МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП

Изобретение относится к гироскопам вибрационного типа, в частности к микромеханическим гироскопам, которые предназначены для измерения угловой скорости движения основания.

Известен микромеханический гироскоп [RU №2279634, МПК G01C 19/56, опубл. 10.07.2006], с непрерывной стабилизацией первичных колебаний за счет использования системы фазовой автоподстройки частоты, длительными переходными процессами и как следствие обладающий невысоким быстродействием. Термозависимые характеристики системы фазовой автоподстройки частоты уменьшают стабильность амплитуды, частоты первичных колебаний и, как следствие, стабильность масштабного коэффициента микромеханического гироскопа.

Из патента RU №2656119 [МПК G01C 19/56 опубл. 30.05.2018], известен микромеханический гироскоп (прототип) который содержит подвижную массу на двухосном резонансном подвесе, неподвижное основание, подвижные и неподвижные электроды, образующие гребенчатый двигатель по оси возбуждения колебаний, подвижные и неподвижные электроды, расположенные по оси измерения выходного сигнала и образующие емкостной датчик, к выходу которого подключена система съема выходной информации, систему возбуждения и стабилизации первичных колебаний. Система возбуждения и стабилизации первичных колебаний микромеханического гироскопа содержит подвижные электроды двух конденсаторов гребенчатого двигателя, соединенные в общей точке, к которой последовательно подключены преобразователь ток-напряжение, синхронный детектор, фильтр нижних частот, аналого-цифровой преобразователь и микроконтроллер, который соединен с первым, вторым и третьим цифро-аналоговыми преобразователями. Выход первого цифро-аналогового преобразователя соединен со вторым входом синхронного детектора. Выход второго цифро-аналогового преобразователя через первый усилитель подключен к неподвижным электродам первого конденсатора гребенчатого двигателя. Выход третьего цифро-аналогового преобразователя подсоединен через второй усилитель к неподвижным электродам второго конденсатора гребенчатого двигателя.

К достоинствам прототипа следует отнести стабильность масштабного коэффициента, увеличенную за счет использования в системе возбуждения и стабилизации первичных колебаний синхронного детектирования синфазной и квадратурной составляющих в суммарном токе, протекающем через электроды гребенчатого двигателя, с последующим расчетом собственной резонансной частоты первичных колебаний микромеханического гироскопа. Существенным недостатком прототипа является двухтактная реализация возбуждения и стабилизации первичных колебаний, следствием чего является недостаточно высокое быстродействие и точность стабилизации частоты первичных колебаний.

Технической проблемой, которую решает данное изобретение, является повышение быстродействия микромеханического гироскопа.

Технический результат достигается тем что, в микромеханическом гироскопе, содержащем подвижную массу на двухосном резонансном подвесе, неподвижное основание, подвижные и неподвижные электроды, образующие гребенчатый двигатель по оси возбуждения колебаний, подвижные и неподвижные электроды, расположенные по оси измерения выходного сигнала и образующие емкостной датчик, к выходу которого подключена система съема выходной информации, систему возбуждения и стабилизации первичных колебаний, состоящую из подвижных электродов двух конденсаторов гребенчатого двигателя, соединенных в общей точке, и последовательно подключенного к ним преобразователя ток-напряжение, а также синхронного детектора, фильтра нижних частот, аналого-цифрового преобразователя, микроконтроллера и усилителя, в системе возбуждения и стабилизации первичных колебаний к преобразователю ток-напряжение параллельно подключены первый синхронный детектор и второй синхронный детектор, которые через первый фильтр нижних частот и первый аналого-цифровой преобразователь, и второй фильтр нижних частот и второй аналого-цифровой преобразователь, соответственно, соединены с микроконтроллером, выходы которого соединены с первым, со вторым, с третьим и с четвертым цифро-аналоговыми преобразователями, при этом выход первого цифро-аналогового преобразователя соединен со вторым входом первого синхронного детектора, выход второго цифро-аналогового преобразователя соединен со вторым входом второго синхронного детектора, выход третьего цифро-аналогового преобразователя соединен через первый усилитель с неподвижным электродом первого конденсатора гребенчатого двигателя, выход четвертого цифро-аналогового преобразователя соединен через второй усилитель с неподвижным электродом второго конденсатора гребенчатого двигателя микромеханического гироскопа.

Использование в микромеханическом гироскопе в системе возбуждения и стабилизации первичных колебаний двух ветвей: синхронный детектор - фильтр нижних частот - аналого-цифровой преобразователь для синхронного детектирования синфазной и квадратурной составляющих в суммарном токе, протекающем через электроды гребенчатого двигателя, с последующим расчетом собственной резонансной частоты первичных колебаний микромеханического гироскопа, позволяет за один такт измерений реализовать возбуждение и стабилизацию первичных колебаний, что увеличивает быстродействие работы микромеханического гироскопа в два раза.

