생성된다. 제2 모드의 위상내 채널 및 구적 채널 각각을 위한 루프 필터(12 및 13)도 또한 스프트웨어(20)에서 실행된다. 제1 및 제2 구동 수단(2, 16)에 인가되는 구동 레벨은 소프트웨어 알고리즘으로 계산된 다음 디지털/아날로그 변환기(21)를 통해 인가된다. 제2 위상내 채널 신호는 출력 필터(17)에 의해 필터링되어 레이트 출력 신호(18)에 적절한 특성을 부여한다. 도 3에서 자동 이득 제어 설정 레벨 입력은 도면 22로 도시되어 있다.

이상적인 경우, 즉 진동 구조체(1)를 위한 완벽하게 위상제어된 전자제품 및 동일한 캐리어 및 응답 모드 주파수의 경우에는, 자이로스코프가 회전하지 않을 때 제2 픽-오프 수단(10)에서 모션이 검출되지 않는다. 실제로는, 자이로스코프 제조 공정 중에 발생하는 작은 기하학적 결함으로 인해, 모드 주파수가 약간 분할된다. 이러한 분할은 모드들의 각도 상의 위치를, 제2 구동 수단(2)과 관련해서 임의의 각도 α에 고정시켜 버린다. α가 0°와 같지 않을 때 두 모드에서 제1 구동력이 약간 여기된다. 위상 고정 루프(7)는, 제1 픽-오프 수단(3)에 의해 검출된 바와 같이, 인가된 구동과 진동 구조체 모션 사이에서 90° 위상 시프트를 달성하도록 구동 주파수를 조정한다. 그렇지만, 제1 모션과 관련해서 구적 위상에 두드러지게 존재하는 제2 축을 따라 상당한 모션이 존재한다. 폐루프 시스템에서, 이러한 모션은 제2 구동 수단(16)에 의해 인가되는 구적력 성분(quadrature force component)에 의해 무효로 된다.

이러한 신호를 널 상태로 있게 하는데 필요한 구적 구동 레벨을 구적 바이어 스(quadrature bias)라 하고 다음과 같이 정의한다

Ω_QUAD = K x ΔF x sin4α

여기서 ΔF는 모드 주파수 분할이고, α는 제1 구동 축에 관한 모드 각이며, K는 형태 결합 계수, 제2 구동 및 제1 픽-오프 이득에 대한 항들을 포함하는 상수이다.

Ω_QUAD는 자이로스코프를 측정하는데 필요로 하는 레이트 신호에 비해 클 수 있다. 이러한 유형의 자동 자이로(automotive gyro)에 대한 통상적인 레이트 측정 범위는 ±100°/sec이다. 구적 바이어스는 레이트 신호에 비해 클 수 있고(>±100°/sec), 동작 온도 범위에 걸쳐 상당히 가변할 수 있다. 위상 에러 Φ_E가 존재하는 경우에는 이 신호의 작은 비율이 레이트 채널 상에 나타날 것이다. 이것은 다음과 같이 주어지는 레이트 바이어스 에러 Ω_Err을 일으킨다.

Ω_Err= K x ΔF x sin4α x sinΦ_E

비교적 작은 위상 에러라도 큰 바이어스 에러를 생기게 할 수 있다. 0.5도의 위상 에러로 인해 100°/sec 구적 바이어스 신호를 위한 레이트 출력 상에 0.87deg/sec 바이어스가 생기게 된다. 구적 신호 또는 위상 에러 자체에서의 어떠한 온도 변화도 이러한 바이어스를 변화시키게 할 수 있고 이것은 자이로의 정확성 과 안정성을 심하게 제한한다. 실제의 시스템에서는, 이러한 위상 에러는 회로 구성요소값(예를 들어 캐패시터)의 정확성의 제한을 포함하는 일련의 요소들로 인해 발생하고, 구동 증폭기에서의 배수 및 공진기 동작 주파수에서의 변동을 일으킨다.

