FR3098295A1 - Improved inertial sensor - Google Patents
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Abstract
Procédé (100) de détermination d’une commande de quadrature (CTq) et d’une commande de fréquence (CTf) d’une onde de vibration générée par un résonateur (Res) d’un capteur angulaire inertiel (10), le procédé comprenant les étapes consistant à : -A déterminer l’angle électrique (θ), -B estimer des premières valeurs (Kq’, ΔK’) des raideurs de quadrature et d’égalisation à partir respectivement d’un premier (TrimQ) et d’un deuxième (TrimF) asservissement, lesdites premières valeurs étant estimées dans le repère onde X’Y’, -C déterminer des deuxièmes valeurs (Kq, ΔK) des raideurs de quadrature et d’égalisation dans le repère capteur XY, à partir des premières valeurs desdites raideurs (Kq’,ΔK’) estimées à l’étape B, -D déterminer la commande de quadrature (CTq) et la commande de fréquence (CTf) correspondant respectivement auxdites deuxièmes valeurs (Kq, ΔK) déterminées à l’étape C, -E appliquer la commande de fréquence (CTf) et la commande de quadrature(CTq) déterminées à l’étape D. Figure pour l’abrégé : Fig. 5A method (100) for determining a quadrature command (CTq) and a frequency command (CTf) of a vibration wave generated by a resonator (Res) of an inertial angular sensor (10), the method comprising the steps of: -A determining the electrical angle (θ), -B estimating first values (Kq ', ΔK') of the quadrature and equalization stiffnesses from a first (TrimQ) and d respectively 'a second (TrimF) slaving, said first values being estimated in the wave frame X'Y', -C determine second values (Kq, ΔK) of the quadrature and equalization stiffnesses in the sensor frame XY, from the first values of said stiffnesses (Kq ', ΔK') estimated in step B, -D determine the quadrature command (CTq) and the frequency command (CTf) corresponding respectively to said second values (Kq, ΔK) determined at l ' step C, -E apply the frequency command (CTf) and the quadrature command (CTq) determined in step D. e for the abstract: Fig. 5
Description
DOMAINE DE L’INVENTIONFIELD OF THE INVENTION
Le domaine de l’invention est celui des capteurs inertiels vibrant dans lesquels deux masses sont mises en vibration. Plus particulièrement l’invention concerne des capteurs inertiels de type MEMs présentant une structure plane, typiquement micro usinés dans une plaque de support.The field of the invention is that of vibrating inertial sensors in which two masses are vibrated. More particularly, the invention relates to inertial sensors of the MEMs type having a planar structure, typically micro-machined in a support plate.
ETAT DE LA TECHNIQUESTATE OF THE ART
Les capteurs inertiels à diapason sont connus de l’homme de l’art. Les capteurs inertiel micro-usinés dans une plaque mince plane, permettant la mesure d’une positon angulaire (gyroscope) ou d’une vitesse angulaire (gyromètres) sont décrits dans le document EP2960625. On en rappelle ci-dessous les principales caractéristiques.Tuning fork inertial sensors are known to those skilled in the art. Inertial sensors micro-machined in a thin flat plate, allowing the measurement of an angular position (gyroscope) or an angular speed (gyrometers) are described in the document EP2960625. We recall the main characteristics below.
La fabrication de ces capteurs micro-usinés dits encore capteurs à MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) utilise des techniques de micro-usinage collectif, gravure, dépôts dopage, etc., semblables à celles qui sont utilisées pour la fabrication de circuits intégrés électroniques, permettant des faibles coûts de production.The manufacture of these micro-machined sensors, also known as MEMS (Micro-Electro-Mechanical-Systems) sensors, uses collective micro-machining techniques, etching, doping deposits, etc., similar to those used for the manufacture of circuits integrated electronics, allowing low production costs.
Ces capteurs sont constitués de deux masses mobiles vibrantes M1 et M2 illustrées
Cette architecture forme un système résonnant à deux masses couplées entre elles par l’accélération de Coriolis. Lorsque le gyromètre tourne autour de l’axe Z perpendiculaire au plan XY dénommé axe sensible la composition de la vibration forcée avec le vecteur de rotation angulaire engendre, par effet Coriolis, des forces qui mettent les masses mobiles en vibration naturelle perpendiculairement à la vibration d’excitation et à l’axe sensible ; l’amplitude de la vibration naturelle est proportionnelle à la vitesse de rotation. L'électronique associée au capteur calcule l'amplitude de la vibration selon la direction orthogonale à la direction d'excitation quelle que soit celle-ci (connue par hypothèse).This architecture forms a resonant system with two masses coupled together by the Coriolis acceleration. When the gyrometer rotates around the Z axis perpendicular to the XY plane called the sensitive axis, the composition of the forced vibration with the angular rotation vector generates, by Coriolis effect, forces which put the mobile masses in natural vibration perpendicular to the vibration d excitation and sensitive axis; the amplitude of the natural vibration is proportional to the speed of rotation. The electronics associated with the sensor calculate the amplitude of the vibration according to the direction orthogonal to the direction of excitation whatever the latter (known by hypothesis).
Le capteur peut fonctionner en mode gyromètre : la direction de vibration naturelle est maintenue fixe par rapport au boîtier du capteur en modifiant l'excitation et l'information de sortie est alors une image de l'énergie nécessaire qu'il faut appliquer aux transducteurs d'excitation pour maintenir fixe la direction de vibration naturelle malgré les mouvements du boîtier. La mesure de cette contre force donne accès à la vitesse angulaire Ωdu capteur. Le capteur peut aussi fonctionner en mode gyroscope : la direction de la vibration naturelle est laissée libre et est détectée pour donner l'orientation angulaire du capteur.The sensor can operate in gyrometer mode: the direction of natural vibration is kept fixed relative to the sensor case by modifying the excitation and the output information is then an image of the necessary energy that must be applied to the transducers. excitation to keep the direction of natural vibration fixed despite the movements of the case. The measurement of this counterforce gives access to the angular speed Ωof the sensor. The sensor can also operate in gyroscope mode: the direction of the natural vibration is left free and is detected to give the angular orientation of the sensor.
Le mode gyromètre présente les avantages suivants : (i) ne pas avoir de bruit angulaire, plus exactement d’erreur d’angle liée à la position de la vibration et (ii) ne pas avoir de variations d’erreurs de vitesse angulaire (dérive) liées à l’angle (par définition car on garde un angle constant par rapport au repère du gyromètre).The gyrometer mode has the following advantages: (i) there is no angular noise, more precisely no angle error linked to the position of the vibration and (ii) there are no variations in angular speed errors (drift ) related to the angle (by definition because we keep a constant angle with respect to the reference of the gyrometer).
Le mode gyroscope présente les avantages suivants : (i) avoir une erreur de facteur d’échelle très réduite par rapport au mode gyromètre et (ii) avoir une dynamique de fonctionnement très élevée.The gyroscope mode has the following advantages: (i) having a very reduced scale factor error compared to the gyrometer mode and (ii) having a very high operating dynamics.
L’ensemble de la structure du résonateur est axisymétrique autour de deux axes X et Y définissant un repère capteur tel qu’illustré
Pour exciter le mode de vibration utile dans une direction donnée quelconque du plan, on décompose le signal d'excitation en deux composantes d'amplitudes respectives ajustées, appliquées respectivement au transducteur d'excitation Ex agissant selon la direction X et au transducteur d'excitation Ey agissant selon la direction Y associés à au moins une masse mobile (masse interne M1 sur la
On détecte les mouvements de l’onde résultante en combinant l'information recueillie par au moins une paire de transducteurs de détection Dx, Dy récupérant la position de la masse dans sa course dans le repère capteur XY (deux de chaque sur la
Les transducteurs sont préférentiellement réalisés par des électrodes en peigne interdigités à variation d’entrefer. Il y a un peigne fixe dont les dents sont solidaires d'une électrode fixe de la plaque usinée et un peigne mobile dont les dents, interdigitées avec les dents du peigne fixe, sont solidaires de la masse mobile associée au transducteur considéré.The transducers are preferably made by interdigital comb electrodes with air gap variation. There is a fixed comb whose teeth are integral with a fixed electrode of the machined plate and a mobile comb whose teeth, interdigitated with the teeth of the fixed comb, are integral with the mobile mass associated with the transducer considered.
L'excitation consiste à appliquer une tension alternative entre le peigne mobile et le peigne fixe, à la fréquence de vibration souhaitée (fréquence de résonance mécanique de la masse mobile suspendue). Le mouvement engendré est perpendiculaire aux dents du peigne.The excitation consists in applying an alternating voltage between the mobile comb and the fixed comb, at the desired vibration frequency (mechanical resonance frequency of the suspended mobile mass). The movement generated is perpendicular to the teeth of the comb.
La détection consiste à appliquer une tension de polarisation entre le peigne fixe et le peigne mobile et à observer les variations de charge qui résultent des variations de capacité entre le peigne fixe et le peigne mobile dues aux variations d'espacement entre les dents du peigne fixe et du peigne mobile. Le mouvement mesuré est le mouvement perpendiculaire aux dents du peigne.The detection consists in applying a bias voltage between the fixed comb and the mobile comb and in observing the variations in charge which result from the variations in capacitance between the fixed comb and the mobile comb due to the variations in spacing between the teeth of the fixed comb. and moving comb. The movement measured is the movement perpendicular to the teeth of the comb.
