KR20020097211A - 진동 구조 자이로스코프용 제어 시스템 - Google Patents

진동 구조 자이로스코프용 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

진동 구조물(3), 1차 구동 수단(4)과 2차 구동 수단(7), 및 1차 픽-오프 수단(2)과 2차 픽-오프 수단(6)을 갖는 진동 구조물 자이로스코프에 제어 시스템이 제공되어 있다. 상기 제어 시스템은 상기 1차 구동 수단(4)에 인가된 구동 신호를 제어가능하게 변경시키는 1차 폐쇄 제어 루프(1), 상기 2차 픽-오프 수단(6)의 제로값을 유지하기 위하여 상기 2차 구동 수단(7)에 인가된 구동 신호를 제어가능하게 변경시키는 2차 폐쇄 제어 루프(5), 및 상기 1차 및 2차 폐쇄 제어 루프(1, 5)의 스케일팩터를 능동적으로 조정하는 수단(30)을 포함한다. 상기 수단(30)은 상기 루프(5)로부터의 변화율 응답 신호를 상기 1차 모드 진동의 진폭을 나타내는 신호로 분할하는 수단(34)을 포함한다. 상기 수단(34)으로부터의 출력은 여과되어 인가된 변화율 출력을 제공한다. 가변 스케일팩터 루프(3)는 루프(1)의 기준 전압 설정 레벨을 능동적으로 조정하는 상기 수단(34)으로부터의 출력을 사용하여 상기 시스템의 스케일팩터를 조정한다.

Description

진동 구조 자이로스코프용 제어 시스템 {CONTROL SYSTEM FOR A VIBRATING STRUCTURE GYROSCOPE}
진동 구조물 자이로스코프는 각종의 상이한 기계적 진동 구조물을 사용하는 것으로 알려져 있다. 이들 기계적 진동 구조물은 세라믹, 금속 또는 실리콘으로 제조된 빈(bean), 튜닝 포크(tuning fork), 실린더(cylinder), 반구형 셸(hemispherical shell) 및 링(ring)을 포함한다. 상기 공지된 시스템의 공통적인 특징은 공진 캐리어 모드 진동을 기계적 진동 구조물에 의하여 결정된 고유 진동수로 유지하는 것이 필요하다는 점이다. 이로써 자이로스코프가 적절한 축을 중심으로 회전할 때 코리올리의 힘(Coriolis force)을 발생시키는 직선 운동(linear momentum)을 제공한다.
미세-가공 기술이 발전함에 따라 진동 구조물 자이로스코프를 실리콘을 사용하여 저비용으로 대량 생산할 수 있게 되었다. 상기 자이로스코프는 차량 동적 제어 시스템과 같은 자동차 용도 및 차량 주행용으로 개발되었다. 이들 미세-가공된 자이로스코프의 성능 특징은 일반적으로 매초당 ±100°인 최대 규정 변화율 범위를 갖는 자동차 요구 조건에 부합되도록 맞추어져 있다.
상기와 같은 미세-가공된 진동 구조물 자이로스코프는 본래 거칠고, 비용이 적게 들어서 항공기 또는 유도탄 등과 같은 다른 요구되는 인가에 사용하기에 매력을 느낄 수 있다. 이들 유도탄 응용에서는 자이로스코프가 상당히 광범위한 회전 율에 걸쳐 동작하도록 요구되는 것이 일반적이다. 자동차 용도로 개발된 자이로스코프의 변화율 범위 성능은 연장시킬 수 있지만, 일반적으로 이것은 소음 및 바이어스와 같은 다른 주요 성능 매개변수의 열화를 가져올 수 있다.
