RU2308682C1 - Method of adjusting resonance frequency of suspension of movable mass of gyroscope - Google Patents
Method of adjusting resonance frequency of suspension of movable mass of gyroscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2308682C1 RU2308682C1 RU2006118230/28A RU2006118230A RU2308682C1 RU 2308682 C1 RU2308682 C1 RU 2308682C1 RU 2006118230/28 A RU2006118230/28 A RU 2006118230/28A RU 2006118230 A RU2006118230 A RU 2006118230A RU 2308682 C1 RU2308682 C1 RU 2308682C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- axis
- electrodes
- output
- suspension
- pair
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа и схемам подстройки параметров колебательных контуров подвеса в этих гироскопах.The invention relates to the field of micromechanics, in particular to micromechanical gyroscopes (MMGs) of vibration type and to schemes for adjusting the parameters of the vibrational loops of the suspension in these gyroscopes.
В ММГ подвижная масса (ПМ) крепится к основанию с помощью, по крайней мере, двухосного резонансного подвеса. Резонансная частота подвеса по оси первичных колебаний выбирается ниже резонансной частоты подвеса по оси вторичных колебаний. Возможны режимы работы ММГ как с совпадением резонансных частот подвеса, так и работа с малым сдвигом резонансных частот этих подвесов. В обоих случаях подстройка резонансных частот осуществляется за счет использования так называемой отрицательной жесткости и достигается путем подачи напряжения определенной величины на электроды, которые располагаются на оси вторичных колебаний. Пример реализации такой подстройки приведен на стр.412-413 в книге Распопов В.Я. Микромеханические приборы, 2-е издание. Тул. Гос. Университет, Тула, 2004 г., 475 стр. А пример работы ММГ с расстройкой резонансных частот подвесов приведен на стр.451 рис.5.5.3. этой книги.In MMG, the moving mass (PM) is attached to the base using at least a biaxial resonant suspension. The resonant frequency of the suspension along the axis of the primary vibrations is selected below the resonant frequency of the suspension along the axis of the secondary vibrations. MMG operating modes are possible both with coincidence of the resonant frequencies of the suspension, and work with a small shift of the resonant frequencies of these suspensions. In both cases, the adjustment of the resonant frequencies is carried out by using the so-called negative stiffness and is achieved by applying a voltage of a certain value to the electrodes, which are located on the axis of the secondary vibrations. An example of the implementation of such a adjustment is given on pages 412-413 in the book of V. Raspopov. Micromechanical devices, 2nd edition. Tool Gos. University, Tula, 2004, 475 pages. An example of MMG working with detuning the resonant frequencies of suspensions is given on page 451 of Fig.5.5.3. this book.
В работе [Пешехонов В.Г. и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам 23-25 мая 2005 г., стр.268-274] описан ММГ RR-типа, в котором для управления используются электроды, расположенные на крышке. Эти же электроды могут использоваться для сведения резонансных частот подвесов, как это было предложено в пат. США №6067858.In the work [Peshekhonov V.G. et al. Results of the development of a micromechanical gyroscope. XII St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems May 23-25, 2005, pp. 268-274] describes an MMR of the RR type, in which electrodes located on the cover are used for control. The same electrodes can be used to reduce the resonant frequencies of suspensions, as was proposed in US Pat. US No. 6067858.
ММГ, в котором осуществляется подстройка резонансной частоты подвеса по оси вторичных колебаний путем подачи напряжений на соответствующие электроды, описан в пат. США №6067858 (см. fig 23, колонка 22 описания).MMG, which is the adjustment of the resonant frequency of the suspension along the axis of the secondary vibrations by applying voltage to the corresponding electrodes, is described in US Pat. US No. 6067858 (see fig 23, column 22 of the description).
Способ подстройки резонансной частоты подвеса по оси вторичных колебаний в ММГ RR- типа и сам ММГ описаны в пат. США №6553833.A method for adjusting the resonance frequency of the suspension along the axis of secondary vibrations in MMR RR-type and MMG itself are described in US Pat. US No. 6553833.