Изобретение поясняется следующими чертежами. На Фиг. 1 изображена конструкция микромеханического гироскопа. На Фиг. 2 представлена структурная схема системы возбуждения и стабилизации первичных колебаний микромеханического гироскопа. Микромеханический гироскоп содержит подвижную массу 1, выполненную в виде диска, который подвижен относительно основания 2. Подвижная масса 1 установлена на основании с помощью упругих элементов 3. Упругие элементы 3 жестко прикреплены одними концами к подвижной массе 1, а другими концами - к основанию 2. Упругие элементы 3 размещены в микромеханическом гироскопе с возможностью совершения угловых первичных колебаний подвижной массы 1 вокруг оси Z, перпендикулярной плоскости подвижной массы и вторичных колебаний подвижной массы вокруг осей X и Y в плоскости подвижной массы. На основании 2 с противоположных сторон закреплены неподвижные электроды 4, образующие с электродами, закрепленными на нижней поверхности подвижной массы 1, плоские конденсаторы, которые являются емкостными датчиками вторичных угловых колебаний подвижной массы 1 относительно основания 2. К выходу емкостного датчика подключена система съема выходной информации.

На подвижной массе 1 с двух противоположных сторон выполнены подвижные гребенчатые электроды 5, 6, образующие с неподвижными гребенчатыми электродами 7, 8 соответственно конденсаторы 9, 10 (Фиг. 2) электростатического гребенчатого двигателя.

Подвижные электроды 5, 6 конденсаторов 9, 10 гребенчатого двигателя соединены между собой в общей точке, к которой последовательно подключен преобразователь ток-напряжение 11 (ПТН). Преобразователь ток-напряжение 11 (ПТН) последовательно через первый синхронный детектор 12 (СД1), первый фильтр нижних частот 13 (ФНЧ1), первый аналого-цифровой преобразователь 14 (АЦП1) соединен с микроконтроллером 15 (МК), так же преобразователь ток-напряжение 11 (ПТН) последовательно через второй синхронный детектор 16 (СД2), второй фильтр нижних частот 17 (ФНЧ2), второй аналого-цифровой преобразователь 18 (АЦП2) соединен с микроконтроллером 15 (МК). Микроконтроллер 15 (МК) соединен с первым цифро-аналоговым преобразователем 19 (ЦАП1), со вторым цифро-аналоговым преобразователем 20 (ЦАП2), с третьим цифро-аналоговым преобразователем 21 (ЦАП3) и с четвертым цифро-аналоговым преобразователем 22 (ЦАП4). Выход первого цифро-аналогового преобразователя 19 (ЦАП1) соединен со вторым входом первого синхронного детектора 12 (СД1). Выход второго цифро-аналогового преобразователя 20 (ЦАП2) соединен со вторым входом второго синхронного детектора 16 (СД2). Выход третьего цифро-аналогового преобразователя 21 (ЦАП3) подсоединен через первый усилитель 23 (У1) к неподвижным электродам 7 конденсатора 9 гребенчатого двигателя. Выход четвертого цифро-аналогового преобразователя 22 (ЦАП4) подсоединен через второй усилитель 24 (У2) неподвижным электродам 8 конденсатора 10 гребенчатого двигателя микромеханического гироскопа.

Преобразователь ток-напряжение 11 (ПТН) может быть выполнен по типовой схеме преобразователя ток-напряжение на операционном усилителе. В качестве синхронных детекторов 12 (СД1) и 16 (СД2) могут использоваться любые аналоговые перемножители, например, AD734. Фильтры нижних частот 13 (ФНЧ1) и 17 (ФНЧ2) могут быть выполнены по схеме активного фильтра Бесселя нижних частот третьего порядка на частоту среза 0,1 Гц. В качестве аналого-цифровых преобразователей 14 (АЦП1) и 18 (АЦП2) могут быть использованы любые сигма-дельта аналого-цифровые преобразователи. Может быть использован любой 32-битный микроконтроллер 15 (МК). В качестве цифро-аналоговых преобразователей 19 (ЦАП1), 20 (ЦАП2), 21 (ЦАП3) и 22 (ЦАП4) могут быть использованы любые 14-битный цифро-аналоговые преобразователи с частотой дискретизации не менее, чем в 100 раз больше частоты возбуждения первичных колебаний микромеханического гироскопа. Усилители 23 (У1) и 24 (У2) могут выполнены на любых операционных усилителях, например, ОР270.

