RU2697031C1 - Micromechanical gyro control system - Google Patents

Micromechanical gyro control system Download PDF

Info

Publication number
RU2697031C1
RU2697031C1 RU2018138598A RU2018138598A RU2697031C1 RU 2697031 C1 RU2697031 C1 RU 2697031C1 RU 2018138598 A RU2018138598 A RU 2018138598A RU 2018138598 A RU2018138598 A RU 2018138598A RU 2697031 C1 RU2697031 C1 RU 2697031C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
digital
signal
signals
processing unit
frequency
Prior art date
Application number
RU2018138598A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Евгеньевич Власов
Антон Вячеславович Карчев
Михаил Леонидович Жеребцов
Инна Васильевна Жаркова
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Технической Физики имени академика Е.И. Забабахина" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Технической Физики имени академика Е.И. Забабахина" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина") filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Priority to RU2018138598A priority Critical patent/RU2697031C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2697031C1 publication Critical patent/RU2697031C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/02Rotary gyroscopes
    • G01C19/04Details
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

FIELD: micromechanics.
SUBSTANCE: invention relates to micromechanics, particularly to micromechanical gyroscopes (MMG), and is intended for control and processing of MMG signals. Micromechanical gyroscope control system comprises signal conversion unit consisting of analogue-to-digital and digital-to-analogue converters and interacting with signal processing unit. Signal processing unit is made in the form of excitation unit and secondary oscillation processing unit, and signals conversion unit is equipped with amplifiers of output signals of digital-to-analogue converters receiving signals from excitation unit and secondary oscillation processing unit, and summators receiving analogue signals from amplifiers of output signals and excitation and processing units of secondary oscillations.
EFFECT: high accuracy and stability of the micromechanical gyroscope with reduced temperature effect, owing to tuning of the natural frequency of primary oscillations of the SE and tuning of the frequency of secondary oscillations to eliminate quadrature error, as well as simple implementation, adjustment and calibration of the system and obtaining a digital output signal, by implementing the control circuit in digital form.
1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ), и предназначено для управления и обработки сигналов ММГ.The invention relates to the field of micromechanics, in particular to micromechanical gyroscopes (MMG), and is intended to control and process MMG signals.

Известна система управления гироскопа, описанная в изобретении под названием "Способ подстройки резонансной частоты подвеса подвижной массы микромеханического гироскопа по оси вторичных колебаний и микромеханический гироскоп" [патент РФ №2308682, МПК (2006.01) G01C 19/56, G01P 9/04, опубликовано 20.10.2007 г.], содержащая блок обработки сигналов.A known gyroscope control system described in the invention under the title "Method for adjusting the resonant frequency of a suspension of a moving mass of a micromechanical gyroscope along the axis of secondary vibrations and a micromechanical gyroscope" [RF patent No. 2308682, IPC (2006.01) G01C 19/56, G01P 9/04, published 20.10 .2007], containing the signal processing unit.

Блок обработки сигналов содержит фазовый детектор, получающий входные сигналы от первого устройства выделения разности токов, прошедшего через фазосдвигающее устройство, и от второго устройства выделения разности токов, и фильтр низких частот, получающий входной сигнал с фазового детектора. Выходной сигнал фильтра низких частот является выходом ММГ. Блок обработки сигналов дополнительно содержит второй фазовый детектор, суммирующее устройство и интегратор, включенные между выходом второго устройства выделения разности токов и выводом дополнительного электрода.The signal processing unit comprises a phase detector receiving input signals from a first current difference device that has passed through a phase shifting device and from a second current difference device, and a low-pass filter that receives an input signal from a phase detector. The output of the low-pass filter is the MMG output. The signal processing unit further comprises a second phase detector, an adder and an integrator included between the output of the second current difference extraction device and the output of the additional electrode.

Указанная система позволяет увеличить точность подстройки резонансной частоты подвеса подвижной массы микромеханического гироскопа по оси вторичных колебаний и повысить точность микромеханического гироскопа.The specified system allows to increase the accuracy of adjusting the resonant frequency of the suspension of the moving mass of the micromechanical gyroscope along the axis of secondary vibrations and to improve the accuracy of the micromechanical gyroscope.

К недостаткам данной системы можно отнести:The disadvantages of this system include:

- отсутствие подстройки резонансной частоты по оси первичных колебаний;- lack of adjustment of the resonant frequency along the axis of the primary oscillations;

- необходимость использования прецизионных аналоговых электронных схем;- the need to use precision analog electronic circuits;

- необходимость проведения ручных процедур настройки и калибровки устройства.- the need for manual procedures for setting up and calibrating the device.