Этот способ заключается в формировании напряжений на электродах, расположенных по оси вторичных колебаний, причем для формирования указанного напряжения формируют два дополнительных сигнала, частоты которых отличаются на величины +Δf и -Δf от F1 частоты, с которой колеблется ПМ, которые подаются на электроды, расположенные по оси вторичных колебаний. Эти дополнительные сигналы вызывают колебания ПМ по оси вторичных колебаний соответственно с частотами F1±Δf. Если резонансная частота подвеса по оси вторичных колебаний совпадает с частотой F1, то амплитуды колебаний ПМ на частотах F1±Δf равны, если же, например, резонансная частота подвеса по оси вторичных колебаний выше F1, то амплитуда колебаний ПМ на частоте F1+Δf оказывается больше, чем F1-Δf. Как указано в абзацах 60-65 столбца 4 описания патента величина Δf может составлять 100 Гц. Далее в соответствии с описанным в патенте способом путем детектирования выделяют амплитуды сигналов этих частот, получаемых на выходе преобразователя емкость - напряжение 2 (см. фиг.3 описания), и в зависимости от разности выделенных амплитуд формируют напряжения. Для подстройки резонансной частоты изменяют величины формируемых напряжений до тех пор, пока амплитуды указанных сигналов не сравняются.This method consists in generating voltages at the electrodes located along the axis of the secondary vibrations, moreover, two additional signals are generated to generate said voltage, the frequencies of which differ by + Δf and -Δf from F 1 the frequency with which the PM oscillates, which are supplied to the electrodes, located along the axis of the secondary vibrations. These additional signals cause PM vibrations along the axis of secondary vibrations, respectively, with frequencies F 1 ± Δf. If the resonant frequency of the suspension along the axis of the secondary oscillations coincides with the frequency F 1 , then the amplitudes of the PM vibrations at the frequencies F 1 ± Δf are equal; if, for example, the resonant frequency of the suspension along the axis of the secondary vibrations is higher than F 1 , then the amplitude of the PM vibrations at the frequency F 1 + Δf is greater than F 1 -Δf. As indicated in paragraphs 60-65 of column 4 of the patent description, Δf may be 100 Hz. Further, in accordance with the method described in the patent, the amplitudes of the signals of these frequencies obtained at the output of the capacitor-
Устройство, в котором реализован описанный способ подстройки резонансной частоты подвеса по оси вторичных колебаний, приведено на фиг.3 описания к патенту США №6553833. Оно представляет собой микромеханический гироскоп, содержащий подвижную массу на двухосном резонансном подвесе, первый емкостной датчик перемещения ПМ, образованный электродами, расположенными на оси первичных колебаний, и первым интерфейсным устройством (преобразователь C/U 10 на фиг.3), входы которого соединены с этими электродами, второй емкостной датчик перемещения ПМ, образованный электродами, расположенными на оси вторичных колебаний, и вторым интерфейсным устройством (преобразователь C/U 2 на фиг.3), входы которого соединены с этими электродами, электроды, расположенные по оси вторичных колебаний, синхронный демодулятор (7), генератор тестовых сигналов (6), выход которого через схему формирования напряжения (9) соединен с электродами, расположенными на оси вторичных колебаний. ММГ содержит также адаптивный компенсатор квадратуры (8), обеспечивающий снижение или подавление квадратурной помехи.A device that implements the described method for adjusting the resonant frequency of the suspension along the axis of secondary vibrations is shown in FIG. 3 of the description of US patent No. 6553833. It is a micromechanical gyroscope containing a moving mass on a biaxial resonant suspension, the first capacitive PM displacement sensor formed by electrodes located on the axis of the primary oscillations, and the first interface device (C /
Способ подстройки резонансной частоты подвеса по оси вторичных колебаний в ММГ и ММГ, в котором используется способ, описанные в пат. США №6553833, приняты в качестве прототипа.The method of adjusting the resonant frequency of the suspension along the axis of the secondary vibrations in MMG and MMG, which uses the method described in US Pat. US No. 6553833, taken as a prototype.
Таким образом, для подстройки резонансной частоты в прототипе вводят два дополнительных сигнала, вызывающих перемещение ПМ по оси вторичных колебаний, оценивают обусловленные этими сигналами перемещения ПМ, на основе полученной оценки путем изменения напряжения на электродах добиваются совпадения резонансных частот подвеса. При этом в прототипе осуществляется подавление квадратурной составляющей перемещений ПМ.Thus, to adjust the resonant frequency in the prototype, two additional signals are introduced that cause the PM to move along the axis of the secondary vibrations, and the PM movements caused by these signals are estimated, and the resonance frequencies of the suspension are matched by changing the voltage across the electrodes. Moreover, in the prototype, the quadrature component of the PM displacements is suppressed.
К недостаткам способа-прототипа следует отнести сложность для реализации подстройки резонансной частоты подвеса ПМ в ММГ, обусловленной тем, что в устройство-прототип необходимо вводить дополнительные источники сигналов, частоты которых должны быть привязаны к резонансной частоте подвеса по оси первичных колебаний, и дополнительные демодуляторы для выделения этих сигналов. Кроме того, наличие дополнительных сигналов в высокодобротной системе, которой является подвес ПМ, приводит к возбуждению колебаний на частоте этих сигналов, что сужает динамический диапазон работы ММГ и уменьшает точность его работы. Кроме того, критерием точной подстройки резонансной частоты является равенство амплитуд сигналов низкого уровня, что ограничивает точность этой подстройки. Наличие шумов и помех в канале усиления и преобразования сигналов контура вторичных колебаний ухудшает эту точность. Увеличение же амплитуд тестовых сигналов для повышения точности подстройки за счет увеличения отношения сигнал/шум может привести к большим возмущениям ПМ от вспомогательных тестовых сигналов и, в конечном счете, к ухудшению точности ММГ.The disadvantages of the prototype method include the complexity for realizing the adjustment of the resonant frequency of the PM suspension in MMG, due to the fact that additional signal sources must be introduced into the prototype device, the frequencies of which should be tied to the resonant frequency of the suspension along the axis of primary oscillations, and additional demodulators for highlighting these signals. In addition, the presence of additional signals in a high-Q system, which is the PM suspension, leads to excitation of oscillations at the frequency of these signals, which narrows the dynamic range of MMG operation and reduces its accuracy. In addition, the criterion for fine tuning the resonant frequency is the equality of the amplitudes of the low-level signals, which limits the accuracy of this tuning. The presence of noise and interference in the amplification and signal conversion channel of the secondary oscillation circuit degrades this accuracy. An increase in the amplitudes of test signals to increase the accuracy of tuning by increasing the signal-to-noise ratio can lead to large disturbances of the PM from auxiliary test signals and, ultimately, to a deterioration in the accuracy of the MMG.