온도에 대해 이러한 레벨의 정확성 및 안정성을 달성하는 것은 어떠한 실제의 전자 제어 시스템에서도 상당히 중요하다. 또한, 종래의 기술이나 장비를 사용해서는 이러한 레벨의 정확성으로 위상 시프트를 측정하는 것이 극히 어렵고 시간이 많이 걸린다. 그러므로 종래의 MEMS 코리올리스 자이로스코프 시스템에서 비용의 측면에서 구적 바이어스의 거절 비율(rejection ratio)을 상당히 감소시키는 것은 불가능하다.

제2 구적 구동 채널 상의 유용한 정보를 사용하면 위상 에러 Φ_E의 크기의 정확한 측정이 가능하다. 이러한 측정은 통상적으로 자이로스코프 출력에 기록되지는 않지만, 특히 GB 2322417의 디지털 제어 루프를 사용하면 비교적 쉽게 관측 가능하다. 자이로스코프가 회전할 때는 이 신호의 어떠한 변화라도 위상 에러로 표시된다. 이러한 효과의 근원을 이하에 서술한다.

위상 에러 Φ_E는 제1 공진 모션과 관련해서 측정된다. 위상 고정 루프(7)는 제1 픽-오프 수단(2)에 의해 측정된 바와 같이, 제1 모션에 대해 고정되며, 위상내 채널 및 구적 채널 모두에 대한 복조 및 재변조 처리의 페이징/타이밍(phasing/timing)을 제어하기 위해 참조되는 논리 신호를 제공한다. 자이로스코프가 회전할 때 제1 모션에 따라 위상내(in-phase)에 있는 코리올리스 힘이 생성된 다. 양호한 시스템에서 이 힘은 제2 구동 수단(16)을 통해 인가되는 위상내 힘 성분에 의해 직접적으로 무효화된다. 그러므로 제2 구동 수단(16) 내의 위상 에러 Φ_E는 구적 채널에 나타나는 널링 힘(nulling force)을 발생하는데 필요한 신호가 약간 생기게 된다. 마찬가지로, 제1 픽-오프 수단(3)에서의 위상 에러 는Φ_E는 위상내 채널 및 구적 채널을 효과적으로 교차결합시키는 제2 루프로 전파되는 전자제품에서 기준 논리 신호의 타이밍에 에러가 생기게 한다. 제2 픽-오프 신호는 피드백 힘에 의해 널 상태로 유지되고 이에 따라 위상 응답의 정확성은 우려하지 않아도 된다. 공진 최대값에서 약간 멀어지는 제1 오실레이터 주파수에 제1 구동 위상 에러가 생기게 된다. 이에 의해 구동 이득이 약간 감소하게 되면, 페이징이 제1 공진 모션에 대해 다시 참조되므로 바어어스에 아무런 영향을 미치지 않는다. 제2 픽-오프 및 제1 구동에서의 위상 에러로 인해 바이어스 에러가 생기기 않게 되며 그러므로 우려하지 않아도 된다.

구적 신호의 레이트 의존성은 다음과 같이 주어진다.

SF_QUAD = SF_IN _-PHASE x sin(Φ_SD+Φ_PPO)

그러므로 위상내 및 구적 스케일팩터의 비율 측정에 따라 sin(Φ_SD+Φ_PPO)을 바로 측정할 수 있고 이에 총 위상 에러(Φ_E=Φ_SD+Φ_PPO)를 바로 얻을 수 있다. 이 기술을 사용하는 총 위상 에러의 측정은 어떠한 추가적인 장비나 기계적 테스트 과정 이 필요없이 완전한 자이로스코프 어셈블리 상에서 수행될 수 있다는 이점을 갖는다. 임의의 코리올리스 자이로스코프에 대한 정상적인 캘리브레이션 과정에서는 상기 어셈블리가 레이트 테이블 상의 공지의 회전 속도의 범위로 회전하여야 한다. 상기 과정은 레이트 스케일팩터 SF_RATE의 측정을 제공하고 이 파라미터로 하여금 공지의 기술을 사용하여 사전설정된 값으로 조정되도록 한다. 마찬가지로 상기 구적 채 상의 유용한 데이터를 기록하는 것은 SF_QUAD 및 이에 따라 를 Φ_E의 측정을 제공한다.