Известна цифровая система управления вибрационного гироскопа [патент США №6276204, МПК7 G01P 9/04, опубликовано 21.08.2001 г.]. содержащая блок преобразования сигналов, состоящий из аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей и взаимодействующий с блоком обработки сигналов.A known digital control system of a vibrating gyroscope [US patent No. 6276204, IPC 7 G01P 9/04, published 21.08.2001]. comprising a signal conversion unit consisting of analog-to-digital and digital-to-analog converters and interacting with a signal processing unit.

В цифровой системе управления вибрационного гироскопа предусмотрены средства дискретизации в выбранные интервалы времени выходных сигналов перед переходом в блок обработки сигналов, включающие генератор переменной частоты.In the digital control system of the vibrating gyroscope, discretization tools are provided at selected time intervals of the output signals before moving to a signal processing unit including a variable frequency generator.

Для снижения погрешностей в известной системе осуществляется подстройка частоты обработки под резонансную частоту ЧЭ, с помощью управляемого генератора переменной частоты. Частота генератора регулируется в соответствии с резонансной частотой ЧЭ на основе сигналов, принимаемых цифровым процессором от сенсора первичных колебаний.To reduce errors in the known system, the processing frequency is adjusted to the resonant frequency of the SE using a controlled variable frequency generator. The frequency of the generator is regulated in accordance with the resonant frequency of the SE based on the signals received by the digital processor from the primary oscillation sensor.

При схожем структурном построении данная система имеет ряд недостатков:With a similar structural structure, this system has several disadvantages:

- нестабильность частоты первичных колебаний и, соответственно, частоты работы системы;- instability of the frequency of primary oscillations and, accordingly, the frequency of the system;

- отсутствие подстройки резонансной частоты вторичных колебаний для компенсации квадратурной ошибки.- the lack of adjustment of the resonant frequency of the secondary oscillations to compensate for the quadrature error.

Данное техническое решение рассматривается в качестве ближайшего аналога, как наиболее близкое к заявляемому изобретению.This technical solution is considered as the closest analogue, as the closest to the claimed invention.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание системы управления микромеханического гироскопа с высокой точностью и стабильностью микромеханического гироскопа, а также низким влиянием температуры.The problem to which the invention is directed, is to create a micromechanical gyroscope control system with high accuracy and stability of a micromechanical gyroscope, as well as a low temperature effect.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности и стабильности микромеханического гироскопа со сниженным влиянием температур, за счет подстройки собственной частоты первичных колебаний ЧЭ и подстройки частоты вторичных колебаний для устранения квадратурной ошибки, а также в простоте реализации, настройки и калибровки системы и получении цифрового выходного сигнала за счет реализации схемы управления в цифровом виде.The technical result to which the claimed invention is aimed is to increase the accuracy and stability of a micromechanical gyroscope with a reduced temperature effect, by adjusting the natural frequency of the primary oscillations of the SE and adjusting the frequency of the secondary oscillations to eliminate quadrature error, as well as the ease of implementation, configuration and calibration system and receiving a digital output signal by implementing a digital control circuit.

Указанный технический результат достигается тем, что система управления микромеханического гироскопа содержит блок преобразования сигналов, состоящий из аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей и взаимодействующий с блоком обработки сигналов, согласно изобретению блок обработки сигналов выполнен в виде блока возбуждения и блока обработки вторичных колебаний, а блок преобразования сигналов оснащен усилителями выходных сигналов цифро-аналоговых преобразователей, получающих сигналы с блока возбуждения и блока обработки вторичных колебаний, и сумматорами, получающими аналоговые сигналы с усилителей выходных сигналов и блоков возбуждения и обработки вторичных колебаний.The specified technical result is achieved by the fact that the control system of the micromechanical gyroscope contains a signal conversion unit, consisting of analog-digital and digital-to-analog converters and interacting with the signal processing unit, according to the invention, the signal processing unit is made in the form of an excitation unit and a secondary oscillation processing unit, and the signal conversion unit is equipped with amplifiers of the output signals of digital-to-analog converters receiving signals from the excitation unit and the processing unit secondary oscillations, and adders receiving analog signals from amplifiers of output signals and excitation and processing units of secondary oscillations.

Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию "новизна".The presence in the claimed invention features that distinguish it from the prototype, allows us to consider it appropriate to the condition of "novelty."

Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения, не выявлены в технических решениях аналогичного назначения, на этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию "изобретательский уровень".New features that contain a distinctive part of the claims are not identified in technical solutions for a similar purpose, on this basis we can conclude that the claimed invention meets the condition of "inventive step".

Изобретение иллюстрируется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 приведена структурная схема системы управления микромеханического гироскопа.In FIG. 1 is a structural diagram of a control system of a micromechanical gyroscope.

На фиг. 2 - блока возбуждения.In FIG. 2 - excitation unit.

На фиг. 3 - блока обработки вторичных колебаний.In FIG. 3 - processing unit of the secondary vibrations.

Система управления микромеханического гироскопа содержит блок преобразования и блок обработки сигналов, взаимодействующие с чувствительным элементом микромеханического гироскопа (ЧЭ ММГ) 1.The control system of the micromechanical gyroscope contains a conversion unit and a signal processing unit interacting with a sensitive element of the micromechanical gyroscope (ChE MMG) 1.

ЧЭ ММГ 1 включает в себя емкостные сенсоры первичных и вторичных колебаний с выходами 4 и 6 соответственно, электростатические микроприводы первичных и вторичных колебаний с входами 3 и 5 соответственно и ротор с входом 2, являющийся общим электродом для сенсоров и электрических микроприводов первичных и вторичных колебаний и получающий сигнал с генератора "накачки" заряда 7.ChE MMG 1 includes capacitive sensors of primary and secondary vibrations with outputs 4 and 6, respectively, electrostatic micro drives of primary and secondary vibrations with inputs 3 and 5, respectively, and a rotor with input 2, which is a common electrode for sensors and electric micro drives of primary and secondary vibrations and receiving a signal from a charge pump 7.

Блок преобразования сигналов состоит из преобразователей емкости в напряжение 9 и 11, взаимодействующих с аналого-цифровыми преобразователями (АЦП) 16 и 19 соответственно, цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) 14, 15, 17, 18, усилителей 12, 13, усиливающих выходные сигналы цифро-аналоговых преобразователей 14 и 17 соответственно, и сумматоров 8 и 10. Сумматоры 8 и 10 получают входные сигналы с усилителей 12, 13 и с цифро-аналоговых преобразователей 15 и 18 соответственно (фиг. 1).The signal conversion unit consists of capacitors of voltage to voltage 9 and 11, interacting with analog-to-digital converters (ADCs) 16 and 19, respectively, digital-to-analog converters (DACs) 14, 15, 17, 18, amplifiers 12, 13, amplifying output signals digital-to-analog converters 14 and 17, respectively, and adders 8 and 10. Adders 8 and 10 receive input signals from amplifiers 12, 13 and from digital-to-analog converters 15 and 18, respectively (Fig. 1).

Блок обработки сигналов выполнен в виде блока возбуждения 26 и блока обработки вторичных колебаний 27. Блок возбуждения 26 получает входной сигнал с АЦП 16 на вход 22 и подает выходные сигналы на ЦАП 14 и 15 с выходов 20 и 21 соответственно. Блок обработки вторичных колебаний 27 получает входной сигнал с АЦП 19 на вход 25 и подает выходные сигналы на ЦАП 17 и 18 с выходов 23 и 24 соответственно (фиг. 1).The signal processing unit is made in the form of an excitation unit 26 and a secondary oscillation processing unit 27. The excitation unit 26 receives an input signal from the ADC 16 to input 22 and provides output signals to the DACs 14 and 15 from outputs 20 and 21, respectively. The processing unit of the secondary oscillations 27 receives the input signal from the ADC 19 to the input 25 and supplies the output signals to the DAC 17 and 18 from the outputs 23 and 24, respectively (Fig. 1).

Емкостной сенсор первичных колебаний, преобразователь емкости в напряжение 9, АЦП 16, блок возбуждения 26, ЦАП 14 и 15, усилитель 12, сумматор 8 и электростатический микропривод первичных колебаний образуют контур возбуждения первичных колебаний ММГ.A capacitive sensor of primary vibrations, a capacitance-to-voltage converter 9, ADC 16, an excitation block 26, a DAC 14 and 15, an amplifier 12, an adder 8 and an electrostatic micro-drive of primary vibrations form an MMG primary excitation excitation circuit.