금속 또는 실리콘으로 제조된 평면 링 진동 구조물을 갖거나 또는 원통형 진동 구조물을 갖는 종래의 진동 구조물 자이로스코프는 전체적인 성능 면에서 양호하다. 평면 링 진동 구조물 자이로스코프는 첨부 도면 중 도 1a 및 도 1b에 개략적으로 도시된 바와 같이 Cos2θ 진동 모드로 구동되는 경우가 일반적이다. 도 1a에 도시된 바와 같이, 축 P를 따라 정렬된 반경방향 배(anti-node)를 갖는 하나의 모드는 1차 모드로서 여기된다. 자이로스코프가 링의 평면과 수직인 축을 중심으로 회전할 때, 에너지를 반경방향 배가, 도 1b에 도시된 바와 같이, 축 S를 따라 정렬되어 있는 2차 모드로 결합시키는 코리올리의 힘 FC이 발달된다. 이 힘의 크기를 아래 식으로 나타낸다:
FC= 2mvΩapp..........................(1)
여기서 m은 모드 질량, v는 유효 속도 및 Ωapp은 인가된 회전율이다. 1차 모드 진동 진폭은 일정한 레벨로 유지되는 것이 일반적이다. 이것은 속도 v를 일정한 레벨로 또한 유지시키게 되므로 상기 발달된 코리올리의 힘이 회전율 Ωapp에 정비례한다. 상기 코리올리의 힘에 의하여 유도된 2차 모드 운동의 진폭은 1차 모드 및 2차 모드의 공진 진동수를 정확하게 일치시킴으로써 향상될 수 있다. 이 운동은 2차 모드의 Q(저장된 에너지와 에너지 방산율 간의 계측치)로 증폭되어 진동 구조물 자이로스코프의 감도를 향상시킨다. 상기 개방 루프 모드로 동작될 때 자이로스코프의 감도(스케일팩터)는 동작 온도 범위에 걸쳐 상당히 변할 수 있는 2차 모드의 Q에 좌우된다. 이것은 자이로스코프를 힘 피드백(폐쇄 루프) 모드로 동작시킴으로써 Q에 좌우되지 않을 수 있다. 상기 모드에서, 유도된 2차 모드 운동은 회전율에 정비례하는 인가된 힘으로 제로로 된다.
진동 구조물 자이로스코프용의 일반적인 폐쇄 루프 제어 시스템이 첨부 도면중 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 상기 종래의 제어 시스템은 두 개의 독립적인 루프, 즉 진동 평면 링 구조물(3)로부터 출력된 운동 검출 장치(motion detector)로서 작용하는 1차 픽-오프 수단(2)과 구조물(3) 내에 강제 입력 형성 진동으로서 작용하는 1차 구동 수단(4) 사이의 1차 루프(1)로 구성되는 것이 기본이다. 2차 루프(5)는 2차 픽-오프 수단(6)과 2차 구동 수단(7) 사이에 제공되어 있다.
1차 픽-오프 수단(2)으로부터 출력된 신호(8)는 증폭기(9)에 의하여 증폭되고 복조기(10, 11)에 의하여 복조된다. 복조기(10)로부터 복조된 신호는 1차 픽-오프 수단(2) 및 1차 구동 수단 신호(4)의 상대적인 상을 비교하고 전압 제어 진동기(13)의 진동수를 인가된 구동 수단(4)과 구조물(3)의 공진기 운동 사이에 90°위상 이동을 유지하도록 조정하는 위상 로크 루프(12)를 먼저 통과한다. 이로써 구조물(3)의 운동이 공진 최대치를 유지한다. 복조기(11)로부터 복조된 출력은 자동 게인 제어 루프(14)에 공급되고, 여기에서 자동 게인 제어 루프(14) 내의 1차 픽-오프 수단(2)으로부터의 출력 신호 레벨을 일정한 기준 레벨(V0)과 비교한다. 상기 신호(V0)는 도면 부호(15)에서 전압 가산기(16)에 인가되고 이 가산기로부터의 출력 전압이 자동 게인 제어 루프(14)에 공급된다. 자동 게인 제어 루프(14)로부터의 출력 전압은 재변조기(17)에서 전압 제어식 진동기(13)에 의하여 공급된 진동수로 재변조된 다음 증폭기(18)를 거쳐 1차 구동 수단(4)에 공급된다. 1차 구동 전압 레벨, 즉 운동의 진폭은 1차 픽-오프 수단(2)에서 일정한 신호 레벨을 유지하도록 조정된다.