Il est bien connu de l’homme de l’art que les imperfections de réalisation du capteur conduisent à des erreurs sur les informations délivrées en sortie de celui-ci. La plupart de ces imperfections doivent être compensées par un équilibrage du gyromètre.It is well known to those skilled in the art that imperfections in the production of the sensor lead to errors in the information delivered at the output thereof. Most of these imperfections must be compensated for by balancing the gyrometer.
Il est connu de réaliser cette compensation en enlevant localement de la matière, par exemple par ablation laser pour modifier la répartition de masse ou de raideur. Cette méthode est coûteuse voire impossible à mettre en œuvre sur un gyromètre micro-usiné dans une plaque mince de silicium, dont les mouvements de détection et d’excitation sont situés dans le plan du substrat.It is known to achieve this compensation by locally removing material, for example by laser ablation to modify the distribution of mass or stiffness. This method is expensive or even impossible to implement on a micro-machined gyrometer in a thin silicon plate, whose detection and excitation movements are located in the plane of the substrate.
On distingue au niveau des raideurs deux types d’imperfections. L’ensemble vibrant masses/ressorts est caractérisé par une matrice de raideur 2x2. Cette matrice est symétrique, caractérisée dans le repère XY par Kx raideur selon X, Ky raideur selon Y et Kxy raideur de couplage entre X et Y(avec Kyx=Kxy). Du fait des imperfections de réalisation Kx est différent de Ky et Kxy est non nul, alors que pour un fonctionnement optimal du capteur on cherche à obtenir Kx=Ky et Kxy=0, c’est-à-dire une matrice de raideur finale proportionnelle à l’identité.Two types of imperfections are distinguished in terms of stiffness. The mass/spring vibrating assembly is characterized by a 2x2 stiffness matrix. This matrix is symmetrical, characterized in the reference XY by Kx stiffness according to X, Ky stiffness according to Y and Kxy stiffness of coupling between X and Y (with Kyx=Kxy). Due to production imperfections, Kx is different from Ky and Kxy is non-zero, whereas for optimum operation of the sensor, we seek to obtain Kx=Ky and Kxy=0, i.e. a matrix of proportional final stiffness to identity.
On dénomme axe X’ l’axe de vibration de l’onde. Cet axe définit un repère X’Y’, avec Y’ perpendiculaire à X’ dans le plan du MEMs. L’axe X’ fait avec l’axe X un angle dénommé angle électrique θ et le repère X’Y’ est dénommé repère onde. On supposera pour l’instant que l’onde vibre selon X (X’=X).The axis of vibration of the wave is called the X' axis. This axis defines a reference X'Y', with Y' perpendicular to X' in the plane of the MEMs. The X' axis forms with the X axis an angle called the electrical angle θ and the X'Y' frame is called the wave frame. We will assume for the moment that the wave vibrates according to X (X'=X).
Le premier type d’imperfection est l’écart de fréquence entre l’axe principal de vibration et l’axe perpendiculaire à la vibration dans le plan du MEMs, correspondant à une matrice de raideur du système dans laquelle la raideur selon l’axe X est différente de la raideur selon l’axe Y. On cherche à égaliser les fréquences de résonance selon les deux axes précités au moyen d’une raideur électrostatique ajustable. Cette raideur électrostatique, dite raideur d’égalisation, est délivrée par des transducteurs d’ajustement de la fréquence Tx, Ty (au moins une paire sur au moins une masse voir
Un deuxième type d’imperfection provient du couplage mécanique entre l’axe de la vibration et l’axe perpendiculaire, à l’origine du biais dit en quadrature. Il s’agit des défauts d’anisotropie de raideur dynamique de l’ensemble des deux masses vibrantes, se traduisant par une vibration non plus linéaire mais elliptique, et correspondant à l’existence d’une raideur de couplage Kxy non nulle. Une solution est d’annuler ce terme en appliquant sur le système une force F (sinusoïdale) via les transducteurs d’excitation. Le problème est que l’application de cette force n’est pas exercée exactement au bon moment (erreurs de phase) et dans le bon axe (erreur de gain), provoquant l’application de dérives. Pour éviter d’appliquer une force F on vient physiquement annuler le terme Kxy non pas en appliquant une force mais en changeant directement la raideur du résonateur via au moins une paire de transducteurs Q+ et Q- tel qu’illustré
Ainsi les transducteurs du « trim » de quadrature modifient les caractéristiques du capteur MEMs pour supprimer les couplages entre les deux axes du repère onde et les transducteurs du « trim » de fréquence modifient les caractéristiques du capteur MEMs pour supprimer les écarts de fréquence entre les deux axes du repère onde.Thus the transducers of the quadrature "trim" modify the characteristics of the MEMs sensor to eliminate the couplings between the two axes of the wave frame and the transducers of the frequency "trim" modify the characteristics of the MEMs sensor to eliminate the frequency differences between the two axes of the wave marker.
Les transducteurs Tx, Ty, Q+ et Q- sont préférentiellement également des peignes interdigités comme illustré figures 2 et 3, commandés par des tensions continues.The transducers Tx, Ty, Q+ and Q− are preferably also interdigital combs as illustrated in FIGS. 2 and 3, controlled by DC voltages.
Préférentiellement on réalise des transducteurs d’excitation, de détection, d’ajustement de fréquence et de correction du biais en quadrature sur les deux masses, tel qu’illustré
La
Trois asservissements pilotent en parallèle les peignes d’excitation E : un asservissement de précession (non représenté) maintient l’onde de vibration selon un angle prédéterminé (mesure de la force de réaction qui contre la force de Coriolis en mode gyromètre) ; un asservissement d’amplitude (non représenté) maintient la vibration de l’onde constante et un asservissement de quadrature commande la force fy pour maintenir la vibration linéaire (via la commande Ctqe). Un problème lié à la force fy en quadrature est la précision en phase et en gain ou direction de son application. Une quatrième boucle de type PLL (non représentée) cherche à identifier la phase de l’oscillation (position de la masse dans sa course). Cette boucle PLL n’influe pas sur l’onde de vibration, elle agit comme observateur. Grâce à l’information délivrée par la boucle de phase on peut positionner avec la bonne phase les forces à envoyer à Ex et Ey via les trois asservissements précités et réaliser la démodulation des signaux de détection.Three drives drive the excitation combs E in parallel: a precession drive (not shown) maintains the vibration wave at a predetermined angle (measurement of the reaction force which counters the Coriolis force in gyrometer mode); an amplitude servo (not shown) keeps the wave vibration constant and a quadrature servo controls the force fy to keep the vibration linear (via the Ctqe command). An issue with the quadrature fy force is the phase and gain or direction accuracy of its application. A fourth PLL type loop (not shown) seeks to identify the phase of the oscillation (position of the mass in its travel). This PLL loop does not influence the vibration wave, it acts as an observer. Thanks to the information delivered by the phase loop, it is possible to position with the correct phase the forces to be sent to Ex and Ey via the three aforementioned servocontrols and carry out the demodulation of the detection signals.
Les transducteurs de détection mesurent la position de la vibration (x,y) dans le repère capteur XY. Outre les trois asservissements sur l’excitation, on met en œuvre un premier et un deuxième asservissement respectivement pour le trim de quadrature et le trim de fréquence. Une unité de traitement UT procède aux différents calculs et génère, pour les corrections, des commandes aux différents transducteurs : une commande CTqe pour appliquer une force de quadrature via le transducteur E, une commande de trim de fréquence CTf pour TF, une commande de trim de quadrature CTq pour TQ. Les commandes CTq et CTf des trims sont des tensions continues qui modifient les caractéristiques intrinsèques du résonateur, alors que la commande CTqe de la force est une tension sinusoïdale (voir plus haut). La commande de quadrature CTq sur TQ est réglée pour obtenir, en régime permanent, une force de quadrature (commande CTqe) nulle appliquée sur l’excitation E, ce qui résout les problèmes liés à l’application de cette force.The detection transducers measure the position of the vibration (x,y) in the XY sensor frame. In addition to the three enslavements on the excitation, a first and a second enslavement are implemented respectively for the quadrature trim and the frequency trim. A processing unit UT performs the various calculations and generates, for the corrections, commands to the various transducers: a command CTqe to apply a quadrature force via the transducer E, a frequency trim command CTf for TF, a trim command quadrature CTq for TQ. The CTq and CTf commands of the trimmers are DC voltages which modify the intrinsic characteristics of the resonator, while the CTqe command of the force is a sinusoidal voltage (see above). The quadrature control CTq on TQ is set to obtain, in steady state, zero quadrature force (CTqe control) applied to the excitation E, which solves the problems related to the application of this force.
Le signal issu de y est démodulé en cosinus et en sinus. La démodulation en cosinus est utilisée pour le premier asservissement relatif au trim de quadrature. Le signal résultant est traité par un correcteur Coq1 et délivre une estimée de la raideur de quadrature Kq destinée à annuler la raideur de couplage Kxy. Après un deuxième correcteur Coq2 (intégrateur) et la transformation de la raideur en tension électrique par le dispositif Gq, la commande de quadrature CTq est appliquée à TQ. La démodulation en sinus est utilisée pour le deuxième asservissement relatif au trim de fréquence. Le signal résultant est traité par un correcteur Cof qui génère la raideur d’égalisation ΔK, puis un dispositif Gf transforme la raideur en tension électrique de manière à générer la commande de trim de fréquence CTf.The signal coming from y is demodulated in cosine and in sine. Cosine demodulation is used for the first servo relative to quadrature trim. The resulting signal is processed by a corrector Coq1 and delivers an estimate of the quadrature stiffness Kq intended to cancel the coupling stiffness Kxy. After a second corrector Coq2 (integrator) and the transformation of the stiffness into electrical voltage by the device Gq, the quadrature command CTq is applied to TQ. Sine demodulation is used for the second frequency trim servo. The resulting signal is processed by a corrector Cof which generates the equalization stiffness ΔK, then a device Gf transforms the stiffness into an electrical voltage so as to generate the frequency trim command CTf.