Емкостной сенсор вторичных колебаний, преобразователь емкости в напряжение 11, АЦП 19, блок обработки вторичных колебаний 27, ЦАП 17 и 18, усилитель 13, сумматор 10 и электростатический микропривод вторичных колебаний образуют контур обработки вторичных колебаний ММГ.A capacitive sensor of secondary oscillations, a capacitance to voltage converter 11, ADC 19, a secondary oscillation processing unit 27, a DAC 17 and 18, an amplifier 13, an adder 10 and an electrostatic secondary micromotor drive form a secondary oscillation processing circuit MMG.

Блок возбуждения 26 (фиг. 2) содержит фазовый детектор 33, получающий сигнал с входа 22 и передающий сигнал на интегратор 37, соединенный с цифровым синтезатором частоты 32 и блоком вычитания 31, на второй вход которого поступает сигнал с выхода задающего регистра 36. Выходной сигнал цифрового синтезатора частоты 32 поступает на входы фазового детектора 33 и блока автоматической регулировки усиления 30, получающего второй входной сигнал с входа 22 блока возбуждения 26 и передающего выходной сигнал на выход 21 блока возбуждения 26. Цифровой синтезатор частоты 32 также формирует выходные сигналы детектирования 34 и 35, необходимые для детектирования полезной и квадратурной составляющих сигнала в блоке обработки вторичных колебаний 27. Выходной сигнал детектирования 34 соответствует сигналу с фазой 90°-ϕ90, а выходной сигнал детектирования 35 - сигналу с нулевой фазой - ϕ0. Выход блока вычитания 31 присоединен к входу регулятора 29, выходной сигнал с которого передается на выход 20 блока возбуждения 26. Цифровой синтезатор частоты 32, фазовый детектор 33 и интегратор 37 образуют контур фазовой автоподстройки частоты.The excitation block 26 (Fig. 2) contains a phase detector 33 receiving a signal from input 22 and transmitting a signal to an integrator 37 connected to a digital frequency synthesizer 32 and a subtraction unit 31, to the second input of which a signal from the output of the reference register 36 is received. The output signal the digital frequency synthesizer 32 is fed to the inputs of the phase detector 33 and the automatic gain control unit 30, which receives the second input signal from the input 22 of the excitation unit 26 and transmits the output signal to the output 21 of the excitation unit 26. The digital synthesizer Note 32 also generates the output signals of the detection 34 and 35, necessary for detecting the useful and quadrature components of the signal in the processing unit of the secondary oscillations 27. The output signal of the detection 34 corresponds to the signal with the phase 90 ° -ϕ90, and the output signal of the detection 35 to the signal with the zero phase - ϕ0. The output of the subtraction unit 31 is connected to the input of the controller 29, the output signal from which is transmitted to the output 20 of the excitation unit 26. The digital frequency synthesizer 32, the phase detector 33, and the integrator 37 form a phase-locked loop.

Блок обработки вторичных колебаний 27 (фиг. 3) содержит регулятор 39, получающий входной сигнал с входа 25 и выдающий выходной сигнал на входы фазовых детекторов 41, 42 и на выход 24 блока обработки вторичных колебаний 27. Выходные сигналы фазовых детекторов 41 и 42 поступают на входы фильтров нижних частот 40 и 43 соответственно. Выход фильтра нижних частот 40 взаимодействует с входом регулятора 38, выходной сигнал с которого поступает на выход 23 блока обработки вторичных колебаний 27. Выходной сигнал фильтра нижних частот 43 поступает на выход 28 системы управления микромеханического гироскопа.The secondary vibration processing unit 27 (Fig. 3) contains a controller 39 that receives an input signal from input 25 and provides an output signal to the inputs of phase detectors 41, 42 and to output 24 of the secondary vibration processing unit 27. The output signals of phase detectors 41 and 42 are fed to inputs of low pass filters 40 and 43, respectively. The output of the low-pass filter 40 interacts with the input of the controller 38, the output signal from which is output to the output 23 of the secondary oscillation processing unit 27. The output signal of the low-pass filter 43 is fed to the output 28 of the control system of the micromechanical gyroscope.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

Частота обработки сигналов Fs блоков возбуждения 26 и обработки вторичных колебании 27 синхронна частоте АЦП 16, 19 и ЦАП 14, 15, 17, 18, а также синхронна частоте генератора "накачки" заряда 7. Частота обработки сигналов FS при этом много больше частоты собственных колебаний ЧЭ ММГ 1.The signal processing frequency F s of the excitation units 26 and the secondary oscillation processing 27 is synchronous with the frequency of the ADCs 16, 19 and the DACs 14, 15, 17, 18, and also synchronously with the frequency of the charge pump generator 7. The signal processing frequency F S is much higher than the frequency natural vibrations of the SE MMG 1.