2차 루프(5)는 2차 픽-오프 수단(6)으로부터 수신된 신호가 증폭기(19)에 의하여 증폭되고 복조기(20, 21)에 의하여 복조되어 변화율 유도 운동의 실(real) 성분 및 쿼드러처(quadrature) 성분으로 분리시킨다. 실 성분은 1차 모드 운동과 위상이 일치되는 성분이다. 쿼드러처 성분은 정밀하게 일치되지 않는 모드 진동수 때문에 발생하는 오차이다. 복조기(20)로부터 수신된 복조 베이스밴드 신호는 쿼드러처 루프 필터(22)에 의하여 여과되고, 복조기(21)로부터 수신된 복조 베이스밴드 신호는 실 루프 여과기(23)에 의하여 여과되어 대역폭 및 소음에 있어서 원하는 시스템 성능이 달성된다. 루프 필터(22)로부터 수신된 신호는 재변조기(24)에서재변조되어 전압 가산기(25)를 통과하고, 이 전압 가산기에서 재변조기(26)에 의하여 재변조된 후 루프 필터(23)로부터 수신된 신호와 합산된다. 전압 가산기(25)로부터의 합산된 출력 신호는 증폭기(27)를 거쳐 2차 구동 수단(7)에 인가되어 2차 픽-오프 유닛(6)에서 제로를 유지한다. 실 루프 여과기(23)로부터의 출력 신호인 실 베이스밴드 신호 SD(real)는 재변조기(26)에서 재변조되기 전에 떼내어지고, 스케일링되며 출력 여과기(28)에서 여과되어 시스템으로부터의 변화율 출력 신호(29)를 생성한다. 실 베이스밴드 신호 SD(real)는 진동 구조물(3)에 인가된 실 2차 구동 수단에 정비례한다.
상기 동작 모드에서 변화율 출력 Ωout는 아래 식으로 나타낸다:
......................(2)
여기서 V0는 일정한 1차 모드 증폭 기준 전압 설정 레벨이고, w는 1차 모드 공진 진동수이며, k는 모드 질량 및 모드 결합 계수를 포함하는 정수이고,는 1차 모드 픽-오프 게인이며는 2차 모드 드라이버 게인이다.
종래의 폐쇄 루프 모드로 동작하는 자이로스코프에 있어서, 변경될 수 있는 최소 검출가능 회전율은 2차 모드 픽-오프 수단(6)의 감도에 의하여 결정된다. 이것은 2차 픽-오프 증폭기(19)의 전자 소음에 의하여 결정된다. 일정한 픽-오프 게인에 있어서, 진동 구조물 자이로스코프의 분해능을 향상시킬 수 있는 유일한 방법은 소정의 인가 변화율에 의하여 발생된 2차 모드 운동을 증가, 즉 인-루프 스케일팩터를 증가시키는 것이다. 이것은 보다 큰 운동 진폭을 제공하기 위하여, 즉 1차모드 진폭 설정 레벨(V0)을 증가시키도록 1차 모드의 구동 레벨을 증가시킴으로써 달성된다. 실제로 임의의 소정 진동 구조물 자이로스코프 설계를 최대로 배치하는데는 이용가능한 구동력, 진동 구조물의 파괴 한계 및 픽-오프와 종래의 유도성, 용량성 또는 압전성 트랜스듀서인 구동 수단의 비선형성을 포함하는 여러 가지 요소에 의하여 설정될 수 있는 제한이 있다.
진동 구조물 자이로스코프가 계측할 수 있는 최대 인가 변화율은 2차 구동 수단(7)이 2차 모드 운동에서 제로를 유지할 수 있는 능력에 의하여 제한된다. 2차 구동 수단(7)은 유도된 코리올리의 힘이 제로가 되도록 힘을 인가한다. 소정 레벨 이상의 회전율에 있어서, 코리올리의 힘의 크기는 2차 구동 수단이 운동을 제로로 하는 충분한 힘을 인가할 수 없는 크기이므로 변화율 출력이 포화된다. 일반적인 종래의 진동 구조물 자이로스코프에 있어서, 상기 포화 레벨은 매초당 수백도 이하의 인가된 회전율에 해당한다. 소정의 2차 구동 수단 게인에 있어서 계측가능한 최대 인가 변화율을 증가시킬 수 있다. 이것은 소정의 회전율에 대하여 유도된 코리올리의 힘의 크기를 감소시키는 1차 모드 진폭을 감소시킴으로써 달성된다. 그러나 이 해결 방법은 진동 구조 자이로스코프의 소음 성능에 대한 신호를 열화시키므로 분해능이 떨어진다는 것이 바람직하지 않다.
본 발명은 진동 구조물 자이로스코프, 특히 한정적인 것은 아니지만 실리콘 미세-가공된 진동 구조물 자이로스코프용으로 적합한 제어 시스템에 관한 것이다.