Les asservissements pour la correction de fréquence et de quadrature ont été mis au point initialement pour des capteurs non axisymétriques (X et Y ne jouent pas le même rôle) configurés pour fonctionner avec une onde vibrant selon X. Dans ce cas les premier et deuxième asservissements opèrent de manière indépendante et fonctionnent correctement.The drives for frequency and quadrature correction were initially developed for non-axisymmetric sensors (X and Y do not play the same role) configured to operate with a wave vibrating along X. In this case the first and second drives operate independently and function properly.
Pour un capteur axisymétrique qui permet l’utilisation d’une onde vibrante à un angle θ différent de 0°, les trim deviennent interdépendants et ne fonctionnent plus correctement. Par exemple pour certains angles tels que θ = π/4 le trim de quadrature n’a plus d’effet sur la raideur de couplage Kxy et engendre une instabilité des premier et deuxième asservissements. L’instabilité décrite plus haut aboutit aux saturations des actionneurs et il faut redémarrer le capteur. Ainsi lorsque l’on fait fonctionner le capteur MEMs à un angle θ différent de zéro il peut être préférable de couper les asservissements de trim, ce qui conduit à des erreurs de mesure du capteur liées à l’application de forces supplémentaires.For an axisymmetric sensor which allows the use of a vibrating wave at an angle θ different from 0°, the trims become interdependent and no longer work correctly. For example for certain angles such as θ = π/4 the quadrature trim no longer has any effect on the coupling stiffness Kxy and generates instability of the first and second servo-controls. The instability described above leads to saturation of the actuators and the sensor must be restarted. Thus, when operating the MEMs sensor at an angle θ other than zero, it may be preferable to cut the trim servos, which leads to sensor measurement errors related to the application of additional forces.
Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant un mode de fonctionnement du capteur permettant une mise en œuvre efficace des asservissements de correction de fréquence et du biais de quadrature pour une onde vibrant à un angle électrique quelconque.An object of the present invention is to remedy the aforementioned drawbacks by proposing a mode of operation of the sensor allowing effective implementation of the frequency correction servocontrols and of the quadrature bias for a wave vibrating at any electrical angle.
DESCRIPTION DE L’INVENTIONDESCRIPTION OF THE INVENTION
La présente invention a pour objet un procédé de détermination d’une commande de quadrature et d’une commande de fréquence d’une onde de vibration générée par un résonateur d’un capteur angulaire inertiel, le résonateur présentant une structure plane et axisymétrique autour de deux axes X et Y perpendiculaires entre eux définissant un repère capteur XY et comprenant deux masses mobiles vibrantes (M1, M2) disposées l’une autour de l’autre, couplées entre elles par des ressorts de couplage et configurées pour vibrer en opposition de phase selon une direction X’ définissant un repère onde X’Y’, le résonateur comprenant en outre une pluralité de transducteurs électrostatiques commandés par des tensions électriques et opérant selon les deux axes X et Y, dont au moins, sur au moins une des deux masses les transducteurs suivants :The subject of the present invention is a method for determining a quadrature command and a frequency command of a vibration wave generated by a resonator of an inertial angular sensor, the resonator having a planar and axisymmetric structure around two mutually perpendicular X and Y axes defining an XY sensor frame and comprising two vibrating mobile masses (M1, M2) arranged one around the other, coupled together by coupling springs and configured to vibrate in phase opposition along a direction X' defining a wave mark X'Y', the resonator further comprising a plurality of electrostatic transducers controlled by electric voltages and operating along the two axes X and Y, at least of which on at least one of the two masses the following transducers:
Une paire de transducteurs d’excitation dénommés transducteurs E configurés pour maintenir l’onde à une amplitude constante via une commande d’amplitude (Ca) et, le cas échéant, pour faire tourner ladite onde de vibration via une commande de précession (Cp), une paire de transducteurs de détection dénommés transducteurs D configurés pour détecter les mouvements de l’onde de vibration, une paire de transducteurs de compensation d’un biais en quadrature dénommés transducteurs TQ, configurés pour appliquer une raideur de quadrature via une commande de quadrature (CTq), la raideur de quadrature étant configurée pour annuler une raideur de couplage entre X’ et Y’, et une paire de transducteur d’ajustement de fréquence dénommés transducteurs TF, configurés pour appliquer une raideur d’égalisation via une commande de fréquence (CTf), la raideur d’égalisation étant configurée pour annuler un écart de raideur entre X’ et Y’ de manière à égaliser les fréquences de résonnance de l’onde de vibration sur X’ et Y’.A pair of excitation transducers referred to as E transducers configured to hold the wave at a constant amplitude via an amplitude control (Ca) and, if necessary, to rotate said vibrational wave via a precession control (Cp) , a pair of sensing transducers referred to as D transducers configured to detect movement of the vibration wave, a pair of quadrature bias compensating transducers referred to as TQ transducers, configured to apply quadrature stiffness via quadrature control (CTq), the quadrature stiffness being configured to cancel a coupling stiffness between X' and Y', and a pair of frequency adjusting transducers referred to as TF transducers, configured to apply equalizing stiffness via frequency control (CTf), the equalization stiffness being configured to cancel a stiffness difference between X' and Y' so as to equalize the resonance frequencies of the vibration wave. on on X' and Y'.
Le procédé s’applique lorsque le capteur inertiel est en fonctionnement avec une onde de vibration vibrant selon X’ caractérisée par un angle électrique, le procédé comprenant les étapes consistant à :
-A déterminer l’angle électrique,
-B estimer des premières valeurs desdites raideurs de quadrature et d’égalisation à partir respectivement d’un premier et d’un deuxième asservissement, lesdites premières valeurs étant estimées dans le repère onde X’Y’,
-C déterminer des deuxièmes valeurs desdites raideurs de quadrature et d’égalisation dans le repère capteur XY, à partir des premières valeurs desdites raideurs estimées à l’étape B,
-D déterminer la commande de quadrature et la commande de fréquence correspondant respectivement auxdites deuxièmes valeurs déterminées à l’étape C,
-E appliquer la commande de fréquence (CTf) et la commande de quadrature(CTq) déterminées à l’étape D.The method applies when the inertial sensor is in operation with a vibration wave vibrating along X' characterized by an electrical angle, the method comprising the steps consisting in:
-To determine the electrical angle,
-B estimate first values of said quadrature and equalization stiffnesses from respectively a first and a second servo-control, said first values being estimated in the wave frame X'Y',
-C determining second values of said quadrature and equalization stiffnesses in the XY sensor frame, from the first values of said stiffnesses estimated in step B,
-D determine the quadrature command and the frequency command corresponding respectively to said second values determined in step C,
-E apply the frequency command (CTf) and quadrature command (CTq) determined in step D.
Selon une variante le capteur inertiel fonctionne en mode gyromètre, l’angle électrique déterminé à l’étape A étant égal à un angle imposé via la commande de précession.According to a variant, the inertial sensor operates in gyrometer mode, the electrical angle determined in step A being equal to an angle imposed via the precession command.
Selon une autre variante le capteur inertiel fonctionne en mode gyroscope, l’angle électrique résultant d’une rotation du capteur inertiel étant mesuré par ledit capteur inertiel, l’angle électrique déterminé à l’étape A étant égal audit angle de rotation mesuré.According to another variant, the inertial sensor operates in gyroscope mode, the electrical angle resulting from a rotation of the inertial sensor being measured by said inertial sensor, the electrical angle determined in step A being equal to said measured angle of rotation.
Selon encore une autre variante le procédé selon l’invention comprend :
- une première phase dans laquelle l’angle électrique décrit une pluralité d’angle électrique obtenus en appliquant ladite commande de précession, les étapes A à E étant mises en œuvre pour chaque angle électrique, l’étape D comprenant en outre une sous étape de mémorisation de la valeur de commande de fréquence associée et une sous étape de détermination d’une loi de variation de la commande de fréquence en fonction de l’angle électrique,
- une deuxième phase dans laquelle le capteur inertiel fonctionne en mode gyroscope, l’angle électrique laissé libre résultant d’une rotation du capteur inertiel et étant mesuré par ledit capteur inertiel, la deuxième phase comprenant :
*une étape (BO) de mise en boucle ouverte du deuxième asservissement, la commande de fréquence appliquée étant alors déterminée à partir de ladite loi de variation pour ledit angle de rotation mesuré,
*une étape de détection d’un écart de fréquence de résonnance, l’étape de mise en boucle ouverte étant mise en œuvre tant que ledit écart de fréquence de résonnance est inférieur ou égal à un seuil prédéterminé,
*une étape de remise en boucle fermée dudit deuxième asservissement lorsque l’écart de fréquence est supérieur audit seuil, le procédé rebouclant alors à la première phase pour une mise à jour de ladite loi de variation.According to yet another variant, the method according to the invention comprises:
- a first phase in which the electrical angle describes a plurality of electrical angles obtained by applying said precession command, steps A to E being implemented for each electrical angle, step D further comprising a sub-step of storage of the associated frequency command value and a sub-step of determining a law of variation of the frequency command as a function of the electrical angle,
- a second phase in which the inertial sensor operates in gyroscope mode, the electrical angle left free resulting from a rotation of the inertial sensor and being measured by said inertial sensor, the second phase comprising:
*a step (BO) of open-looping the second servo-control, the frequency command applied then being determined from said law of variation for said measured angle of rotation,
*a step of detecting a resonance frequency deviation, the open looping step being implemented as long as said resonance frequency deviation is less than or equal to a predetermined threshold,
*a closed-loop reset step of said second slaving when the frequency difference is greater than said threshold, the method then looping back to the first phase for an update of said variation law.