Для преобразования емкостей сенсоров первичных и вторичных колебаний ЧЭ ММГ 1, на вход 2 ротора ЧЭ ММГ 1 с генератора "накачки" заряда 7 подается прямоугольный сигнал заданной амплитуды и частоты.To convert the capacitance of the sensors of the primary and secondary oscillations of the SE MMG 1, a rectangular signal of a given amplitude and frequency is supplied to the input 2 of the rotor of the SE MMG 1 from the “pump” generator of charge 7.

При возникновении первичных колебаний ЧЭ ММГ 1 емкостной сенсор первичных колебаний подает сигнал на выход 4, который в преобразователе 9 преобразуется в напряжение, поступающее в АЦП 16. Затем сигнал с выхода АЦП 16 поступает на вход 22 блока возбуждения 26.When primary oscillations occur, the EM MMG 1 capacitive sensor of the primary oscillations supplies a signal to output 4, which in the converter 9 is converted to a voltage supplied to the ADC 16. Then the signal from the output of the ADC 16 is fed to the input 22 of the excitation block 26.

С входа 22 цифровой сигнал поступает в контур фазовой автоподстройки частоты, образованный фазовым детектором 33, интегратором 37 и цифровым синтезатором частоты 32, баланс наступает на частоте резонанса первичных колебаний ЧЭ ММГ 1, благодаря чему обеспечивается резонансное возбуждение первичных колебаний ЧЭ ММГ. Блок автоматической регулировки усиления 30 осуществляет изменение амплитуды сигнала возбуждения таким образом, чтобы амплитуда сигнала, фиксируемого на входе 22, оставалась постоянной. В режиме установившихся колебаний цифровой код на выходе интегратора 37 будет пропорционален частоте первичных колебаний ММГ в соответствии с формулой:From input 22, a digital signal enters the phase-locked loop formed by a phase detector 33, an integrator 37, and a digital frequency synthesizer 32, balance occurs at the resonance frequency of the primary vibrations of the EM MMG 1, which ensures resonant excitation of the primary vibrations of the EM MMG. The automatic gain control unit 30 changes the amplitude of the excitation signal so that the amplitude of the signal recorded at input 22 remains constant. In the mode of steady-state oscillations, the digital code at the output of the integrator 37 will be proportional to the frequency of the primary oscillations of the MMG in accordance with the formula:

Figure 00000001
Figure 00000001

где FММГ1 - частота первичных колебаний ММГ,where F MMG1 - the frequency of primary oscillations of MMG,

FS - частота обработки сигналов.F S - signal processing frequency.

n - разрядность внутреннего регистра синтезатора частоты.n is the capacity of the internal register of the frequency synthesizer.

Блок вычитания 31 обеспечивает вычитание из значения частоты колебаний Н значение, хранящееся в памяти задающего регистра 36. Выход блока вычитания 31 соединен с входом регулятора 29. который формирует сигнал подстройки частоты первичных колебаний. Сигнал подстройки частоты первичных колебаний с выхода 20 блока возбуждения 26 через ЦАП 14 и усилитель 12 совместно с сигналом с выхода 21 блока возбуждения 26, проходящим через ЦАП 15, сумматором 8 преобразуются в напряжение подставки на входе 3 электростатического микропривода первичных колебаний. Напряжение подставки благодаря эффекту отрицательной жесткости уменьшает собственную частоту первичных колебаний ММГ. Процесс подстройки устанавливается, когда сигнал на входе регулятора 29 становится равным нулю, т.е. значение, заданное в регистре 36, становится равным значению на выходе интегратора 37, которое в свою очередь пропорционально значению частоты первичных колебаний в соответствии с вышеприведенной формулой. Таким образом, изменяя значение кода в задающем регистре 36, можно изменять частоту первичных колебаний ЧЭ ММГ 1.The subtraction unit 31 provides a subtraction from the value of the oscillation frequency H the value stored in the memory of the master register 36. The output of the subtraction unit 31 is connected to the input of the controller 29. which generates a signal for adjusting the frequency of the primary oscillations. The signal for adjusting the frequency of the primary oscillations from the output 20 of the excitation block 26 through the DAC 14 and the amplifier 12 together with the signal from the output 21 of the excitation block 26 passing through the DAC 15, by the adder 8 are converted to the stand voltage at the input 3 of the primary electrostatic micro-drive of the primary oscillations. The voltage of the stand due to the effect of negative rigidity reduces the natural frequency of the primary oscillations of the MMG. The tuning process is established when the signal at the input of the controller 29 becomes equal to zero, i.e. the value specified in the register 36 becomes equal to the value at the output of the integrator 37, which in turn is proportional to the value of the frequency of the primary oscillations in accordance with the above formula. Thus, changing the value of the code in the master register 36, you can change the frequency of the primary oscillations of the SE MMG 1.