도 1a는 종래 기술에 따른, 1차 모드로 여기되는 Cos2θ 진동 모드의 진동 구조물 자이로스코프의 개략도이다.
도 1b는 종래 기술에 따른, 진동 구조물 자이로스코프가 진동 구조물의 평면과 수직인 축을 중심으로 회전할 때 에너지를 2차 모드로 결합시키는 코리올리의 힘이 발달하도록 여기되는 Sin2θ 진동 모드의 개략도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 진동 구조물 자이로스코프용의 제어 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제어 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제어 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 제어 시스템에 사용되는 가변 스케일팩터 루프(variable scalefactor loop)의 기능을 개략적으로 도시한 블록도이다.
따라서, 고분해능은 유지하면서 보다 큰 회전율을 계측할 수 있는, 진동 구조물 자이로스코프용의 개선된 제어 시스템을 필요로 하고 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 진동 구조물, 1차 구동 수단과 상기 진동 구조물을 1차 모드 진동 공진에 위치 및 유지시키는 2차 구동 수단, 및 1차 픽-오프 수단과 상기 진동 구조물의 진동을 검출하는 2차 픽-오프 수단을 갖는 진동 구조물 자이로스코프용 제어 시스템이 제공되고, 상기 시스템은 상기 1차 구동 수단에 인가된 구동 신호를 제어가능하게 변경시키는 1차 폐쇄 제어 루프, 상기 2차 구동 수단에서 제로값을 유지하기 위하여 상기 2차 구동 수단에 인가된 상기 구동 신호를 제어가능하게 변경시키는 2차 폐쇄 제어 루프, 및 상기 1차 및 2차 폐쇄 제어 루프의 스케일팩터(scalefactor)를 능동적으로 조정하는 수단을 포함하고, 상기 스케일팩터 능동 조정 수단이 상기 2차 제어 루프로부터의 변화율 응답 신호를 상기 1차 모드 진동의 진폭을 나타내는 신호로 분할하는 수단, 인가된 변화율을 나타내는 출력을 제공하도록 상기 분할 수단으로부터의 출력 신호를 여과하는 수단, 및 상기 분할 수단으로부터의 출력 신호를 수신하고, 상기 출력 신호를 능동적으로 사용하여 상기 1차 폐쇄 제어 루프의 기준 전압 설정 레벨을 조정하고, 이로써 상기 제어 시스템의 인-루프 스케일팩터를 동적으로 조정하는 가변 스케일팩터 루프를 포함한다.
바람직하기로는, 상기 스케일팩터 능동 조정 수단은 인가된 회전율에 대한 1차 모드 진동 진폭을 선택된 절대 임계 변화율 값 이상으로 감소시키는 수단을 포함한다.
간편하기로는, 상기 선택된 절대 임계 변화율 값은 상기 2차 폐쇄 제어 루프의 변화율 출력 한계치 이하의 값으로 설정된다.
바람직하기로는, 상기 1차 폐쇄 제어 루프는 상기 1차 픽-오프 수단으로부터 수신된 신호를 복조하는 수단, 상기 1차 픽-오프 및 1차 구동 신호의 상대적인 위상을 비교하는 위상 로크 루프, 자신의 진동수가 상기 위상 로크 루프에 의하여 조정되어 상기 1차 구동 수단에 인가된 신호와 상기 진동 구조물의 운동 사이에 90°위상 전이를 유지하는 전압 제어식 진동기, 상기 1차 픽-오프 수단으로부터 수신된 복조 신호를 일정한 기준 전압 레벨과 비교하는 자동 게인 제어 루프, 및 상기 자동 게인 제어 루프로부터 상기 전압 제어식 진동기에 의하여 공급된 진동수로 수신된 출력 신호를 재변조하여 상기 1차 구동 수단에 인가된 상기 제어가능하게 변경된 구동 신호를 제공하는 변조기를 포함한다.
바람직하기로는, 상기 2차 폐쇄 제어 루프는 상기 2차 픽-오프 수단으로부터 수신된 신호를 상기 진동 구조물의 변화율 유도 운동의 실 성분 및 쿼드러처 성분으로 복조 및 분할하는 수단, 상기 실 성분 및 쿼드러처 성분을 각기 따로 여과하는 루프 여과 수단, 및 상기 여과된 신호 성분을 상기 2차 구동 수단에 인가하기 위하여 재변조 및 가산하는 수단을 포함한다.