Selon un mode de réalisation l’étape B comprend une sous étape B1 de détermination d’une position de l’onde de vibration dans le repère onde X’Y’ à partir de la mesure d’une position de l’onde de vibration dans le repère capteur XY et de l’angle électrique, et une sous étape B2 d’estimation des premières valeurs desdites raideurs de quadrature et d’égalisation à partir de la dite positon dans le repère onde.According to one embodiment, step B comprises a sub-step B1 of determining a position of the vibration wave in the wave reference X'Y' from the measurement of a position of the vibration wave in the sensor reference XY and of the electrical angle, and a sub-step B2 of estimating the first values of said quadrature and equalization stiffnesses from said position in the wave reference.
Selon un mode de réalisation l’étape C consiste à déterminer un vecteur défini par lesdites deuxième valeurs par application d’une rotation d’un angle égal à deux fois l’angle électrique au vecteur défini par lesdites première valeurs.According to one embodiment, step C consists in determining a vector defined by said second values by applying a rotation by an angle equal to twice the electrical angle to the vector defined by said first values.
Selon un autre aspect l’invention concerne un capteur angulaire inertiel comprenant :
-un résonateur présentant une structure plane et axisymétrique autour de deux axes X et Y perpendiculaires entre eux définissant un repère capteur XY, et comprenant deux masses mobiles vibrantes disposées l’une autour de l’autre, couplées entre elles par des ressorts de couplage et configurées pour vibrer en opposition de phase selon une onde de vibration vibrant selon une direction X’ caractérisée par un angle électrique et définissant un repère onde X’Y’, le résonateur comprenant en outre une pluralité de transducteurs électrostatiques commandés par des tensions électriques et opérant selon les deux axes X et Y, dont au moins, sur au moins une des deux masses, les transducteurs suivants :According to another aspect, the invention relates to an inertial angular sensor comprising:
-a resonator having a planar and axisymmetric structure around two mutually perpendicular X and Y axes defining an XY sensor marker, and comprising two vibrating mobile masses arranged one around the other, coupled together by coupling springs and configured to vibrate in phase opposition according to a wave of vibration vibrating in a direction X' characterized by an electrical angle and defining a wave marker X'Y', the resonator further comprising a plurality of electrostatic transducers controlled by electrical voltages and operating along the two axes X and Y, including at least, on at least one of the two masses, the following transducers:
Une paire de transducteurs d’excitation dénommés transducteurs E configurés pour maintenir l’onde à une amplitude constante via une commande d’amplitude et, le cas échéant, pour faire tourner ladite onde de vibration via une commande de précession, une paire de transducteurs de détection dénommés transducteurs D configurés pour détecter les mouvements de l’onde de vibration, une paire de transducteurs de compensation d’un biais en quadrature dénommés transducteurs TQ, configurés pour appliquer une raideur de quadrature via une commande de quadrature, la raideur de quadrature étant configurée pour annuler une raideur de couplage entre X’ et Y’, et une paire de transducteur d’ajustement de fréquence dénommés transducteurs TF, configurés pour appliquer une raideur d’égalisation via une commande de fréquence, la raideur d’égalisation étant configurée pour annuler un écart de raideur entre X’ et Y’ de manière à égaliser les fréquences de résonnance de l’onde de vibration sur X’ et Y’. Les raideurs de quadrature et d’égalisation sont déterminées à partir respectivement d’un premier et d’un deuxième asservissement.A pair of excitation transducers referred to as E transducers configured to hold the wave at a constant amplitude via amplitude control and, if required, to rotate said vibrational wave via precession control, a pair of sensing referred to as D transducers configured to sense movement of the vibration wave, a pair of quadrature bias compensating transducers referred to as TQ transducers configured to apply a quadrature stiffness via a quadrature drive, the quadrature stiffness being configured to cancel a coupling stiffness between X' and Y', and a pair of frequency adjustment transducers referred to as TF transducers, configured to apply an equalizing stiffness via a frequency command, the equalizing stiffness being configured to cancel a difference in stiffness between X' and Y' so as to equalize the resonance frequencies of the vibration wave on X' and Y'. The quadrature and equalization stiffnesses are determined from a first and a second servo-control, respectively.
Le capteur comprend en outre une unité de traitement configurée pour déterminer ledit angle électrique et comprenant :
-un premier module configuré pour estimer des premières valeurs desdites raideurs de quadrature et d’égalisation à partir respectivement du premier et du deuxième asservissement, lesdites premières valeurs étant estimées dans le repère onde X’Y’,
-un deuxième module configuré pour déterminer des deuxièmes valeurs desdites raideurs de quadrature et d’égalisation dans le repère capteur XY, à partir des premières valeurs desdites raideurs,
-un ensemble de deux modules de gain électrique configurés pour déterminer respectivement la commande de quadrature correspondant à la deuxième valeur de la raideur de quadrature et la commande de fréquence correspondant à ladite deuxième valeur de raideur d’égalisation,
-les transducteurs TF et TQ étant configurés pour appliquer respectivement ladite commande de fréquence et ladite commande de quadratureau résonateur.The sensor further comprises a processing unit configured to determine said electrical angle and comprising:
-a first module configured to estimate first values of said quadrature and equalization stiffnesses from the first and second servo-control respectively, said first values being estimated in the wave frame X'Y',
-a second module configured to determine second values of said quadrature and equalization stiffnesses in the XY sensor frame, from the first values of said stiffnesses,
-a set of two electrical gain modules configured to respectively determine the quadrature command corresponding to the second value of the quadrature stiffness and the frequency command corresponding to said second value of equalization stiffness,
the transducers TF and TQ being configured to respectively apply said frequency command and said quadratureau resonator command.
Selon un mode de réalisation le premier module est configuré pour déterminer une position de l’onde de vibration dans le repère onde X’Y’ à partir de l’angle électrique et de la mesure d’une position de l’onde de vibration dans le repère capteur XY réalisée par les transducteurs D, et pour estimer des premières valeurs desdites raideurs de quadrature et d’égalisation à partir de la dite positon dans le repère onde.According to one embodiment, the first module is configured to determine a position of the vibration wave in the wave reference X'Y' from the electrical angle and the measurement of a position of the vibration wave in the sensor reference XY produced by the transducers D, and to estimate first values of said quadrature and equalization stiffnesses from said position in the wave reference.
Selon un mode de réalisation le deuxième module est configuré pour déterminer un vecteur défini par lesdites deuxième valeurs par application d’une rotation d’un angle égal à deux fois l’angle électrique au vecteur défini par lesdites premières valeurs.According to one embodiment, the second module is configured to determine a vector defined by said second values by applying a rotation by an angle equal to twice the electrical angle to the vector defined by said first values.
La description suivante présente plusieurs exemples de réalisation du dispositif de l’invention : ces exemples sont non limitatifs de la portée de l’invention. Ces exemples de réalisation présentent à la fois les caractéristiques essentielles de l’invention ainsi que des caractéristiques additionnelles liées aux modes de réalisation considérés.The following description presents several embodiments of the device of the invention: these examples do not limit the scope of the invention. These exemplary embodiments present both the essential characteristics of the invention as well as additional characteristics related to the embodiments considered.
L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques, buts et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :The invention will be better understood and other characteristics, objects and advantages thereof will appear during the detailed description which follows and with reference to the appended drawings given by way of non-limiting examples and in which:
Par souci de clarté les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures.For the sake of clarity, the same elements will bear the same references in the various figures.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTIONDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Une analyse approfondie du fonctionnement du capteur montre que la difficulté de mise en œuvre des corrections de fréquence et du biais en quadrature trouve sa source dans le fait que les transducteurs TQ et TF sont positionnés et opèrent selon les axes capteur X et Y et non pas selon les axes onde X’Y’. Lorsque les asservissements du trim de fréquence et de quadrature sont appliqués tel quel à une onde vibrant selon un angle électrique différent de zéro, les raideurs d’égalisation et de quadrature délivrés correspondent aux valeurs qu’il conviendrait d’appliquer avec des transducteurs positionnés et opérant selon les axes X’Y’ du repère onde. Hors ces transducteurs sont fixes et positionnés selon les axes X et Y capteur. Les valeurs de raideurs délivrées par le premier et le deuxième asservissement ne sont donc pas optimales pour la vibration selon X’. L’objectif du procédé selon l’invention est de délivrer des commandes CTq et CTf pour TQ et TF efficaces c’est-à-dire adaptées à la valeur de l’angle électrique quel que soit sa valeur.An in-depth analysis of the operation of the sensor shows that the difficulty in implementing frequency corrections and quadrature bias has its source in the fact that the TQ and TF transducers are positioned and operate along the X and Y sensor axes and not along the wave axes X'Y'. When the frequency and quadrature trim controls are applied as such to a wave vibrating at an electrical angle other than zero, the equalization and quadrature stiffnesses delivered correspond to the values that should be applied with transducers positioned and operating along the X'Y' axes of the wave marker. However, these transducers are fixed and positioned along the X and Y sensor axes. The stiffness values delivered by the first and the second servo-control are therefore not optimal for the vibration along X'. The objective of the method according to the invention is to deliver effective commands CTq and CTf for TQ and TF, that is to say adapted to the value of the electrical angle whatever its value.