Для синхронизации частоты первичных колебаний ММГ с частотой обработки сигналов FS с целью точного детектирования сигналов, на половине периода первичных колебаний ММГ должно укладываться равное количество периодов сигнала синхронизации FS, но не менее двух. Тогда значения, задаваемые в регистре 36, должны соответствовать формуле:To synchronize the frequency of the primary oscillations of the MMG with the frequency of the processing of the signals F S in order to accurately detect the signals, half the period of the primary oscillations of the MMG should fit an equal number of periods of the synchronization signal F S , but not less than two. Then the values specified in register 36 must correspond to the formula:

Figure 00000002
Figure 00000002

где Npег - значение в задающем регистре 36, соответствующее условию синхронизации,where N peg is the value in the master register 36 corresponding to the synchronization condition,

n - разрядность внутреннего регистра синтезатора частоты,n is the capacity of the internal register of the frequency synthesizer,

N - коэффициент кратности, показывающий сколько периодов тактовой частоты Fs укладывается на половине периода первичных колебаний ММГ. (N=2, 3, 4 …)N is the coefficient of multiplicity, showing how many periods of the clock frequency Fs fit on half the period of primary oscillations of MMG. (N = 2, 3, 4 ...)

Задающий регистр 36 может быть реализован как набор заранее заданных значений в соответствии с формулой, а подбор значения в регистре 36 может осуществляться автоматически по значению на выходе регулятора 38.The master register 36 can be implemented as a set of predefined values in accordance with the formula, and the selection of the value in the register 36 can be carried out automatically by the value at the output of the controller 38.

Таким образом, в устройстве обеспечивается синхронная подстройка частоты первичных колебаний кратно частоте обработки сигналов. Благодаря этому достигается высокая точность детектирования и как следствие снижение уровня дрейфа гироскопа. Кроме того, использование стабильных источников частоты FS обеспечивает стабильность и низкую зависимость от температуры частоты первичных колебаний ММГ, что также повышает точность измерений.Thus, the device provides a synchronous adjustment of the frequency of the primary oscillations in multiples of the signal processing frequency. Due to this, high detection accuracy is achieved and, as a consequence, a decrease in the level of gyro drift. In addition, the use of stable sources of frequency F S provides stability and low temperature dependence of the frequency of primary oscillations of MMG, which also increases the accuracy of measurements.

При возникновении вторичных колебаний ЧЭ ММГ 1 емкостной сенсор вторичных колебаний подает сигнал на выход 6, который в преобразователе 11 преобразуется в напряжение, поступающее в АЦП 19. Затем сигнал с выхода АЦП 19 поступает на вход 25 блока обработки вторичных колебаний 27.When secondary oscillations occur, the EM MMG 1 capacitive sensor of the secondary oscillations supplies a signal to output 6, which in the converter 11 is converted to a voltage supplied to the ADC 19. Then the signal from the output of the ADC 19 is fed to input 25 of the secondary oscillation processing unit 27.