간편하기로는, 상기 가변 스케일팩터 루프는 상기 2차 폐쇄 제어 루프의 상기 실 성분 루프 여과 수단으로부터 복조된 출력과 상기 1차 픽-오프 수단으로부터복조된 신호 사이에 접속된다.
바람직하기로는, 상기 가변 스케일팩터 루프는 상기 가변 스케일팩터 루프에 인가된 입력 신호의 계수를 1 이하의 값으로 제한된 출력을 갖는 일정한 전압 기준 레벨로 분할하는 수단, 및 상기 출력을 여과하며 상기 일정한 기준 전압 레벨의 제로 변화율 전압값을 측정하는 출력을 상기 1차 폐쇄 제어 루프의 상기 자동 게인 제어 루프에 사용하는 수단을 포함한다.
바람직하기로는, 상기 제어 시스템은 상기 2차 폐쇄 제어 루프와 상기 가변 스케일팩터 루프 사이에 위치되며, 상기 2차 폐쇄 제어 루프의 상기 실 성분 루프 여과 수단으로부터 복조된 출력을 상기 1차 폐쇄 제어 루프로부터의 복조된 신호로 분할하여 상기 가변 스케일팩터 루프의 입력을 형성하며, 상기 인가된 변화율에 비례하는 출력 신호를 제공하는 수단을 포함한다.
바람직하기로는, 상기 제어 시스템은 상기 2차 폐쇄 제어 루프와 상기 가변 스케일팩터 루프 사이에 위치되며, 상기 2차 폐쇄 제어 루프의 상기 실 성분 루프 여과 수단으로부터의 복조된 출력을 상기 가변 스케일팩터 루프로부터의 출력을 형성하는 상기 기준 전압 레벨로 분할하여 상기 가변 스케일팩터 루프의 입력을 형성하며, 상기 인가된 변화율에 비례하는 출력 신호를 제공하는 수단을 포함한다.
간편하기로는, 상기 제어 시스템은 상기 가변 스케일팩터 루프로의 입력을 형성하는 상기 출력 신호의 일부를 떼어 내고, 상기 자이로스코프에 인가된 변화율을 나타내는 출력 신호를 제공하도록 상기 떼어낸 신호 일부를 스케일링 및 여과시키는 수단을 포함한다.
바람직하기로는, 상기 제어 시스템은 실리콘으로 제조된 진동 구조물을 갖는 진동 구조물 자이로스코프에 사용된다.
다음에, 본 발명의 이해를 돕고 상기 시스템이 실행되는 방법을 나타내기 위하여, 예를 들어 도시한 첨부 도면을 참조한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른, 진공 구조물 자이로스코프용 제어 시스템이 첨부 도면 중 도 3에 도시되어 있다. 본 발명의 제1 실시예에 있어서, 1차 루프(1) 및 2차 루프(2)는 도 2에 도시되어 있는 종래 제어 시스템의 1차 루프(1) 및 2차 루프(2)와 매우 유사하고, 도 2 및 도 3 양자 모두에 공통인 동일 구성품에 대하여는 동일 도면 부호를 부여하였으므로 더 이상의 상세한 설명을 생략한다.또한, 본 발명의 제어 시스템은 실리콘으로 제조된 진동 구조물에 인가되는 것으로 도시하여 설명하고 있지만, 이것은 금속이나 압전 세라믹 소재로 제조된 진동 구조물(3)에도 또한 인가될 수 있다.
스케일팩터는 일단 설정되고 나면 다음에 변경될 수 없으므로, 전술한 바와 같이 스케일팩터를 조정하는 것이 문제이다. 낮은 변화율 성능에 손상을 주지 않고 진동 구조물 자이로스코프의 변화율 범위를 확대시키기 위하여, 인-루프(in-loop) 스케일팩터를 높은 변화율로 능동적으로 조정하는 것이 필요하다. 본 발명에 따른 제어 시스템은 자이로스코프가 낮은 회전율로 최적의 분해능(resolution)은 유지하면서 인가된 높은 회전율을 계측할 수 있는 수단(30)을 1차 및 2차 폐쇄 제어 루프(1, 5) 내에 포함한다. 따라서, 스케일팩터 능동 조정 수단(scalefactor active adjustment means)(30)은 인가된 회전율에 대한 1차 모드 진동 진폭을 선택된 절대 임계 변화율 값 이상으로 감소시키는 수단을 포함한다. 인가된 변화율은 플러스 또는 마이너스이다. 절대 임계 변화율 ΩTh값은 2차 구동 수단(7)의 정상 출력 한계치보다 약간 낮은 값으로 간편하게 설정된다.