En outre les écarts de fréquence entre les deux modes ainsi que le biais de quadrature varient avec l’angle électrique de la vibration et la correction à apporter varie également en fonction de l’angle du fait des non linéarités du capteur.In addition, the frequency differences between the two modes as well as the quadrature bias vary with the electrical angle of the vibration and the correction to be made also varies according to the angle due to the non-linearities of the sensor.
Enfin lorsque l’angle évolue dans le temps, les défauts dépendant de l’angle, on ne peut plus filtrer sur des temps longs car la dynamique de l’erreur est rapide.Finally, when the angle changes over time, the defects depending on the angle, it is no longer possible to filter over long times because the dynamics of the error is fast.
Pour résoudre ce problème l’invention concerne un procédé 100 de détermination d’une commande de quadrature CTq et d’une commande de fréquence CTf d’une onde de vibration générée par un résonateur Res d’un capteur angulaire inertiel, et le procédé s’appliquant lorsque le capteur inertiel est en fonctionnement avec une onde de vibration vibrant selon un axe X’ caractérisée par un angle électrique θ dont les différentes étapes sont illustrées
Le capteur inertiel auquel s’applique l’invention comprend un résonateur tel que décrit dans l’état de l’art présentant une structure plane et axisymétrique autour de deux axes X et Y perpendiculaires entre eux définissant un repère capteur XY et comprenant deux masses mobiles vibrantes M1 et M2 disposées l’une autour de l’autre, couplées entre elles par des ressorts de couplage et configurées pour vibrer en mode diapason et en opposition de phase selon une direction X’ définissant un repère onde X’Y’.The inertial sensor to which the invention applies comprises a resonator as described in the state of the art having a planar and axisymmetric structure around two axes X and Y perpendicular to each other defining an XY sensor reference and comprising two mobile masses vibrating M1 and M2 arranged one around the other, coupled together by coupling springs and configured to vibrate in tuning fork mode and in phase opposition along a direction X' defining a wave mark X'Y'.
Le résonateur comprend une pluralité de transducteurs électrostatiques commandés par des tensions électriques et opérant selon les deux axes X et Y, dont au moins, sur une des deux masses :The resonator comprises a plurality of electrostatic transducers controlled by electrical voltages and operating along the two axes X and Y, including at least, on one of the two masses:
-une paire de transducteurs d’excitation dénommés transducteurs E configurés pour maintenir l’onde à une amplitude constante via une commande d’amplitude, maintenir l’onde plane et, le cas échéant, pour faire tourner ladite onde de vibration via une commande de précession,
-une paire de transducteurs de détection dénommés transducteurs D configurés pour détecter les mouvements de l’onde de vibration,
-une paire de transducteurs de compensation d’un biais en quadrature dénommés transducteurs TQ, configurés pour appliquer une raideur de quadrature via une commande de quadrature CTq, la raideur de quadrature étant configurée pour annuler une raideur de couplage entre X’ et Y’,
-une paire de transducteur d’ajustement de fréquence dénommés transducteurs TF, configurés pour appliquer une raideur d’égalisation via une commande de fréquence CTf, la raideur d’égalisation étant configurée pour annuler un écart de raideur entre X’ et Y’ de manière à égaliser les fréquences de résonnance de l’onde de vibration sur X’ et Y’.- a pair of excitation transducers called E transducers configured to hold the wave at a constant amplitude via an amplitude command, to hold the wave flat and, if necessary, to rotate said vibration wave via a command of precession,
-a pair of detection transducers called transducers D configured to detect the movements of the vibration wave,
- a pair of quadrature bias compensation transducers called TQ transducers, configured to apply a quadrature stiffness via a quadrature command CTq, the quadrature stiffness being configured to cancel a coupling stiffness between X' and Y',
-a pair of frequency adjustment transducers called TF transducers, configured to apply an equalization stiffness via a CTf frequency command, the equalization stiffness being configured to cancel a stiffness difference between X' and Y' in such a way to equalize the resonance frequencies of the vibration wave on X' and Y'.
Dans une première étape A on détermine l’angle électrique θ.In a first step A, the electrical angle θ is determined.
Dans une deuxième étape B on estime des premières valeurs Kq’ et ΔK’ des raideurs de quadrature et d’égalisation à partir respectivement d’un premier asservissement TrimQ et d’un deuxième asservissement TrimF. Ces valeurs sont déterminées par les asservissements de même type que ceux fonctionnant selon l’état de l’art (à quelques différences près qui seront détaillées ultérieurement) qui « ignorent » que l’onde de vibration vibre selon un axe X’ différent de X. Ces valeurs Kq’ et ΔK’ dénommées premières valeurs, sont considérées estimées dans le repère onde X’Y’ puisqu’elle corresponde aux valeurs délivrées par les asservissements alors que l’onde vibre selon X’. Elles correspondent aux valeurs qu’il faudrait appliquer à TQ et TF avec TQ et TF opérant selon X’ et Y’.In a second step B, first values Kq' and ΔK' of the quadrature and equalization stiffnesses are estimated from a first servo-control TrimQ and a second servo-control TrimF, respectively. These values are determined by drives of the same type as those operating according to the state of the art (apart from a few differences which will be detailed later) which "ignore" that the vibration wave vibrates along an axis X' different from X These values Kq' and ΔK', referred to as first values, are considered estimated in the reference wave X'Y' since they correspond to the values delivered by the automatic controls while the wave vibrates along X'. They correspond to the values that should be applied to TQ and TF with TQ and TF operating along X' and Y'.
Dans une étape suivante C on détermine des deuxièmes valeurs Kq, ΔK des raideurs de quadrature et d’égalisation dans le repère capteur XY, à partir des premières valeurs desdites raideurs Kq’,ΔK’ estimées à l’étape B. Ces valeurs Kq et ΔK, dénommées deuxième valeurs, sont adaptées au fait que les transducteurs TQ et TF opèrent selon les axes XY. Ainsi on transforme Kq’ etΔK’ en Kq et ΔK de manière à tenir compte du fait que les transducteurs appliquant les raideurs d’égalisation et de quadrature opèrent dans le repère capteur XY et pas dans le repère onde X’Y’. En d’autres termes à partir des valeurs Kq’ etΔK’ estimées dans le repère onde X’Y’ on opère une transformation sur ces deux termes pour se ramener dans le repère capteur XY dans lequel opère les trims.In a following step C, second values Kq, ΔK of the quadrature and equalization stiffnesses in the sensor frame XY are determined, from the first values of said stiffnesses Kq', ΔK' estimated in step B. These values Kq and ΔK, called second values, are adapted to the fact that the transducers TQ and TF operate along the XY axes. Thus Kq' andΔK' are transformed into Kq and ΔK in such a way as to take into account the fact that the transducers applying the equalization and quadrature stiffnesses operate in the XY sensor frame and not in the X'Y' wave frame. In other words, from the values Kq' andΔK' estimated in the wave reference X'Y', a transformation is carried out on these two terms to return to the sensor reference XY in which the trimmers operate.
Dans une étape D on détermine, de manière classique, la commande de quadrature CTq et la commande de fréquence CTf correspondant respectivement aux deuxièmes valeurs Kq et ΔK déterminées à l’étape C et enfin dans une étape E on applique la commande de fréquence CTf et la commande de quadrature CTq déterminées à l’étape D.In a step D, the quadrature command CTq and the frequency command CTf corresponding respectively to the second values Kq and ΔK determined in step C are determined, in a conventional manner, and finally in a step E the frequency command CTf is applied and the quadrature command CTq determined in step D.
Ainsi le procédé selon l’invention est applicable sur un capteur avec des asservissements de trim de même type que ceux de l’état de l’art, c’est-à-dire sans avoir à développer de nouveaux asservissements, avec une différence au niveau du traitement de signal tel qu’une transformation des raideurs délivrées par ces asservissements, opérée à l’étape C du procédé. Du fait de l’exactitude des raideurs Kq et ΔK calculées par la transformation, la force rendant l’onde plane à appliquer sur E redevient nulle en régime en permanent, les erreurs liées à l’application de cette force sont supprimées, et toute la correction (fréquence et quadrature) est réalisée vie les transducteurs TQ et TF.Thus the method according to the invention is applicable to a sensor with trim servos of the same type as those of the state of the art, that is to say without having to develop new servos, with a difference in signal processing level such as a transformation of the stiffnesses delivered by these automatic controls, carried out in step C of the method. Due to the accuracy of the stiffnesses Kq and ΔK calculated by the transformation, the force making the plane wave to be applied to E becomes zero again in steady state, the errors linked to the application of this force are eliminated, and all the correction (frequency and quadrature) is carried out via the TQ and TF transducers.