Недостатки прототипа-устройства: недостаточно высокая точность и высокая сложность электронной части обусловлены примененным в нем способом подстройки резонансной частоты.The disadvantages of the prototype device: insufficiently high accuracy and high complexity of the electronic part are due to the method used to adjust the resonant frequency.
Задачей изобретения является увеличение точности подстройки резонансной частоты подвеса ПМ ММГ по оси вторичных колебаний. Кроме того, задачей изобретения является повышение точности ММГ и упрощение его конструкции.The objective of the invention is to increase the accuracy of tuning the resonant frequency of the PM PMMG suspension along the axis of secondary vibrations. In addition, the object of the invention is to improve the accuracy of MMG and simplify its design.
Поставленная задача достигается тем, что для формирования напряжения на электродах, используемого при подстройке резонансной частоты, определяют среднюю составляющую произведения сигналов датчиков перемещения подвижной массы по осям первичных и вторичных колебаний и изменяют формируемое напряжение до тех пор, пока полученная средняя составляющая произведения не станет равной нулюThe task is achieved in that in order to generate voltage on the electrodes used when adjusting the resonant frequency, the average component of the product of the signals of the moving mass displacement sensors along the axes of primary and secondary vibrations is determined and the generated voltage is changed until the obtained average component of the product becomes equal to zero
Кроме того, поставленная задача достигается тем, что в ММГ, содержащем подвижную массу на двухосном резонансном подвесе, первый емкостной датчик перемещения подвижной массы, образованный первой парой электродов, расположенных на оси первичных колебаний, и первым устройством выделения разности токов, протекающих через первую пару электродов, входы которого соединены с первой парой электродов, второй емкостной датчик перемещения подвижной массы, образованный второй парой электродов, расположенных на оси вторичных колебаний, и вторым устройством выделения разности токов, протекающих через вторую пару электродов, входы которого соединены со второй парой электродов, дополнительные электроды, расположенные по оси вторичных колебаний, введены последовательно соединенные второй фазовый детектор, суммирующее устройство и интегратор, при этом входы фазового детектора соединены с выходами емкостных датчиков, а выход с одним входом суммирующего устройства, ко второму входу которого подключен источник постоянного напряжения, выход суммирующего устройства соединен с входом интегратора, выход которого соединен, по крайней мере, с одним из дополнительных электродов.In addition, the task is achieved by the fact that in an MMG containing a moving mass on a biaxial resonant suspension, the first capacitive moving mass displacement sensor, formed by the first pair of electrodes located on the axis of the primary oscillations, and the first device for distinguishing the difference of currents flowing through the first pair of electrodes the inputs of which are connected to the first pair of electrodes, a second capacitive moving mass displacement sensor, formed by a second pair of electrodes located on the axis of the secondary vibrations, and the second With the aid of isolating the difference of currents flowing through the second pair of electrodes, the inputs of which are connected to the second pair of electrodes, additional electrodes located along the axis of the secondary vibrations are connected in series with the second phase detector, a summing device and an integrator, while the inputs of the phase detector are connected to the outputs of the capacitive sensors and the output with one input of the summing device, to the second input of which a constant voltage source is connected, the output of the summing device is connected to the input ntegratora, the output of which is connected to at least one of the additional electrodes.