임계값 이하인 인가된 변화율에 대하여, 1차 모드 진폭은 불변값으로 유지된다. 코리올리의 힘에 의하여 유도된 2차 모드 운동은 인가된 변화율에 정비례하며, 2차 구동 수단(7)을 사용하여 종래 방식으로 제로로 된다. 인가된 변화율이 임계값을 초과할 때 1차 모드 진폭이 감소되므로 2차 루프 스케일팩터가 감소된다. 상기 변화율 범위에 있어서, 2차 구동 수단은 대략 상수인 최대 레벨로 유지되고 1차 모드 진폭은 인가된 변화율에 반비례하여 변한다. 이것은 1차 모드 진폭 기준 전압 설정 레벨 VAGC를 다음 방식으로 조정함으로써 달성된다:
..............................(3)
전체 동작 범위에 걸쳐 직선 변화율 출력을 얻기 위하여는, 1차 모드 진폭을 사용하여 평균을 낸 2차 드라이브 레벨을 사용하는 것이 필요하다. 변화율 출력 Ωout은 다음 식으로 나타낸다:
..............................(4)
여기서 VPPD는 1차 모드 진폭을 나타내는 1차 픽-오프 신호이다.
광범위에 걸친 변화율 범위 성능을 실행 및 제공하기 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이 스케일팩터 조정 수단(30)은 2차 폐쇄 루프(5)와 1차 폐쇄 루프(1) 사이에 접속되어 제공된다. 상기 수단(30)은 2차 폐쇄 제어 루프(5)와 가변 스케일팩터 루프(31) 사이에 위치된 수단(34)을 포함하여 2차 폐쇄 제어 루프(5)의 실 성분 루프 여과 수단(23)으로부터의 변조된 출력(32)을 1차 폐쇄 제어 루프(1)로부터의 변조된 신호 성분(33)으로 분할하여 인가된 변화율에 비례하는 출력 신호(35)를 제공한다. 출력(35)은 수단(30)의 일부를 형성하는 가변 스케일팩터 루프(31)로의 입력을 형성하고, 1차 픽-오프 신호(33)의 자동 게인 제어 루프(14)에 공급된 전압 기준 레벨(15)을 계측하는데 사용된다. 출력 신호(35)도 또한 계측되고 수단(36)에 의하여 여과되어 자이로스코프에 인가된 변화율을 나타내는 최종 출력 신호ΩOUT를 제공한다.
대안으로서 첨부 도면의 도 4에 도시된 바와 같이, 스케일팩터를 능동적으로 조정하는 수단(30)은 제어 시스템의 기본 기능을 변경시키지 않고 1차 폐쇄 제어 루프(1)의 변조된 다른 신호 성분(33) 대신 입력 전압(15)을 사용하여 실행될 수 있다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 2차 제어 폐쇄 루프(5)와 가변 스케일팩터 루프(31) 사이에 위치되어 2차 폐쇄 제어 루프(5)의 실 성분 루프 여과 수단(23)으로부터의 변조된 출력(32)을 가변 스케일팩터 루프(31)로부터의 출력을 형성하는 기준 전압 레벨(15) VAGC로 분할하는 수단(34)이 가변 스케일팩터 루프(31)로의 입력을 형성하는, 인가된 변화율에 비례하는 출력 직류 신호(35)를 제공한다. 신호(35)도 또한 계측되고 도면 부호(36)에서 여과되어 자이로스코프에 인가된 변화율을 나타내는 최종 출력 신호(37)(Ωout)를 제공한다.
가변 스케일팩터 루프(31)의 기능이 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 가변 스케일팩터 루프(31)에 인가된 입력 신호(35)(Ωout)의 계수는 도면 부호(39)에서 1 이하로 제한된 출력값 X를 갖는 ΩTH를 나타내는 일정한 전압 기준 레벨로 도면 부호(38)에서 분할된다. 상기 기준 레벨은 임계 변화율 값 ΩTh를 설정하고, 2차 구동 수단(7)에 인가될 수 있는 최대 실 구동 진폭을 효과적으로 제한한다. 다음에 도면 부호(40)에서 출력 X를 사용하여 V0,즉 자동 게인 제어 기준 전압 레벨 VAGC(입력 (15))의 제로 변화율 값을 계측한다. 도면 부호(40)로부터의 출력(41)은루프 여과기(42)에서 여과되어 자동 게인 제어 루프(14)에 인가되기 전에 원하는 동적 응답을 제공한다.