그러므로 진동 구조체(1), 상기 진동 구조체(1)를 캐리어 모드 공진으로 구동하는 제1 구동 수단(2), 캐리어 모드 모션을 감지하는 제1 픽-오프 수단(3), 적용된 회전 속도에 응답해서 상기 진동 구조체(1)의 응답 모드 진동을 감지하는 제2 픽-오프 수단(10), 제1 픽-오프 수단(3)에서 모션의 고정된 진폭을 유지하고 구동 주파수를 응답 최대치에서 유지하는 폐루프인 제1 제어 루프, 및 상기 제2 픽-오프 수단(10)에서 널 상태를 유지하는 제2 제어 루프를 포함하는 진동 구조체(1)를 갖는 진동 구조형 자이로스코프에서 바이어스 에러를 감소시키는 본 발명의 방법은, 전술한 수학식 (5)에 따라, Sin(Φ_SD+Φ_PPO)의 직접 측정을 제공하기 위해 제2 제어 루프로부터 SF_IN _-PHASE에 대한 SF_QUAD의 비율을 계산하는 단계를 포함하며, 여기서 SF_QUAD는 구적 스케일팩터(quadrature scalefactor)이고, SF_IN _-PHASE는 위상내 스케일팩터(in-phase scalefactor)이고, Φ_SD는 제2 구동 수단(16)에서의 위상 에러이며 Φ_PPD는 제1 픽-오프 수단(3)에서의 위상 에러이다. 총 위상 에러 Φ_E는 전술한 바와 같은 식에 따라 상기 측정된 Sin(Φ_SD+Φ_PPO)로부터 직접적으로 구해지며,

Φ_E = Φ_SD+Φ_PPO

상기 위상 에러 Φ_E를 감소시키고 이에 따라 구적 바이어스 에러를 감소시킴으로써 자이로스코프의 성능을 향상시키도록 제2 구동 수단(16) 및/또는 제1 픽-오프 수단(3)에 위상 보정이 적용된다.

본 발명의 방법을 가변값 캐패시터(도시되지 않음)를 갖는 아날로그 제1 및 제2 제어 루프를 갖는 자이로스코프에 사용될 때는, 제2 구동 수단(16)에 관한 제2 제어 루프 내의 가변값 캐패시터의 값들 및/또는 제1 픽-오프 수단(3)에 관한 제1 제어 루프 내의 가변값 캐패시터의 값들을 가변시킴으로써 위상 보정을 적용하여 Φ_E의 값이 최소가 되도록 Φ_SD 및/또는 Φ_PPO를 조정한다. 그러므로 요건이 Φ_E=0을 위한 것이라면, 이것은 Φ_SD 또는 Φ_PPO 중 어느 하나를 Φ_SD + Φ_PPO = 0로 되도록 조정함으로써 편리하게 달성된다.

Φ_E의 조정은 GB 2322196의 디지털 전자 제어 시스템을 사용하면 더 쉽게 달성된다. 제2 구동 수단(16)에 보정이 적용된 경우에는 도 4에 개략적으로 도시된 바와 같이 제어 루프 알고리즘의 소프트웨어 내에서 위상 보정을 유도할 수 있다. 다시 도 4에서 도 2에 이미 도시되어 있고 이미 서술한 바 있는 부분들에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙이고 추가적인 구체적인 설명은 생략한다. 그러므로 디지털 제1 및 제2 제어 루프를 갖는 자이로스코프와 함께 사용될 때 본 발명의 방법에 대한 본 명세서에서, 진동 구조체(1)에서 위상 에러의 결합된 효과와 동일하되 방향이 반대인 양만큼, 위상내 구동 채널 및 구적 구동 채널을 교차결합시키는 방식으로 Φ_E와 균등한 위상 보정이 제2 제어 루프를 통해 제2 구동 수단에 적용된다. 도 4의 배열에서 재변조기(14)와 가산기(15) 사이에 접속된 위상 보정 유닛(24)에 ΦCORR이 인가된다. 전압 제어 오실레이터(8)와 자동 이득 제어 필터(9) 사이에는 추가의 재변조기(23)를 배치한다.