По существу, в предложенном способе вместо двух тестовых сигналов, которые используются в прототипе, в качестве тестового используется сигнал квадратурной помехи. Благодаря вносимому резонансным контуром сдвигу фазы на 90° на резонансной частоте квадратурная помеха при совпадении резонансных частот оказывается ортогональна к сигналу датчика перемещения ПМ по оси первичных колебаний. При заданном нулевом значении произведения этих ортогональных сигналов достигается точная подстройка резонансных частот. Благодаря тому, что определение расстройки резонансных частот определяется по разности фаз, и благодаря тому, что фазовая характеристика высокодобротного контура имеет большую крутизну, в предложенном способе достигается более высокая точность подстройки резонансных частот. А благодаря тому, что в качестве тестового сигнала используется квадратурная помеха, которая уже присутствует в ММГ, достигается упрощение конструкции ММГ. Дополнительным эффектом, обеспечивающим повышение точности ММГ, является и то, что за счет подстройки резонансной частоты обеспечивается подстройка фазы опорного сигнала по отношению к полезному (составляющая, обусловленная действием кориолисова ускорения). Это приводит к более точному выделению полезного сигнала и подавлению квадратурной помехи при выделении полезного сигнала с помощью фазового детектора.Essentially, in the proposed method, instead of two test signals that are used in the prototype, a quadrature interference signal is used as a test signal. Due to the phase shift introduced by the resonant circuit by 90 ° at the resonant frequency, the quadrature noise when the resonant frequencies coincide is orthogonal to the signal of the PM displacement sensor along the axis of the primary oscillations. For a given zero value of the product of these orthogonal signals, an exact adjustment of the resonant frequencies is achieved. Due to the fact that the definition of the detuning of the resonant frequencies is determined by the phase difference, and due to the fact that the phase characteristic of the high-quality circuit has a large slope, the proposed method achieves a higher accuracy of tuning the resonant frequencies. And due to the fact that the quadrature interference, which is already present in the MMG, is used as a test signal, the MMG design simplification is achieved. An additional effect that provides an increase in the accuracy of MMG is the fact that due to the adjustment of the resonant frequency, the phase of the reference signal is adjusted relative to the useful one (component due to the action of Coriolis acceleration). This leads to a more accurate selection of the useful signal and the suppression of quadrature interference in the selection of the useful signal using a phase detector.
Реализация предложенного способа требует введения только трех дополнительных элементов: фазового детектора, суммирующего устройства и интегратора, а по существу двух, простых в реализации элементов фазового детектора и усилителя, т.к. суммирование сигналов можно получить и в усилителе, который при введении обратной связи с помощью конденсатора может быть преобразован в интегратор.The implementation of the proposed method requires the introduction of only three additional elements: a phase detector, a summing device and an integrator, and essentially two elements of a phase detector and amplifier that are simple to implement, because summation of the signals can also be obtained in the amplifier, which, when feedback is introduced using a capacitor, can be converted into an integrator.
Заявленные способ и устройство поясняются чертежами.The claimed method and device are illustrated by drawings.
На фиг.1 приведены амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики (АЧХ и ФЧХ) резонансного подвеса по оси вторичных колебаний.Figure 1 shows the amplitude-frequency and phase-frequency characteristics (frequency response and phase response) of the resonant suspension along the axis of the secondary vibrations.
На фиг.2 приведена блок-схема ММГ.Figure 2 shows the block diagram of MMG.
На фиг.2 приняты следующие обозначения:In figure 2, the following notation:
1 - ПМ1 - PM
2,3 - первая пара электродов, расположенных по оси первичных колебаний2,3 - the first pair of electrodes located along the axis of the primary oscillations
4,5 - вторая пара электродов, расположенных по оси вторичных колебаний4,5 - the second pair of electrodes located along the axis of the secondary vibrations
6,7 - первое и второе устройства выделения разности токов, протекающих соответственно через первую и вторую пары электродов6,7 - the first and second devices for distinguishing the difference of currents flowing respectively through the first and second pairs of electrodes
8 - фазосдвигающее устройство8 - phase shifting device
9 - фазовый детектор9 - phase detector
10 - фильтр низкой частоты (ФНЧ)10 - low-pass filter (low-pass filter)
11,12 - электроды гребенчатого двигателя11,12 - electrodes of the comb engine
13 -устройство управления гребенчатым двигателем13 - control device of the comb engine
14 - генератор переменного напряжения14 - alternating voltage generator
15 - дополнительный электрод, расположенный по оси вторичных колебаний15 - an additional electrode located along the axis of the secondary vibrations
16 - источник постоянного напряжения16 - constant voltage source
17 - второй фазовый детектор17 - second phase detector
18 - суммирующее устройство18 - summing device
19 - интегратор19 - integrator
Предлагаемый способ заключается в следующем.The proposed method is as follows.
На фиг.1. (верхняя часть) приведена АЧХ резонансного подвеса ПМ ММГ по оси вторичных колебаний для двух разных значений добротности (Q1 и Q2, Q1≥Q2).In figure 1. (upper part) shows the frequency response of the resonant suspension of PM MMG along the axis of secondary vibrations for two different Q factors (Q 1 and Q 2 , Q 1 ≥Q 2 ).
АЧХ, соответствующая меньшему значению Q (Q2), изображена тонкой линией. На нижней части фиг.1 приведены ФЧХ, соответствующие указанным значениям добротности (Q1 и Q2). Возможны три случая работы ММГ: когда частота первичных колебаний ПМ (или частота, с которой работает драйв) Fd меньше резонансной частоты подвеса ПМ ММГ по оси вторичных колебаний Fp (случай Fd1), больше (случай Fd2) и равен этой частоте.The frequency response corresponding to a lower value of Q (Q2) is depicted by a thin line. On the lower part of figure 1 shows the phase response corresponding to the specified values of the quality factor (Q 1 and Q 2 ). Three cases of MMG operation are possible: when the frequency of primary PM oscillations (or the frequency with which the drive operates) F d is less than the resonance frequency of the PM MMG suspension along the axis of secondary oscillations F p (case F d1 ), greater than (case F d2 ) and is equal to this frequency .