가변 스케일팩터 루프 여과는 제어 시스템의 동적 성능을 판정하는데 중요한 역할을 한다. 가변 스케일팩터 루프(31)의 대역폭이 2차(실) 제어 루프(31)의 대역폭에 비하여 일반적으로 낮기 때문에, 1차 진폭은 임계치 ΩTh이상의 범위에서 인가된 변화율의 급격한 변화에 비교적 느리게 응답하고, 이것은 2차 제어 루프(5)의 제어로 2차 구동 수단(7)을 조정함으로써 2차 픽-오프 수단(6)에서 제로가 뚜렷하게 유지된다는 의미이다. ΩAPP의 급격한 증가를 위하여, 이것은 순간적인 2차 구동 레벨을 동등하게 인가된 변화율에 대하여 불변 상태 조건을 초과하지 않도록 한다. 이는 ΩTh가 충분한 오버드라이브 범위를 제공하도록 설정되어 2차 드라이브의 "오버슈팅(overshooting)" 및 이들 과다 조건 하에서 출력 한계를 초과하는 것을 방지하는 것이 필요하다. 이것은 정상적인 조건, 즉 ΩAPP의 급격한 변화가 없는 조건 하에서 2차 제어 루프(5)의 이용가능한 동적 범위를 제한하기 때문에 상기 시스템의 성능에 바람직하지 않다. 가변 스케일팩터 루프(31)의 대역폭을 연장함으로써 자동 게인 제어 루프(14)를 보다 신속하게 응답할 수 있도록 하여 2차 드라이브 오버슈트의 범위를 제한하게 된다. 그러나, 밴드폭을 연장함으로써 시스템의 소음 성능 면에서 열화된다.
본 발명에 따른 제어 시스템의 상세한 루프 필터 설계는 정밀한 성능 요구에 따라 좌우된다. 인가되고, 실리콘으로 제조된 진동 구조물을 갖는 것이 바람직한진동 구조물 자이로스코프의 이용가능한 변화율 범위는 매초당 100°에서 매초당 10,000°이상으로 연장될 수 있다. 이것은 인가된 낮은 변화율에서 성능이 열화되지 않고 달성된다. 그러나, 변화율이 1차 운동의 감소된 진폭으로 인하여 임계 레벨 이상으로 증가되기 때문에, 소음 성능이 일부 열화된다.

Claims (12)

  1. 진동 구조물,
    1차 구동 수단과 상기 진동 구조물을 1차 모드 진동 공진에 위치 및 유지시키는 2차 구동 수단, 및
    1차 픽-오프 수단과 상기 진동 구조물의 진동을 검출하는 2차 픽-오프 수단
    을 갖는
    진동 구조물 자이로스코프용 제어 시스템에 있어서,
    상기 1차 구동 수단에 인가된 구동 신호를 제어가능하게 변경시키는 1차 폐쇄 제어 루프,
    상기 2차 구동 수단에서 제로값을 유지하기 위하여 상기 2차 구동 수단에 인가된 상기 구동 신호를 제어가능하게 변경시키는 2차 폐쇄 제어 루프, 및
    상기 1차 및 2차 폐쇄 제어 루프의 스케일팩터(scalefactor)를 능동적으로 조정하는 수단
    을 포함하고,
    상기 스케일팩터 능동 조정 수단이
    상기 2차 제어 루프로부터의 변화율 응답 신호를 상기 1차 모드 진동의 진폭을 나타내는 신호로 분할하는 수단,
    인가된 변화율을 나타내는 출력을 제공하도록 상기 분할 수단으로부터의 출력 신호를 여과하는 수단, 및
    상기 분할 수단으로부터의 출력 신호를 수신하고, 상기 출력 신호를 능동적으로 사용하여 상기 1차 폐쇄 제어 루프의 기준 전압 설정 레벨을 조정하고, 이로써 상기 제어 시스템의 인-루프 스케일팩터를 동적으로 조정하는 가변 스케일팩터 루프
    를 포함하는 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스케일팩터 능동 조정 수단은 인가된 회전율에 대한 1차 모드 진동 진폭을 선택된 절대 임계 변화율 값 이상으로 감소시키는 수단을 포함하는 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 절대 임계 변화율 값은 상기 2차 폐쇄 제어 루프의 변화율 출력 한계치 이하의 값으로 설정되는 제어 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 1차 폐쇄 제어 루프는
    상기 1차 픽-오프 수단으로부터 수신된 신호를 복조하는 수단,