대안적으로 이 보정을 도 5에 도시된 바와 같은 제1 픽-오프 수단(3)에 적용할 수 있으며, 도 5에는 이미 서술되었거나 참조된 동일한 구성요소에 동일한 도면부호를 붙이고 추가의 설명은 생략한다. 도 5의 배열에서는

진동 구조체(1)에서 위상 에러의 결합된 효과와 동일하되 방향이 반대인 양만큼, 위상내 구동 채널 및 구적 구동 채널을 교차결합시키는 방식으로 제1 제어 루프 내에 위상 보정 유닛(24)이 위치하여 제1 픽-오프 수단(3)에 적용된다. 이 목적을 위해 도 5에 도시된 바와 같이 구적 및 위상내 복조기(4)와 위상 고정 루프 필터(7) 사이에 그리고 구적 및 위상내 복조기(4)와 자동 이득 제어 루프 필터(9) 사이에 위상 보정 유닛(24)을 배치한다.

위상 보정의 기능은 도 6에 도시되어 있으며 도 6에서는 다시 이미 서술한 동일한 특징에 대해서는 동일한 도면부호를 붙이고 상세한 설명은 생략한다. 가산기(25) 및 감산기(differencer)(26)가 포함된다.

제2 구동에 적용될 때, 위상내 및 구적 성분은 서로 sinΦ_CORR 및 cosΦ_CORR에 의해 각각 곱해져서 각 채널의 유효 위상이 이하의 합산을 적용함으로써 조정된다.

QUADRATURE_CORR = QUADRATURE x cosΦ_CORR + In-Phase x sinΦ_CORR

In-Phase_CORR = In-Phase x cosΦ_CORR + QUADRATURE x sinΦ_CORR

자이로스코프 스케일팩터 정보는 적용된 회전 속도의 범위에 걸쳐, 계산되지 않은 자이로스코프 출력을 측정함으로써 종래기술에 따라 얻어진다. 위상내 레이트 채널에 대해 얻어진 통상적인 데이터 세트는 도 7에 도시되어 있다. 위상내에 대한 스케일팩터는 라인 27의 기울기로부터 얻어진다. 구적 채널에 대한 등가의 라인 28도 도 7에 도시되어 있다. 라인 28의 유한 기울기는 위상 에러를 나타낸다.

Φ_E를 갖는 SF_QUAD의 보정이 도 8에 도시되어 있다. 이 데이터는 Φ_CORR의 값의 범위에 걸쳐 SF_QUAD 측정으로부터 얻어진 것이다. 오프셋은 공지의 위상 에러에 기인한 것이다. 달성가능한 해결점이 이 그래프로부터 명확하게 알 수 있으며 위상을 <0.05°의 정확도로 설정할 수 있다는 것을 나타낸다. 이것은 이 파라미터의 캘리브레이션 정확도에서 정도 이상의 크기 향상을 나타내고 0.87°/s로부터 <0.87°/s로의 구적 바이어스 에러 Ω_Err의 기여도 감소와 동등하다.