С входа 25 цифровой сигнал поступает на регулятор 39, образующий компенсационную обратную связь в контуре вторичных колебаний. На выходе регулятора 39 с помощью фазовых детекторов 41, 42 и формируемых цифровым синтезатором частот 32 вспомогательных входных сигналов ϕ90 (34) и ϕ0 (35) осуществляется детектирование квадратурной и полезной составляющих сигнала. Полезная составляющая через фильтр нижних частот 43 поступает на выход 28 и фиксируется в цифровом виде. Квадратурная составляющая через фильтр нижних частот 40 поступает на вход регулятора 38, который формирует сигнал подстройки частоты вторичных колебаний. Сигнал подстройки частоты вторичных колебаний с выхода 23 блока обработки вторичных колебаний 27 через ЦАП 17 и усилитель 13 совместно с сигналом с выхода 24 блока обработки вторичных колебаний 27, проходящим через ЦАП 18, сумматором 10 преобразуются в напряжение подставки на входе 5 электростатического микропривода вторичных колебаний. Напряжение подставки благодаря эффекту отрицательной жесткости уменьшает собственную частоту вторичных колебаний. Значение квадратурной составляющей зависит от степени рассогласования частот первичных и вторичных колебаний. Благодаря введенному контуру регулирования собственная частота вторичных колебаний точно подстраивается под частоту первичных колебаний, а квадратурная составляющая становится равной нулю.From input 25, a digital signal is supplied to controller 39, which forms compensatory feedback in the secondary oscillation circuit. At the output of the controller 39, with the help of phase detectors 41, 42 and 32 auxiliary input signals ϕ90 (34) and ϕ0 (35) generated by the digital synthesizer, the quadrature and useful signal components are detected. The useful component through the low-pass filter 43 is supplied to the output 28 and is fixed in digital form. The quadrature component through the low-pass filter 40 is fed to the input of the controller 38, which generates a signal for adjusting the frequency of the secondary oscillations. The signal for adjusting the frequency of the secondary oscillations from the output 23 of the secondary oscillation processing unit 27 through the DAC 17 and the amplifier 13 together with the signal from the output 24 of the secondary oscillation processing unit 27 passing through the DAC 18, by the adder 10 are converted to the stand voltage at the input 5 of the secondary electrostatic microdrive. The voltage of the stand due to the effect of negative stiffness reduces the natural frequency of the secondary vibrations. The value of the quadrature component depends on the degree of mismatch of the frequencies of the primary and secondary oscillations. Thanks to the introduced control loop, the natural frequency of the secondary oscillations is precisely adjusted to the frequency of the primary oscillations, and the quadrature component becomes equal to zero.

Таким образом, в системе управления микромеханического гироскопа достигается согласование собственных частот первичных и вторичных колебаний с тактовой частотой работы схемы. За счет этого увеличивается точность детектирования сигналов, компенсируется квадратурная составляющая и как следствие уменьшается дрейф выходного сигнала и увеличивается точность преобразований.Thus, in the control system of the micromechanical gyroscope, coordination of the eigenfrequencies of the primary and secondary oscillations with the clock frequency of the circuit is achieved. Due to this, the accuracy of signal detection increases, the quadrature component is compensated, and as a result, the drift of the output signal decreases and the accuracy of the transforms increases.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:Thus, the above information indicates the fulfillment of the following set of conditions when using the claimed invention:

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для управления и обработки сигналов ММГ;- a tool embodying the claimed invention in its implementation, is intended for control and processing of MMG signals;

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления;- for the claimed device in the form as it is described in the independent claim, the possibility of its implementation is confirmed;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при осуществлении, способно обеспечить повышение точности и стабильности микромеханического гироскопа, а также низкое влияние температуры.- the tool embodying the claimed invention in the implementation, is able to provide increased accuracy and stability of the micromechanical gyroscope, as well as low temperature effect.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims (1)

Система управления микромеханического гироскопа, содержащая блок преобразования сигналов, состоящий из аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей и взаимодействующий с блоком обработки сигналов, отличающаяся тем, что блок обработки сигналов выполнен в виде блока возбуждения и блока обработки вторичных колебаний, а блок преобразования сигналов оснащен усилителями выходных сигналов цифро-аналоговых преобразователей, получающих сигналы с блока возбуждения и блока обработки вторичных колебаний, и сумматорами, получающими аналоговые сигналы с усилителей выходных сигналов и блоков возбуждения и обработки вторичных колебаний.A micromechanical gyroscope control system comprising a signal conversion unit consisting of analog-to-digital and digital-to-analog converters and interacting with a signal processing unit, characterized in that the signal processing unit is designed as an excitation unit and a secondary oscillation processing unit, and the signal conversion unit is equipped amplifiers of the output signals of digital-to-analog converters receiving signals from the excitation unit and the processing unit of the secondary oscillations, and adders receiving analog signals from amplifiers of output signals and excitation and processing units of secondary oscillations.
RU2018138598A 2018-10-31 2018-10-31 Micromechanical gyro control system RU2697031C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018138598A RU2697031C1 (en) 2018-10-31 2018-10-31 Micromechanical gyro control system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018138598A RU2697031C1 (en) 2018-10-31 2018-10-31 Micromechanical gyro control system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2697031C1 true RU2697031C1 (en) 2019-08-08