Соответственно этим случаям, как видно из графика для ФЧХ, вносимый подвесом фазовый сдвиг будет меньше 90°, больше 90° или равен 90°. На ПМ по оси вторичных колебаний действуют силы, одна из которых обусловлена действием кориолисового ускорения, а другая обусловлена технологическими погрешностями изготовления, вызывающими появление квадратурной помехи. Квадратурная помеха при нулевом фазовом сдвиге, вносимом резонансным подвесом ПМ ММГ по оси вторичных колебаний (т.е. при Fd, значительно меньшем резонансной частоты, например, значение Fd1 для Q2, как это показано на графике ФЧХ), синфазна с сигналом на выходе датчика перемещения ПМ по оси первичных колебаний. Выходным сигналом датчика перемещения ПМ по оси вторичных колебаний при неподвижном ММГ является квадратурная помеха. При перемножении сигналов датчиков перемещения подвижной массы по осям первичных и вторичных колебаний при неподвижном ММГ и выделении средней составляющей значения последней будут зависеть от положения Fd относительно резонансной частоты подвеса ПМ ММГ по оси вторичных колебаний Fp.According to these cases, as can be seen from the graph for the phase response, the phase shift introduced by the suspension will be less than 90 °, more than 90 °, or equal to 90 °. On the PM along the axis of secondary vibrations, forces act, one of which is due to the action of Coriolis acceleration, and the other is due to manufacturing manufacturing errors that cause the appearance of quadrature interference. The quadrature interference at zero phase shift introduced by the resonant suspension of the PM MMG along the axis of the secondary oscillations (i.e., when F d is much lower than the resonance frequency, for example, the value of F d1 for Q 2 , as shown in the phase response curve), is in phase with the signal at the output of the PM displacement sensor along the axis of the primary vibrations. The output signal of the PM displacement sensor along the axis of secondary vibrations with a stationary MMG is a quadrature noise. When multiplying the signals of the sensors for moving the moving mass along the axes of primary and secondary vibrations with a stationary MMG and highlighting the average component, the values of the latter will depend on the position F d relative to the resonant suspension frequency of the PM MMG suspension along the axis of the secondary vibrations F p .
В соответствии с тремя рассмотренными выше случаями величина этой средней составляющей будет больше, меньше и равна нулю. Поэтому, увеличивая напряжение на электродах, расположенных по оси вторичных колебаний (или хотя бы на одном из них), можно за счет явления "отрицательной жесткости" уменьшить резонансную частоту подвеса ПМ ММГ по оси вторичных колебаний и прийти к случаю, когда частота Fp сравняется с Fd1. Стрелкой на верхней части фиг.1 показано направление движения резонансной частоты Fp в сторону Fd1. Для второго случая при отрицательном значении средней составляющей произведения сигналов напряжение на электродах, расположенных по оси вторичных колебаний, уменьшается и резонансная частота подвеса ПМ ММГ по оси вторичных колебаний возрастает. Стрелкой на нижней части фиг.1 показано направление движения резонансной частоты Fp в сторону Fd2. И в первом, и во втором случаях изменение напряжения на электродах до достижения средней составляющей нулевого значения приводит к точной настройке резонансной частоты подвеса ПМ ММГ по оси вторичных колебаний на частоту Fd, т.е. на частоту, с которой происходят первичные колебания, которые выбираются равными резонансной частоте подвеса ПМ ММГ по оси первичных колебаний. Если же резонансные частоты совпадают (третий случай), то напряжение на электродах не изменяют.In accordance with the three cases considered above, the value of this average component will be larger, smaller, and equal to zero. Therefore, by increasing the voltage at the electrodes located on the axis of secondary vibrations (or at least on one of them), due to the phenomenon of "negative stiffness", it is possible to reduce the resonance frequency of the PM MMG suspension along the axis of secondary vibrations and come to the case when the frequency F p becomes equal with F d1 . The arrow on the upper part of figure 1 shows the direction of movement of the resonant frequency F p in the direction of F d1 . For the second case, with a negative value of the average component of the product of the signals, the voltage at the electrodes located along the axis of the secondary oscillations decreases and the resonance frequency of the PM MMG suspension along the axis of the secondary oscillations increases. The arrow on the lower part of figure 1 shows the direction of movement of the resonant frequency F p in the direction of F d2 . In both the first and second cases, a change in the voltage at the electrodes until the average component reaches zero leads to a fine tuning of the resonance frequency of the PM MMG suspension along the axis of the secondary vibrations to the frequency F d , i.e. the frequency with which the primary oscillations occur, which are chosen equal to the resonant frequency of the PM MMG suspension along the axis of the primary oscillations. If the resonant frequencies coincide (the third case), then the voltage at the electrodes does not change.