Du fait de cette adaptation, les erreurs de fréquence et de quadrature sont éliminées et le capteur inertiel délivre une mesure (vitesse ou angle) qui n’est plus sensible aux erreurs de la matrice de raideur quel que soit la valeur de l’angle de vibration θ de l’onde. Il est rappelé que le procédé selon l’invention est utilisé en permanence et en parallèle de la délivrance de la mesure de la vitesse angulaire ou de l’ange de rotation selon l’axe sensible Z.Due to this adaptation, the frequency and quadrature errors are eliminated and the inertial sensor delivers a measurement (speed or angle) which is no longer sensitive to the errors of the stiffness matrix whatever the value of the angle of θ vibration of the wave. It is recalled that the method according to the invention is used permanently and in parallel with the delivery of the measurement of the angular velocity or the angle of rotation along the sensitive axis Z.
Grâce à la mise en œuvre du procédé selon l’invention les écarts de fréquences initialement d’environ 3Hz sont ramenés à quelques mHz, et des erreurs de quadrature d’environ 100°/s sont ramenés à moins de 0.1°/s. Ces valeurs couplées à des électroniques de la classe 100ppm en termes d’erreurs de phase permettent d’aboutir à des dérives inférieures au degré par heure.Thanks to the implementation of the method according to the invention, the frequency deviations initially of about 3Hz are reduced to a few mHz, and quadrature errors of about 100°/s are reduced to less than 0.1°/s. These values, coupled with 100ppm class electronics in terms of phase errors, lead to drifts of less than one degree per hour.
Selon une variante le procédé est mis en œuvre alors que le capteur inertiel fonctionne en mode gyromètre. L’angle électrique θ déterminé à l’étape A est ici égal à un angle θimp imposé à la vibration via la commande de précession. On peut utiliser différentes valeurs de θimp pour moyenner les erreurs, par exemple en effectuant des mesures pour θ égal à 30° puis 60° puis 90°. Cette mise en œuvre est rendue précise et efficace sur un capteur MEMs grâce au procédé selon l’invention.According to a variant, the method is implemented while the inertial sensor operates in gyrometer mode. The electrical angle θ determined in step A is here equal to an angle θimp imposed on the vibration via the precession command. Different values of θimp can be used to average the errors, for example by taking measurements for θ equal to 30° then 60° then 90°. This implementation is made precise and efficient on a MEMs sensor thanks to the method according to the invention.
Selon une autre variante le procédé est mis en œuvre alors que le capteur inertiel fonctionne en mode gyroscope. L’angle électrique θ résulte alors d’une rotation du capteur inertiel et est mesuré par celui-ci. L’angle électrique déterminé à l’étape A est égal à l’angle de rotation mesuré θm.According to another variant, the method is implemented while the inertial sensor operates in gyroscope mode. The electrical angle θ then results from a rotation of the inertial sensor and is measured by it. The electrical angle determined in step A is equal to the measured angle of rotation θm.
Selon encore une autre variante le procédé selon l’invention est mis en œuvre selon un mode mixte illustré
Le procédé comprend une première phase dans laquelle l’angle électrique décrit une pluralité d’angle électrique θi, i indice, obtenus en appliquant la commande de précession Cp. Les étapes A à E sont mises en œuvre successivement pour chaque angle électrique θi. L’étape D comprend, en plus de la détermination de CTf et Ctq, une sous étape MEM de mémorisation de la valeur de commande de fréquence CTfi associée à chaque angleθi et une sous étape MOD de détermination d’une loi de variation CTf(θi) de la commande de fréquence en fonction de l’angle électrique. La forme de cette loi est typiquement du type Σ(akcos2kθ +bksin2kθ k variant de 0 à 4 typiquement et sa détermination consiste à calculer les valeurs des coefficients ak et bk à partir d’un lissage réaliser sur les points de mesure θi.The method includes a first phase in which the electrical angle describes a plurality of electrical angles θi, i index, obtained by applying the precession command Cp. Steps A to E are implemented successively for each electrical angle θi. Step D comprises, in addition to the determination of CTf and Ctq, a sub-step MEM for storing the frequency command value CTfi associated with each angle θi and a sub-step MOD for determining a law of variation CTf (θi) of the frequency command as a function of the electrical angle. The form of this law is typically of the type Σ(akcos2kθ +bksin2kθ k typically varying from 0 to 4 and its determination consists in calculating the values of the coefficients ak and bk from a smoothing carried out on the measurement points θi.
Cette première phase peut être mise en œuvre quel que soit le mode de fonctionnement du capteur, gyromètre ou gyroscope. Elle est mise en œuvre préférentiellement en mode gyromètre. Lorsque le capteur opère en mode gyroscope (typiquement lorsque le véhicule sur lequel est embarqué le capteur est arrêté) l’angle θi est obtenu en envoyant une consigne de précession pour se placer à cet angle à partir de l’angle courant connu. La première phase permet ainsi d’avoir une modélisation de la commande CTf à appliquer en fonction de la valeur de l’angle électrique.This first phase can be implemented regardless of the operating mode of the sensor, gyrometer or gyroscope. It is preferably implemented in gyrometer mode. When the sensor operates in gyroscope mode (typically when the vehicle on which the sensor is mounted is stopped), the angle θi is obtained by sending a precession instruction to position itself at this angle from the known current angle. The first phase thus makes it possible to have a modeling of the CTf command to be applied according to the value of the electrical angle.
Dans une deuxième phase le capteur inertiel fonctionne en mode gyroscope, l’angle électrique est laissé libre et résulte d’une rotation du capteur inertiel, qui mesure la valeur θm.In a second phase, the inertial sensor operates in gyroscope mode, the electrical angle is left free and results from a rotation of the inertial sensor, which measures the value θm.
La deuxième phase comprend tout d’abord une étape BO de mise en boucle ouverte du deuxième asservissement TrimF. A cet instant l’asservissement TrimF cesse de délivrer en temps réel la commande CTf qui est remplacée une commande CTf(θm) déterminée à partir de ladite loi de variation pour l’angle de rotation mesuré θm. La commande est appliquée dans le temps en suivant les variations de θm. En même temps on mesure l’écart de fréquence de résonance Δf entre les deux axes de l’onde. Le principe du trimming de fréquence est d’envoyer une perturbation, de mesurer le Δf et ensuite de le corriger via CTf. Lorsque l’on est en boucle ouverte il est possible de continuer à envoyer la perturbation, mesurer le Δf mais la correction CTf n’est plus appliquée.The second phase first of all comprises a step BO for putting the second TrimF servo-control into open loop. At this moment, the TrimF servo-control stops delivering the CTf command in real time, which is replaced by a CTf(θm) command determined from said variation law for the measured rotation angle θm. The command is applied over time by following the variations of θm. At the same time, the resonance frequency difference Δf between the two axes of the wave is measured. The principle of frequency trimming is to send a disturbance, measure the Δf and then correct it via CTf. When in open loop it is possible to continue to send the disturbance, measure the Δf but the CTf correction is no longer applied.
L’étape de mise en boucle ouverte BO est mise en œuvre tant que l’écart de fréquence de résonance est inférieur ou égal à un seuil prédéterminé S. L’écart Δf évolue en fonction de la température et en vieillissement. Lorsque l’écart de fréquence Δf devient supérieur au seuil, le deuxième asservissement TrimF est remis en boucle fermée pour permettre la mise à jour de la loi de variation en repartant sur la première phase. Pendant toute la deuxième phase le premier asservissement continue de fonctionner comme dans la première phase. Ce mode mixte présente de nombreux avantages.The open looping step BO is implemented as long as the resonance frequency difference is less than or equal to a predetermined threshold S. The difference Δf evolves according to the temperature and with aging. When the frequency difference Δf becomes greater than the threshold, the second TrimF servo-control is returned to closed loop to allow the variation law to be updated by starting again on the first phase. Throughout the second phase, the first servo-control continues to operate as in the first phase. This mixed mode has many advantages.
. Le trimming de fréquence injecte du bruit sur la mesure de vitesse angulaire lorsque l’asservissement est en boucle fermé (d’où l’intérêt du fonctionnement en boucle ouverte). Le trimming de quadrature, non intrusif, reste en boucle fermée.. Frequency trimming injects noise into the angular velocity measurement when the servo-control is in closed loop (hence the interest of open-loop operation). The non-intrusive quadrature trimming remains in a closed loop.
Les écarts de fréquence entre les deux modes varient avec l’angle. Il ne s’agit pas simplement d’un problème géométrique, auquel cas il suffirait simplement de corriger l’écart de fréquence à angle nul et la correction serait valable pour tout angle après rotation. Il y a également des écarts de fréquence liés aux non linéarités qui font que la correction change en fonction de l’angle.The frequency differences between the two modes vary with the angle. This is not just a geometric problem, in which case it would be sufficient to simply correct the frequency deviation at zero angle and the correction would be valid for any angle after rotation. There are also frequency deviations related to non-linearities which cause the correction to change depending on the angle.