디지털 제어 전자제품과 결합하여 본 발명의 방법을 적용할 때의 추가적인 이점은 자이로의 주변 온도에 따라 위상 보상을 조정할 수 있다는 것이다. 통상적인 응용에서는 -40℃ 내지 +85℃의 온도 범위에 걸쳐 동작하는데는 코리올리스 자이로스코프가 필요하다. 하드웨어 내의 위상 에러는 시스템 방식으로 이 범위에 걸쳐 가변하는 것으로 알려져 있다. 통상적인 자동 센서에서 측정된 변동이 도 9에 도시되어 있다. 이 센서에 있어서의 위상 에러는 본 발명의 방법을 사용하면 실내온도에서 근사적으로 제로로 보정되었다. 높은 성을 요구하는 어떠한 응용에 있어서도 센서 주변 온도의 직접 측정을 제공하는 것이 보통이다. 이것은 통상적으로 온도 센서를 자이로스코프 내에 또는 근접한 위치에서 통합시킴으로써 달성된다. 위상 에러의 온도 변동 공지되어 있는 경우 Φ_E=~0°를 유지하기 위해 간단한 알고리즘 함수를 사용하여 측정된 온도에 따라 Φ_CORR을 조정할 수 있다. 고성능 응용에 있어서는, 센서 성능을 완전한 동작 온도 범위에 걸쳐 특징짓도록 하는 것이 필요하다. 테스트 과정은 온도의 범위에서 바이어스 및 스케일팩터의 측정을 포함한다. 구적 스케일팩터 SF_QUAD는 이러한 과정의 일부로서 용이하게 기록될 수 있으므로 Φ_E의 온도 변화에 대한 필요한 데이터를 제공할 수 있다.

Claims

진동 구조체, 상기 진동 구조체를 캐리어 모드 공진으로 구동하는 제1 고정 수단, 캐리어 모드 모션을 감지하는 제1 픽-오프 수단, 적용된 회전 속도에 응답해서 상기 진동 구조체의 응답 모드 진동을 감지하는 제2 픽-오프 수단, 상기 응답 모드 모션을 제어하기 위해 힘을 가하는 제2 고정 수단, 상기 제1 픽-오프 수단에서 모션의 고정된 진폭을 유지하고 고정 주파수를 응답 최대치에서 유지하는 폐루프인 제1 제어 루프, 및 상기 제2 픽-오프 수단에서 널(null)을 유지하는 제2 제어 루프를 포함하는 진동 구조형 자이로스코프에서 바이어스 에러를 감소시키는 방법에 있어서,

이하의 식에 따라, Sin(Φ_SD+Φ_PPO)의 측정치를 직접 제공하기 위해 상기 제2 제어 루프로부터 SF_IN-PHASE/SF_QUAD가 측정되고,

SF_QUAD = SF_IN-PHASE x Sin(Φ_SD+Φ_PPO)

여기서 SF_QUAD는 구적 스케일팩터(quadrature scalefactor)이고, SF_IN-PHASE는 위상내 스케일팩터(in-phase scalefactor)이고, Φ_SD는 제2 고정 수단에서의 위상 에러이며 Φ_PPD는 제1 픽-오프 수단에서의 위상 에러이며, 총 위상 에러 Φ_E는 이하 의 식에 따라 상기 측정된 Sin(Φ_SD+Φ_PPO)로부터 직접적으로 구해지며,

Φ_E = Φ_SD+Φ_PPO

상기 위상 에러 Φ_E를 감소시키고 이에 따라 구적 바이어스 에러를 감소시킴으로써 자이로스코프의 성능을 향상시키도록 제2 고정 수단 및/또는 제1 픽-오프 수단에 위상 보정을 적용하는, 바이어스 에러 감소 방법.
제1항에 있어서,

상기 진동 구조형 자이로스코프가 실리콘 진동 구조체를 갖는 자이로스코프인, 바이어스 에러 감소 방법.
제2항에 있어서,

상기 진동 구조형 자이로스코프가, 실질적으로 평면이고 실질적으로 링 형상인 진동 구조체를 갖는 자이로스코프인, 바이어스 에러 감소 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 진동 구조형 자이로스코프가 가변치 캐패시터(variable value copacitor)를 갖는 제1 및 제2 아날로그 제어 루프를 구비하는 자이로스코프이고, 이때, 상기 제2 고정 수단에 관련된 제2 제어 루프 내에서의 상기 가변치 캐패시터의 값 및/또는 상기 제1 픽-오프 수단에 관련된 상기 제1 제어 루프 내에서의 상기 가변치 캐패시터의 값을 가변시켜 상기 위상 보정을 적용함으로써, Φ_E의 값이 최소가 되도록 Φ_SD 및 Φ_PPO를 조정하는, 바이어스 에러 감소 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 진동 구조형 자이로스코프가 제1 및 제2 디지털 제어 루프를 구비하는 자이로스코프이고,