Таким образом, показано, что без введения в ММГ дополнительных сигналов, используя только сигнал квадратурной помехи, возможна настройка резонансной частоты подвеса ПМ ММГ по оси вторичных колебаний Fp на частоту Fd. Отметим, что предложенный способ может быть применен в ММГ, в которых не вводятся специальные меры (например, такие, как двухмассовый подвес, или введение в конструкцию механических ограничителей перемещений ПМ по ортогональной оси, как это сделано в ММГ ф. Analog Devices ADXRS150) по подавлению квадратурной помехи. Отметим дополнительные преимущества предложенного способа. Благодаря точной настройке резонансных частот подвесов ПМ опорный сигнал демодулятора, выделяющего сигнал о кориолисовом ускорении, оказывается точно в фазе с несущей кориолисового ускорения, что обеспечивает максимальный коэффициент передачи демодулятора по полезному сигналу и полное подавление квадратурной помехи.Thus, it is shown that without introducing additional signals into the MMG, using only the quadrature noise signal, it is possible to adjust the resonance frequency of the PM MMG suspension along the axis of secondary vibrations F p to the frequency F d . Note that the proposed method can be applied in MMG, in which special measures are not introduced (for example, such as a two-mass suspension, or the introduction of mechanical restraints of PM along the orthogonal axis in the design, as was done in MMG f. Analog Devices ADXRS150) by suppression of quadrature interference. Note the additional advantages of the proposed method. Due to the fine tuning of the resonant frequencies of the PM suspensions, the reference signal of the demodulator emitting the Coriolis acceleration signal is exactly in phase with the Coriolis acceleration carrier, which ensures the maximum transmission coefficient of the demodulator for the useful signal and the complete suppression of quadrature interference.
В блок-схеме ММГ, в котором реализован предложенный способ, на фиг.2, с двух сторон ПМ 1 по оси первичных колебаний расположены пара электродов 2, 3, по оси вторичных колебаний - пара электродов 4, 5. Первое и второе устройства выделения разности токов, протекающих через пары электродов (соответственно 6 и 7) подключены входами соответственно к первой паре электродов 2, 3 и второй паре электродов 4, 5. Выход первого устройства выделения разности токов 6 через фазосдвигающее устройство 8 соединен с одним из входов фазового детектора 9. Выход фазового детектора 9 соединен с входом ФНЧ 10, выход которого является выходом ММГ. Выход второго устройства выделения разности токов 7 соединен с другим входом фазового детектора 9. Выход первого устройства выделения разности токов 6 соединен с входом устройства управления гребенчатым двигателем 13, выходы которого соединены с электродами гребенчатого двигателя, расположенными по оси первичных колебаний ПМ 1. С ПМ 1 соединен выход генератора переменного напряжения 14. Дополнительный электрод 15 расположен по оси вторичных колебаний. Последовательно соединенные введенный второй фазовый детектор 17, суммирующее устройство 18 и интегратор 19 включены между выходом второго устройства выделения разности токов 7 и выводом электрода 15. Выход источника постоянного напряжения 16 соединен с одним из входов суммирующего устройства 18.In the MMG flowchart, in which the proposed method is implemented, in FIG. 2, on the two sides of the PM 1, a pair of
ММГ работает следующим образом.MMG works as follows.
Генератор переменного напряжения 14 создает напряжения между ПМ 1 и электродами 2-5, через которые протекает ток, зависящий от величин емкостей конденсаторов, образованных этими электродами и ПМ 1. Устройства выделения разности токов 6, 7 выделяют разности токов, протекающих через пары электродов 2, 3 и 4, 5. Выделенные разности токов пропорциональны перемещениям ПМ 1 по соответствующим осям. Таким образом, устройства выделения разности токов 6, 7 совместно с парами электродов 2, 3 и 4, 5 образуют соответственно емкостные датчики перемещения ПМ 1 по оси первичных и вторичных колебаний. Первое устройство выделения разности токов 6 совместно с устройством управления гребенчатым двигателем 13, парой электродов 2, 3 и 11, 12, и ПМ 1 на резонансном подвесе формируют автоколебательный контур, в котором возникают колебательные движения ПМ 1 по оси первичных колебаний. Под действием кориолисовых ускорений ПМ 1 может колебаться с частотой первичных колебаний или, как иногда говорят, с частотой драйва (drive). Амплитуда этих колебаний, которая пропорциональна кориолисовым ускорениям, выделяется фазовым детектором 9, на вход для опорного сигнала которого поступает через фазосдвигающее устройство 8 выходной сигнал первого устройства выделения разности токов 6. ФНЧ 10 подавляет высокочастотные составляющие выходного сигнала фазового детектора 9 и выделяет низкочастотную составляющую, которая и является полезным сигналом. Если резонансная частота подвеса ПМ 1 по оси вторичных колебаний Fp совпадает с частотой Fd первичных колебаний ПМ 1, то фазовый сдвиг, вносимый устройством 8, может быть установлен равным нулю. Отметим, что в случае, когда Fd<Fp (случай Fd1), сдвиг φ устанавливается равным 90°, если не производится подстройка резонансных частот.The alternating
Рассмотрим, как введенные элементы 17-19 обеспечивают автоматическую подстройку Fp под Fd1.Consider how the introduced elements 17-19 provide automatic adjustment of F p to F d1 .