Lorsque l’on est en mode gyroscope on laisse tourner l’onde. Donc potentiellement, l’angle de la vibration peut évoluer rapidement, et donc l’écart de fréquence (à corriger) peut évoluer rapidement, et donc l’asservissement en fréquence TrimF doit avoir une bande passante aussi élevée que la vitesse angulaire maximale. Cela pose problème car pour cet asservissement le rapport signal sur bruit est très faible et il est nécessaire de filtrer sur un temps long pour réaliser un asservissement performant. Il en résulte que l’écart de fréquence ne peut pas être filtré sur un temps long, engendrant des écarts de fréquence important en cas de bruit: D’où l’intérêt de pouvoir réaliser le trimming de fréquence à différents angles en mode gyromètre. Comme l’angle est constant en mode gyromètre, le filtrage peut durer plus longtemps. Une fois que les écarts de fréquences ont été identifiés, on peut les corriger en boucle ouverte et repasser en mode gyroscope. On applique alors directement la commande adaptée en suivant une variation rapide de ΔK qui est donc compatible avec d’une forte dynamique. Ainsi le mode gyroscope bénéficie des résultats du trimming de fréquence en mode gyromètre. A noter que pour des vitesses angulaires faibles, le trimming de fréquence en mode gyroscope peut toujours être mis en œuvre.When you are in gyroscope mode, you let the wave spin. So potentially, the angle of the vibration can change quickly, and therefore the frequency deviation (to be corrected) can change quickly, and therefore the TrimF frequency servo must have a bandwidth as high as the maximum angular speed. This poses a problem because for this servo-control the signal-to-noise ratio is very low and it is necessary to filter over a long time to achieve efficient servo-control. As a result, the frequency deviation cannot be filtered over a long time, generating significant frequency deviations in the event of noise: Hence the interest of being able to perform frequency trimming at different angles in gyrometer mode. Since the angle is constant in gyro mode, filtering may take longer. Once the frequency deviations have been identified, they can be corrected in open loop and return to gyroscope mode. The appropriate command is then directly applied by following a rapid variation of ΔK which is therefore compatible with a high dynamic. Thus the gyroscope mode benefits from the results of the frequency trimming in gyrometer mode. Note that for low angular velocities, frequency trimming in gyroscope mode can still be implemented.
Préférentiellement les étapes B et C sont mises en œuvre selon des modes de réalisation établis à partir des résultats d’un calcul matriciel développé ci-dessous, le procédé selon l’invention selon ce mode de réalisation étant illustré
L’étape B de détermination du couple (Kq’, ΔK’) par le traitement de signal des asservissements TrimF et TrimQ s’effectue en ayant préalablement réalisé un changement de repère, sous la forme d’une sous étape B1 de détermination de la position (x’, y’) de l’onde de vibration dans le repère onde X’Y’ à partir de la mesure de la position (x, y) de l’onde de vibration dans le repère capteur XY réalisé par les transducteurs D et de l’angle électrique θOn a donc :Step B of determining the torque (Kq', ΔK') by the signal processing of the TrimF and TrimQ servo-controls is carried out by having previously carried out a change of frame, in the form of a sub-step B1 of determining the position (x', y') of the vibration wave in the X'Y' wave frame from the measurement of the position (x, y) of the vibration wave in the XY sensor frame made by the transducers D and the electrical angle θWe therefore have:
x' = cosθ.x + sinθ.yx' = cosθ.x + sinθ.y
y’ = -sinθ.x + cosθ.yy’ = -sinθ.x + cosθ.y
Le couple (x’,y’) est ainsi utilisé en entrée de traitement.The pair (x',y') is thus used as input to processing.
Dansune sous étape B2 l’estimation des premières valeurs (Kq’, ΔK’) des raideurs de quadrature et d’égalisation s’effectue à partir de la position dans le repère onde (x’, y’).In a sub-step B2, the estimation of the first values (Kq', ΔK') of the quadrature and equalization stiffnesses is carried out from the position in the wave frame (x', y').
L’étape C consiste à déterminer un vecteur défini par les deuxième valeurs ayant pour coordonnées (Kq, ΔK) par application d’une rotation d’un angle égal à deux fois l’angle électrique, soit 2θ au vecteur ayant pour coordonnées les premières valeurs (Kq’, ΔK’).Step C consists in determining a vector defined by the second values having as coordinates (Kq, ΔK) by applying a rotation of an angle equal to twice the electrical angle, i.e. 2θ to the vector having as coordinates the first values (Kq', ΔK').
La transformation du couple (Kq’, ΔK’) en (Kq, ΔK) s’exprime donc par la relation matricielle (les coordonnées (Kq, ΔK) s’exprimes dans le repère XY) :The transformation of the pair (Kq', ΔK') into (Kq, ΔK) is therefore expressed by the matrix relation (the coordinates (Kq, ΔK) are expressed in the XY frame):
Soit : Kq = cos2θ.Kq’ + sin2θ.ΔK’ et ΔKq = -sin2θ.Kq’ + cos2θ.ΔK’Let: Kq = cos2θ.Kq' + sin2θ.ΔK' and ΔKq = -sin2θ.Kq' + cos2θ.ΔK'
Ces relations de transformation sont programmées dans les asservissements. En théorie une fois ramené dans le repère capteur, les valeurs Kq et ΔK sont constantes et valables pour tous lesθ. Mais du fait des non linéarités ces valeurs dépendent de θ et sont variables dans le temps à cause de la température et du vieillissement capteur, il convient donc de les recalculer en temps réel.These transformation relationships are programmed into the servos. In theory, once returned to the sensor reference, the Kq and ΔK values are constant and valid for all theθ. But due to non-linearities, these values depend on θ and are variable over time due to temperature and sensor aging, so they should be recalculated in real time.
Nous allons à présent démontrer comment est obtenue la relation Math1.We are now going to demonstrate how the relation Math1 is obtained.
On part de la matrice de raideur vraie K’ exprimée dans le repère onde X’Y’. On utilisera le terme «‘» pour des grandeurs exprimées dans le repère onde et le terme sans «‘» pour des grandeurs exprimées dans le repère capteur XY.One starts from the matrix of true stiffness K' expressed in the reference wave X'Y'. We will use the term “‘” for quantities expressed in the wave reference and the term without “‘” for quantities expressed in the XY sensor reference.
On vient corriger cette matrice de raideur à l’aide des peignes de «trimming » avec la matrice de correction Kc’ suivante :We correct this stiffness matrix using the “trimming” combs with the following correction matrix Kc’:
La matrice de raideur finale Kf’ est égale à :The final stiffness matrix Kf' is equal to:
Pour une correction parfaite on a :For a perfect correction we have:
Une fois déterminés ΔK’ et Kq’ en repère X’Y’ (étape B) il faut déterminer ΔK et Kq en repère XY (étape C).Once ΔK' and Kq' have been determined in reference X'Y' (step B) it is necessary to determine ΔK and Kq in reference XY (step C).
On part de la matrice de correction Kc’, qui est une application linéaire qui transforme un vecteur Ve’ exprimé dans X’Y’ en un vecteur Vs’ également exprimé en repère X’Y’ : Vs’ = Kc’ Ve’We start from the correction matrix Kc', which is a linear application that transforms a vector Ve' expressed in X'Y' into a vector Vs' also expressed in reference X'Y': Vs' = Kc' Ve'
On souhaite déterminer la même transformation que l’on notera Kc permettant de passer d’un vecteur Ve en repère XY à un vecteur Vs également exprimé en repère XY.We wish to determine the same transformation that we will note Kc allowing to pass from a vector Ve in XY reference to a vector Vs also expressed in XY reference.
On note R(θ) la rotation qui permet de passer du repère XY au repère X’Y’, V un vecteur exprimé dans le repère XY et V’ est le même vecteur exprimé dans le repère X’Y’. On a :We note R(θ) the rotation which makes it possible to pass from the XY reference to the X'Y' reference, V a vector expressed in the XY reference and V' is the same vector expressed in the X'Y' reference. We have :
et Vs’ = Kc’.Ve’ soit :and Vs’ = Kc’.Ve’ i.e.:
Et donc :And so :
Soit :Either :
On peut également écrire Kc en fonction de ΔK et Kq :We can also write Kc as a function of ΔK and Kq:
On peut alors identifier les termes :We can then identify the terms:
Ce qui donne :Which give :
Selon un autre aspect l’invention concerne un capteur angulaire inertiel 10 illustré
La raideur de quadrature est déterminée par un premier asservissement TrimQ et la raideur d’égalisation est déterminée d’un deuxième asservissement TrimF. Le capteur comprend en outre une unité de traitement UT. L’unité UT est configurée pour déterminer l’angle électrique θde la vibration.The quadrature stiffness is determined by a first TrimQ servo and the equalization stiffness is determined by a second TrimF servo. The sensor further comprises a processing unit UT. The UT unit is configured to determine the electrical angle θof the vibration.
L’unité de traitement UT comprend un premier module 20 configuré pour estimer des premières valeurs Kq’ et ΔK’ des raideurs de quadrature et d’égalisation à partir respectivement du premier asservissement TrimQ et du deuxième asservissement TrimF, les premières valeurs étant estimées dans le repère onde X’Y’.The processing unit UT comprises a first module 20 configured to estimate first values Kq' and ΔK' of the quadrature and equalization stiffnesses from the first servo-control TrimQ and from the second servo-control TrimF respectively, the first values being estimated in the X'Y' wave marker.
L’unité de traitement comprend également un deuxième module 21 configuré pour déterminer des deuxièmes valeurs Kq et ΔK des raideurs de quadrature et d’égalisation dans le repère capteur XY, à partir des premières valeurs des raideurs Kq’ etΔK’.The processing unit also comprises a second module 21 configured to determine second values Kq and ΔK of the quadrature and equalization stiffnesses in the XY sensor frame, from the first values of the stiffnesses Kq' and ΔK'.