    상기 1차 픽-오프 및 1차 구동 신호의 상대적인 위상을 비교하는 위상 로크 루프,
    자신의 진동수가 상기 위상 로크 루프에 의하여 조정되어 상기 1차 구동 수단에 인가된 신호와 상기 진동 구조물의 운동 사이에 90°위상 전이를 유지하는 전압 제어식 진동기,
    상기 1차 픽-오프 수단으로부터 수신된 복조 신호를 일정한 기준 전압 레벨과 비교하는 자동 게인 제어 루프, 및
    상기 자동 게인 제어 루프로부터 상기 전압 제어식 진동기에 의하여 공급된 진동수로 수신된 출력 신호를 재변조하여 상기 1차 구동 수단에 인가된 상기 제어가능하게 변경된 구동 신호를 제공하는 변조기
    를 포함하는 제어 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차 폐쇄 제어 루프는
    상기 2차 픽-오프 수단으로부터 수신된 신호를 상기 진동 구조물의 변화율 유도 운동의 실 성분 및 쿼드러처 성분으로 복조 및 분할하는 수단,
    상기 실 성분 및 쿼드러처 성분을 각기 따로 여과하는 루프 여과 수단, 및
    상기 여과된 신호 성분을 상기 2차 구동 수단에 인가하기 위하여 재변조 및 가산하는 수단
    을 포함하는 제어 시스템.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 가변 스케일팩터 루프는 상기 2차 폐쇄 제어 루프의 상기 실 성분 루프 여과 수단으로부터 복조된 출력과 상기 1차 픽-오프 수단으로부터 복조된 신호 사이에 접속되는 제어 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가변 스케일팩터 루프는 상기 가변 스케일팩터 루프에 인가된 입력 신호의 계수를 1 이하의 값으로 제한된 출력을 갖는 일정한 전압 기준 레벨로 분할하는 수단, 및 상기 출력을 여과하며 상기 일정한 기준 전압 레벨의 제로 변화율 전압값을 측정하는 출력을 상기 1차 폐쇄 제어 루프의 상기 자동 게인 제어 루프에 사용하는 수단을 포함하는 제어 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 2차 폐쇄 제어 루프와 상기 가변 스케일팩터 루프 사이에 위치되며, 상기 2차 폐쇄 제어 루프의 상기 실 성분 루프 여과 수단으로부터 복조된 출력을 상기 1차 폐쇄 제어 루프로부터 복조된 신호로 분할하여 상기 가변 스케일팩터 루프의 입력을 형성하며, 상기 인가된 변화율에 비례하는 출력 신호를 제공하는 수단을 포함하는 제어 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 2차 폐쇄 제어 루프와 상기 가변 스케일팩터 루프 사이에 위치되며, 상기 2차 폐쇄 제어 루프의 상기 실 성분 루프 여과 수단으로부터의 복조된 출력을 상기 가변 스케일팩터 루프로부터의 출력을 형성하는 상기 기준 전압 레벨로 분할하여 상기 가변 스케일팩터 루프의 입력을 형성하며, 상기 인가된 변화율에 비례하는 출력 신호를 제공하는 수단을 포함하는 제어 시스템.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 가변 스케일팩터 루프로의 입력을 형성하는 상기 출력 신호의 일부를 떼어 내고, 상기 자이로스코프에 인가된 변화율을 나타내는 출력 신호를 제공하도록 상기 떼어낸 신호 일부를 스케일링 및 여과시키는 수단을 포함하는 제어 시스템.
  11. 실리콘으로 제조된 진동 구조물을 갖는 진동 구조물 자이로스코프에 사용되는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 제어 시스템.
  12. 대체적으로 전술되어 있고, 첨부 도면 중 도 1a, 도 1b 또는 도 5에 의해 변형되거나 변형되지 않은 도 3 또는 도 4에 예시된, 진동 구조물 자이로스코프용 제어 시스템.
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