Обозначим напряжение на выходе первого устройства выделения разности токов 6 - U6, а напряжение на выходе второго устройства выделения разности токов 7 - U7. Эти напряжения для случая Fd<Fp можно представить в виде выражений:Let us denote the voltage at the output of the first current difference device 6 - U 6 , and the voltage at the output of the second current difference device 7 - U 7 . These stresses for the case F d <F p can be represented in the form of expressions:
где Uп(t), Uкв(t) - соответственно полезный сигнал и квадратурная помеха.where Uп (t), Uкв (t) are the useful signal and the quadrature noise, respectively.
Если обозначить β фазовый сдвиг сигнала, вносимый подвесом ПМ1 по оси вторичных колебаний (величина β может быть определена по ФЧХ на фиг.1), то при Fd≈Fp выражение (2) примет видIf β is denoted by the phase shift of the signal introduced by the PM1 suspension along the axis of secondary vibrations (the value of β can be determined from the phase response in Fig. 1), then at F d ≈F p expression (2) takes the form
Полагая, что измеряемая угловая скорость является переменным сигналом и изменяется, например, по гармоническому закону, величина квадратурной помехи превышает полезный сигнал, что часто имеет место на практике, т.е. выполняется условиеAssuming that the measured angular velocity is a variable signal and changes, for example, according to a harmonic law, the value of the quadrature noise exceeds the useful signal, which often takes place in practice, i.e. the condition is satisfied
Полагая, что фазовый детектор реализован в виде последовательно соединенных аналогового перемножителя и ФНЧ, получим, что на выходе фазового детектора 17 выходной сигнал будет пропорционален величине Cos(β-90°). Это означает, что для случая, когда Fd находится слева от Fp, выходное напряжение фазового детектора 17 будет одного знака (например, положительным), когда Fd находится справа от Fp, выходное напряжение фазового детектора 17 будет другого знака (например, отрицательным), а при равенстве этих частот β=0 и выходное напряжение фазового детектора 17 будет равно 0. При нулевом напряжении источника 16 выходной сигнал суммирующего устройства 18 равен входному. При отклонении средней составляющей выходного сигнала фазового детектора 17 от нулевого значения выходное напряжение интегратора 19 будет изменяться, соответственно будет изменяться напряжение на электроде 15. Это изменение приведет к изменению резонансной частоты подвеса ПМ 1 ММГ по оси вторичных колебаний Fp. При этом частота будет изменяться до тех пор, пока разность фаз сигналов на входе фазового детектора 17 не станет равной 90°, т.е. пока резонансные частоты подвесов не совпадут.Assuming that the phase detector is implemented as a series-connected analog multiplier and low-pass filter, we obtain that at the output of the
В случае, когда необходимо работать с некоторой расстройкой Δf (Δf=Fp-Fd) между резонансными частотами (например, для обеспечения достаточно широкой полосы пропускания ММГ), нужная расстройка может быть установлена путем выбора напряжения источника 16 (U0). Оно выбирается следующим образом. Из ФЧХ определяют величину сдвига фазы (β0), соответствующего желаемой расстройке, и устанавливают величину в соответствии с выражениемIn the case when it is necessary to work with some detuning Δf (Δf = F p -F d ) between the resonant frequencies (for example, to ensure a sufficiently wide MMG bandwidth), the desired detuning can be set by selecting the voltage of the source 16 (U 0 ). It is selected as follows. The phase shift value (β 0 ) corresponding to the desired detuning is determined from the phase response and the value is set in accordance with the expression
. .