Устройство работает следующим образом.

Микроконтроллер 15 (МК) через интерфейс устанавливает выходные параметры первого цифро-аналогового преобразователя 19 (ЦАП1) по закону:

где U_rm - амплитуда напряжения на выходе первого цифро-аналогового преобразователя 19 (ЦАП1), В; ω - частота напряжения, рад/с.

Одновременно микроконтроллер 15 (МК) через интерфейс устанавливает выходные параметры второго цифро-аналогового преобразователя 20 (ЦАП2) по закону:

третьего цифро-аналогового преобразователя 21 (ЦАП3) по закону:

четвертого цифро-аналогового преобразователя 22 (ЦАП4) по закону:

где U_m - амплитуда напряжения, В; U₀ - постоянное напряжение смещения, В.

Напряжение U₁(t) с выхода третьего цифро-аналогового преобразователя 21 (ЦАП3) поступает на вход первого усилителя 23 (У1) и усиливается. Усиленное напряжение U₁(t) с выхода первого усилителя 23(У1) поступает на конденсатор 9 гребенчатого двигателя микромеханического гироскопа. На конденсатор 10 гребенчатого двигателя микромеханического гироскопа поступает напряжение с выхода четвертого цифро-аналогового преобразователя 22 (ЦАП4), усиленное вторым усилителем 24 (У2). В результате, через конденсаторы 9, 10 гребенчатого двигателя начинает протекать ток, который поступает на вход преобразователя ток-напряжение 11 (ПТН) и преобразуется в пропорциональное напряжение. Напряжение с выхода преобразователя ток-напряжение 11 (ПТН) поступает на первый вход первого синхронного детектора 12 (СД1), на второй вход которого поступает напряжение с первого цифро-аналогового преобразователя 9 (ЦАП1). Напряжение с выхода синхронного детектора 12 (СД) фильтруется первым фильтром нижних частот 13 (ФНЧ1) и оцифровывается первым аналого-цифровым преобразователем 14 (АЦП1). Оцифрованное напряжение U_p, пропорциональное синфазной составляющей суммарного тока, протекающего через конденсаторы 9 и 10 гребенчатого двигателя, передается и запоминается в микроконтроллере 15 (МК).

Параллельно напряжение с выхода преобразователя ток-напряжение 11 (ПТН) поступает на первый вход второго синхронного детектора 16 (СД2), на второй вход которого поступает напряжение со второго цифро-аналогового преобразователя 20 (ЦАП2). Напряжение с выхода второго синхронного детектора 16 (СД2) фильтруется вторым фильтром нижних частот 17 (ФНЧ2) и оцифровывается вторым аналого-цифровым преобразователем 18 (АЦП2). Оцифрованное напряжение U_q, пропорциональное квадратурной составляющей суммарного тока, протекающего через конденсаторы 9 и 10 гребенчатого двигателя, передается и запоминается в микроконтроллере 15 (МК).

Микроконтроллер 15 (МК) рассчитывает фазовый сдвиг ϕ в суммарном токе, протекающем через конденсаторы 9 и 10 гребенчатого двигателя, по формуле:

где U₁ - напряжение с выхода преобразователя ток-напряжение, В; Е - значение деноминатора, В; Т - время интегрирования, с.

Если фазовый сдвиг не равен 90°, что соответствует максимальной амплитуде первичных колебаний микромеханического гироскопа, то микроконтроллер 15 (МК) рассчитывает собственную резонансную частоту сор первичных колебаний микромеханического гироскопа по формуле:

где Q - значение добротности канала первичных колебаний микромеханического гироскопа.

Затем микроконтроллер 15 (МК) через интерфейс изменяет значение частоты со на выходе третьего цифро-аналогового преобразователя 21 (ЦАП3) и четвертого цифро-аналогового преобразователя 22 (ЦАП4) на рассчитанное значение собственной резонансной частоты первичных колебаний микромеханического гироскопа.

Таким образом, за один такт измерений происходит возбуждение и стабилизация первичных колебаний микромеханического гироскопа вокруг оси Z.

При возникновении вращения (угловой скорости) основания 2 вокруг осей X и Y возникают силы Кориолиса, под действием которых подвижная масса 1 начинает совершать вторичные угловые колебания вокруг осей X и Y. Амплитуды этих колебаний, пропорциональные измеряемым угловым скоростям, преобразуются в электрические сигналы при помощи емкостных датчиков, образованных неподвижными пластинами 4, закрепленными на основании 2 и подвижными пластинами, закрепленными на нижней поверхности подвижной массы 1.