Family

ID=67586716

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018138598A RU2697031C1 (en) 2018-10-31 2018-10-31 Micromechanical gyro control system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2697031C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6276204B1 (en) * 1997-09-18 2001-08-21 Bae Systems Plc Digital control system for a vibrating structure gyroscope
RU2289100C1 (en) * 2005-10-11 2006-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method of measuring angular velocity and micrometric gyroscope
RU2296301C1 (en) * 2005-09-23 2007-03-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method and device for measuring movement of movable mass of micro-mechanical gyroscope along axis of secondary oscillations
RU2301970C1 (en) * 2006-01-20 2007-06-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Micro-mechanical vibration gyroscope
RU2308682C1 (en) * 2006-05-23 2007-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method of adjusting resonance frequency of suspension of movable mass of gyroscope
US20110197676A1 (en) * 2008-10-22 2011-08-18 Vincent Ragot Method for controlling a sensor with a quick-start vibrating resonator
GB2531723A (en) * 2014-10-27 2016-05-04 Atlantic Inertial Systems Ltd Digital controlled VCO for vibrating structure gyroscope

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6276204B1 (en) * 1997-09-18 2001-08-21 Bae Systems Plc Digital control system for a vibrating structure gyroscope
RU2296301C1 (en) * 2005-09-23 2007-03-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method and device for measuring movement of movable mass of micro-mechanical gyroscope along axis of secondary oscillations
RU2289100C1 (en) * 2005-10-11 2006-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method of measuring angular velocity and micrometric gyroscope
RU2301970C1 (en) * 2006-01-20 2007-06-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Micro-mechanical vibration gyroscope
RU2308682C1 (en) * 2006-05-23 2007-10-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" Method of adjusting resonance frequency of suspension of movable mass of gyroscope
US20110197676A1 (en) * 2008-10-22 2011-08-18 Vincent Ragot Method for controlling a sensor with a quick-start vibrating resonator
GB2531723A (en) * 2014-10-27 2016-05-04 Atlantic Inertial Systems Ltd Digital controlled VCO for vibrating structure gyroscope

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10359285B2 (en) Angular velocity sensor and method for correcting angular velocity sensor
EP1015849B1 (en) A digital control system for a vibrating structure gyroscope
US9003883B2 (en) Angular velocity sensor and synchronous detection circuit used therein
EP2572163B1 (en) Angular velocity sensor with quadrature rejection
EP2466257A1 (en) Method for matching the natural frequencies of the drive and sense oscillators in a vibrating coriolis gyroscope
Langfelder et al. Frequency modulated MEMS gyroscopes: Recent developments, challenges and outlook
Miyazaki et al. A 0.1 DEG/H Module-Level Silicon Mems Rate Integrating Gyroscope Using Virtually Rotated Donut-Mass Structure and Demonstration of the Earth's Rotation Detection
US9575089B1 (en) Adaptive phase delay adjustment for MEMS sensors
RU2697031C1 (en) Micromechanical gyro control system
JP5684374B2 (en) Angular velocity sensor with improved aging characteristics
EP3213030B1 (en) Digital controlled vco for vibrating structure gyroscope
CN115655251A (en) Digital frequency tracking and synchronous sampling control system for resonant gyroscope
RU2308682C1 (en) Method of adjusting resonance frequency of suspension of movable mass of gyroscope
RU2708907C1 (en) Solid-state wave gyroscope
Saukoski et al. Readout and control electronics for a microelectromechanical gyroscope
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
RU2714955C1 (en) Method for compensation of in-phase interference in micromechanical gyroscope
US20220412739A1 (en) Driving circuit for controlling a mems oscillator of resonant type
RU2686441C1 (en) Micromechanical gyroscope
RU2282152C1 (en) Device for converting signal from micromechanical vibration gyroscope
US20230213340A1 (en) Sensor system and method for compensating for an offset of an angular rate signal
CN117606514A (en) Driving method and device based on silicon micromechanical gyroscope
KR20220153498A (en) Synchronous timing to MEMS resonant frequency
JP2011153880A (en) Angular velocity sensor
JP2014021092A (en) Angular velocity sensor