Φ_E와 균등한 위상 보정은, 진동 구조체 제어 시스템에서 위상 에러의 결합된 효과와 동일하되 방향이 반대인 양만큼, 위상내 고정 채널 및 구적 고정 채널을 교차결합시키는 방식으로 상기 제2 제어 루프를 통해 제2 고정 수단에 적용되는, 바이어스 에러 감소 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 진동 구조형 자이로스코프가 제1 및 제2 디지털 제어 루프를 구비하는 자이로스코프이고, Φ_E와 균등한 위상 보정은, 진동 구조체 제어 시스템에서 위상 에러의 결합된 효과와 동일하되 방향이 반대인 양만큼, 위상내 고정 채널 및 구적 고정 채널을 교차결합시키는 방식으로 제1 제어 루프에 의해 제1 픽-오프 수단에 적용되는, 바이어스 에러 감소 방법.
제4항에 있어서,

위상내 신호 성분 및 구적 신호 성분은 각각 _SinΦCORR 및 _CosΦCORR로 곱해지며, 여기서 Φ_CORR은 위상 보정이고, 위상내 채널 및 구적 채널 각각의 유효 위상은 다음의 식

Quadrature_CORR = Quadrature x CosΦ_CORR + In-phase x SinΦ_CORR

및

In-phase_CORR = In-phase x CosΦ_CORR - Quadrature x SinΦ_CORR

에 따라 조정되는, 바이어스 에러 감소 방법.
제6항에 있어서,

Φ_CORR은 Φ_E을 최소값으로 유지하도록 자이로스코프의 동작 온도에 따라 조정되는, 에러 감소 방법.
진도 구조형 자이로스코프에 있어서,

진동 구조체,

상기 진동 구조체를 캐리어 모드 공진으로 구동하는 제1 고정 수단,

캐리어 모드 모션을 감지하는 제1 픽-오프 수단, 적용된 회전 속도에 응답해서 상기 진동 구조체의 응답 모드 진동을 감지하는 제2 픽-오프 수단,

상기 응답 모드 모션을 제어하기 위해 힘을 가하는 제2 고정 수단, 및

상기 제1 픽-오프 수단에서 모션의 고정된 진폭을 유지하고 고정 주파수를 응답 최대치에서 유지하는 폐루프인 제1 제어 루프, 및 상기 제2 픽-오프 수단에서 널(null)을 유지하는 제2 제어 루프

를 포함하고,

이하의 식에 따라, Sin(Φ_SD+Φ_PPO)의 측정치를 직접 제공하기 위해 상기 제2 제어 루프로부터 SF_IN _-PHASE/SF_QUAD가 측정되고,

SF_QUAD = SF_IN _-PHASE x Sin(Φ_SD+Φ_PPO)

여기서 SF_QUAD는 구적 스케일팩터(quadrature scalefactor)이고, SF_IN _-PHASE는 위상내 스케일팩터(in-phase scalefactor)이고, Φ_SD는 제2 고정 수단에서의 위상 에러이며 Φ_PPD는 제1 픽-오프 수단에서의 위상 에러이며, 총 위상 에러 Φ_E는 이하의 식에 따라 상기 측정된 Sin(Φ_SD+Φ_PPO)로부터 직접적으로 구해지며,

Φ_E = Φ_SD+Φ_PPO

상기 위상 에러 Φ_E를 감소시키고 이에 따라 구적 바이어스 에러를 감소시킴으로써 자이로스코프의 성능을 향상시키도록 제2 고정 수단 및/또는 제1 픽-오프 수단에 위상 보정을 적용하는, 진동 구조형 자이로스코프.