Величину вносимого фазосдвигающим устройством 8 фазового сдвига выбирают равным (90°+β0) или (90°-β0). При таком выборе резонансная частота подвеса ПМ 1 ММГ по оси вторичных колебаний Fp будет стабилизироваться и оставаться равной Δf+Fd за счет изменения напряжения на выходе интегратора 19 в случае, когда величина β0 изменится из-за изменения частоты Fp (например, из-за изменения температуры). Подавление квадратурной помехи и выделение полезного сигнала фазовым детектором 9 происходит в приведенном на фиг.2 ММГ так же, как и при Δf=0.The magnitude of the phase shift introduced by the phase-shifting
Таким образом, предложенный способ подстройки резонансной частоты может быть реализован в ММГ, работающем как при сведенных резонансных частотах, так и при разведенных. Отметим, что реализация элементов 8-10 и 16-19 возможна без изменения сути изобретения на дискретных элементах, в виде микроконтроллера или специализированной микросхемы, включающей и элементы 6, 7, 13, 14.Thus, the proposed method for adjusting the resonant frequency can be implemented in MMG operating both at reduced resonant frequencies and at diluted frequencies. Note that the implementation of elements 8-10 and 16-19 is possible without changing the essence of the invention on discrete elements, in the form of a microcontroller or a specialized chip, including
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006118230/28A RU2308682C1 (en) | 2006-05-23 | 2006-05-23 | Method of adjusting resonance frequency of suspension of movable mass of gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006118230/28A RU2308682C1 (en) | 2006-05-23 | 2006-05-23 | Method of adjusting resonance frequency of suspension of movable mass of gyroscope |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2308682C1 true RU2308682C1 (en) | 2007-10-20 |
Family
ID=38925394
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006118230/28A RU2308682C1 (en) | 2006-05-23 | 2006-05-23 | Method of adjusting resonance frequency of suspension of movable mass of gyroscope |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2308682C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2485444C2 (en) * | 2010-05-21 | 2013-06-20 | Сергей Феодосьевич Коновалов | Micromechanical vibration gyroscope |
RU2577369C1 (en) * | 2014-12-30 | 2016-03-20 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" (АО Концерн ЦНИИ "Электроприбор") | Method of adjusting phase reference signal of demodulator of output cycle of micromechanical gyroscope |
RU2697031C1 (en) * | 2018-10-31 | 2019-08-08 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Micromechanical gyro control system |
RU2792945C1 (en) * | 2022-08-12 | 2023-03-28 | Акционерное общество "Инерциальные технологии "Технокомплекса" (АО "ИТТ") | Adjustment method for vibration angular velocity sensor |
-
2006
- 2006-05-23 RU RU2006118230/28A patent/RU2308682C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ПЕШЕХОНОВ В.Г. и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам, 23-25 мая 2005, с.268-274. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2485444C2 (en) * | 2010-05-21 | 2013-06-20 | Сергей Феодосьевич Коновалов | Micromechanical vibration gyroscope |
RU2577369C1 (en) * | 2014-12-30 | 2016-03-20 | Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" (АО Концерн ЦНИИ "Электроприбор") | Method of adjusting phase reference signal of demodulator of output cycle of micromechanical gyroscope |
RU2697031C1 (en) * | 2018-10-31 | 2019-08-08 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Micromechanical gyro control system |
RU2792945C1 (en) * | 2022-08-12 | 2023-03-28 | Акционерное общество "Инерциальные технологии "Технокомплекса" (АО "ИТТ") | Adjustment method for vibration angular velocity sensor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5806364A (en) | Vibration-type angular velocity detector having sensorless temperature compensation | |
Park et al. | Adaptive control for the conventional mode of operation of MEMS gyroscopes | |
US8042393B2 (en) | Arrangement for measuring a rate of rotation using a vibration sensor | |
US6553833B1 (en) | Device for bias potential generation for an oscillating rotation speed sensor | |
RU2388999C1 (en) | Micromechanical gyroscope (versions) and adjustment methods thereof, based on using amplitude-modulated quadrature testing effect | |
KR100592985B1 (en) | Vibration type angular velocity sensor | |
US5530342A (en) | Micromachined rate sensor comb drive device and method | |
KR100758426B1 (en) | Operating method for a coliolis gyroscope and evaluation/adjustment electronic system and pulse modulator suitable therefor | |
EP2098823A1 (en) | Accelerometer with offset compensation | |
US20030011385A1 (en) | Drive feedthrough nulling system | |
CN111024056A (en) | High-dynamic-input MEMS gyroscope bandwidth expansion closed-loop control method | |
RU2308682C1 (en) | Method of adjusting resonance frequency of suspension of movable mass of gyroscope | |
RU2344374C1 (en) | Electrode structure for micromechanical gyroscope and micromechanical gyroscope with such structure (versions) | |
RU2301970C1 (en) | Micro-mechanical vibration gyroscope | |
RU2447403C1 (en) | Micromechanical gyroscope | |
EP3301398B1 (en) | A mems gyroscope having a high stability with respect to temperature and humidity variations | |
US6357296B1 (en) | Vibratory sensor with virtual node/antinode correction of secondary harmonics | |
JPWO2017159429A1 (en) | Gyro apparatus and control method for gyro apparatus | |
RU2316731C1 (en) | Method for adjusting resonance frequency of mobile mass suspension of micro-mechanical gyroscope with deep check connection on basis of speed of movement of mobile mass along secondary oscillations axis and a micro-mechanical gyroscope | |
KR100415076B1 (en) | Method of detecting angular velocity and vibrating gyroscope | |
RU2320962C1 (en) | Electrode structure for micro-mechanical gyroscope and micro-mechanical gyroscope on base of that structure | |
RU2347191C1 (en) | Method of fine tuning of resonant frequency of suspension of mobile mass of micromechanical gyroscope on axes of secondary oscillations and micromechanical gyroscope | |
Sung et al. | Resonant loop design and performance test for a torsional MEMS accelerometer with differential pickoff | |
RU2714955C1 (en) | Method for compensation of in-phase interference in micromechanical gyroscope | |
RU2370733C1 (en) | Vibration-type micromechanical gyro |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090524 |