L’unité UT comprend également un ensemble de deux modules de gain électrique Gq et Gf configurés pour déterminer respectivement la commande de quadrature CTq correspondant à la deuxième valeur de la raideur de quadrature Kq et la commande de fréquence CTf correspondant à ladite deuxième valeur de raideur d’égalisation ΔK, les transducteurs TF et TQ étant configurés pour appliquer respectivement la commande de fréquence CTf et la commande de quadrature CTq.The unit UT also comprises a set of two electrical gain modules Gq and Gf configured to respectively determine the quadrature command CTq corresponding to the second value of the quadrature stiffness Kq and the frequency command CTf corresponding to said second stiffness value equalization ΔK, the transducers TF and TQ being configured to respectively apply the frequency command CTf and the quadrature command CTq.
Selon un mode de réalisation préféré le premier module 20 est configuré pour déterminer la position (x’, y’) de l’onde de vibration dans le repère onde X’Y’ à partir de l’angle électrique θ et de la mesure de la position (x, y) de l’onde de vibration dans le repère capteur XY réalisée par les transducteurs D, et pour estimer des premières valeurs Kq’ et ΔK’ des raideurs de quadrature et d’égalisation à partir de la dite positon dans le repère onde (x’, y’). Selon un mode préféré le deuxième module 21 est configuré pour déterminer un vecteur (Kq, ΔK) dont les coordonnées sont les deuxième valeurs par application d’une rotation d’un angle égal à deux fois l’angle électrique 2θ au vecteur (Kq’, ΔK’) dont les coordonnées sont les première valeurs.According to a preferred embodiment, the first module 20 is configured to determine the position (x', y') of the vibration wave in the wave reference X'Y' from the electrical angle θ and the measurement of the position (x, y) of the vibration wave in the XY sensor reference produced by the transducers D, and to estimate first values Kq' and ΔK' of the quadrature and equalization stiffnesses from said position in the wave marker (x', y'). According to a preferred mode, the second module 21 is configured to determine a vector (Kq, ΔK) whose coordinates are the second values by applying a rotation by an angle equal to twice the electrical angle 2θ to the vector (Kq' , ΔK') whose coordinates are the first values.
La
La
La
Claims (9)
-le résonateur (Res) présentant une structure plane et axisymétrique autour de deux axes X et Y perpendiculaires entre eux définissant un repère capteur XY et comprenant deux masses mobiles vibrantes (M1, M2) disposées l’une autour de l’autre, couplées entre elles par des ressorts de couplage et configurées pour vibrer en opposition de phase selon une direction X’ définissant un repère onde X’Y’,
-le résonateur comprenant en outre une pluralité de transducteurs électrostatiques commandés par des tensions électriques et opérant selon les deux axes X et Y, dont au moins, sur au moins une des deux masses :
-une paire de transducteurs d’excitation dénommés transducteurs E configurés pour maintenir l’onde à une amplitude constante via une commande d’amplitude (Ca) et, le cas échéant, pour faire tourner ladite onde de vibration via une commande de précession (Cp),
-une paire de transducteurs de détection dénommés transducteurs D configurés pour détecter les mouvements de l’onde de vibration,
-une paire de transducteurs de compensation d’un biais en quadrature dénommés transducteurs TQ, configurés pour appliquer une raideur de quadrature via une commande de quadrature (CTq), la raideur de quadrature étant configurée pour annuler une raideur de couplage entre X’ et Y’,
-une paire de transducteur d’ajustement de fréquence dénommés transducteurs TF, configurés pour appliquer une raideur d’égalisation via une commande de fréquence (CTf), la raideur d’égalisation étant configurée pour annuler un écart de raideur entre X’ et Y’ de manière à égaliser les fréquences de résonnance de l’onde de vibration sur X’ et Y’,
le procédé s’appliquant lorsque le capteur inertiel est en fonctionnement avec une onde de vibration vibrant selon X’ caractérisée par un angle électrique (θ),
le procédé comprenant les étapes consistant à :
-A déterminer l’angle électrique (θ),
-B estimer des premières valeurs (Kq’, ΔK’) desdites raideurs de quadrature et d’égalisation à partir respectivement d’un premier (TrimQ) et d’un deuxième (TrimF) asservissement, lesdites premières valeurs étant estimées dans le repère onde X’Y’,
-C déterminer des deuxièmes valeurs (Kq, ΔK) desdites raideurs de quadrature et d’égalisation dans le repère capteur XY, à partir des premières valeurs desdites raideurs (Kq’,ΔK’) estimées à l’étape B,
-D déterminer la commande de quadrature (CTq) et la commande de fréquence (CTf) correspondant respectivement auxdites deuxièmes valeurs (Kq, ΔK) déterminées à l’étape C,
-E appliquer la commande de fréquence (CTf) et la commande de quadrature(CTq) déterminées à l’étape D.Method (100) for determining a quadrature command (CTq) and a frequency command (CTf) of a vibration wave generated by a resonator (Res) of an inertial angular sensor (10),
- the resonator (Res) having a plane and axisymmetric structure around two mutually perpendicular X and Y axes defining an XY sensor marker and comprising two vibrating mobile masses (M1, M2) arranged one around the other, coupled between they by coupling springs and configured to vibrate in phase opposition along a direction X' defining a wave marker X'Y',
- the resonator further comprising a plurality of electrostatic transducers controlled by electrical voltages and operating along the two axes X and Y, including at least, on at least one of the two masses:
- a pair of excitation transducers called E transducers configured to maintain the wave at a constant amplitude via an amplitude command (Ca) and, if necessary, to rotate said vibration wave via a precession command (Cp ),
-a pair of detection transducers called transducers D configured to detect the movements of the vibration wave,
- a pair of quadrature bias compensation transducers referred to as TQ transducers, configured to apply quadrature stiffness via quadrature control (CTq), the quadrature stiffness being configured to cancel a coupling stiffness between X' and Y ',
-a pair of frequency adjustment transducers called TF transducers, configured to apply an equalization stiffness via a frequency command (CTf), the equalization stiffness being configured to cancel a stiffness difference between X' and Y' so as to equalize the resonance frequencies of the vibration wave on X' and Y',
the method applying when the inertial sensor is in operation with a vibration wave vibrating along X' characterized by an electrical angle (θ),
the method comprising the steps of:
-To determine the electrical angle (θ),
-B estimate first values (Kq', ΔK') of said quadrature and equalization stiffnesses from respectively a first (TrimQ) and a second (TrimF) servo-control, said first values being estimated in the wave frame X'Y',
-C determining second values (Kq, ΔK) of said quadrature and equalization stiffnesses in the XY sensor frame, from the first values of said stiffnesses (Kq',ΔK') estimated in step B,
-D determining the quadrature command (CTq) and the frequency command (CTf) corresponding respectively to said second values (Kq, ΔK) determined in step C,
-E apply the frequency command (CTf) and quadrature command (CTq) determined in step D.
- une première phase dans laquelle l’angle électrique décrit une pluralité d’angle électrique (θi) obtenus en appliquant ladite commande de précession (Cp), les étapes A à E étant mises en œuvre pour chaque angle électrique (θi), l’étape D comprenant en outre une sous étape (MEM) de mémorisation de la valeur de commande de fréquence (CTfi) associée et une sous étape (MOD) de détermination d’une loi de variation (CTf(θ)) de la commande de fréquence en fonction de l’angle électrique,
- une deuxième phase dans laquelle le capteur inertiel fonctionne en mode gyroscope, l’angle électrique (θ) laissé libre résultant d’une rotation du capteur inertiel et étant mesuré (θm) par ledit capteur inertiel, la deuxième phase comprenant :
*une étape (BO) de mise en boucle ouverte du deuxième asservissement (TrimF), la commande de fréquence appliquée étant alors déterminée à partir de ladite loi de variation pour ledit angle de rotation mesuré (θm),
*une étape de détection d’un écart de fréquence de résonnance (Δf), l’étape de mise en boucle ouverte (BO) étant mise en œuvre tant que ledit écart de fréquence de résonnance est inférieur ou égal à un seuil prédéterminé (S),
*une étape de remise en boucle fermée dudit deuxième asservissement (TrimF) lorsque l’écart de fréquence (Δf) est supérieur audit seuil, le procédé rebouclant alors à la première phase pour une mise à jour de ladite loi de variation.A method (100) according to claim 1 comprising:
- a first phase in which the electrical angle describes a plurality of electrical angles (θi) obtained by applying said precession command (Cp), steps A to E being implemented for each electrical angle (θi), the step D further comprising a sub-step (MEM) for storing the associated frequency command value (CTfi) and a sub-step (MOD) for determining a law of variation (CTf(θ)) of the frequency command depending on the electrical angle,
- a second phase in which the inertial sensor operates in gyroscope mode, the electrical angle (θ) left free resulting from a rotation of the inertial sensor and being measured (θm) by said inertial sensor, the second phase comprising:
*a step (BO) of open-looping the second servo-control (TrimF), the frequency command applied then being determined from said law of variation for said measured angle of rotation (θm),
*a step of detecting a resonance frequency deviation (Δf), the open looping step (BO) being implemented as long as said resonance frequency deviation is less than or equal to a predetermined threshold (S ),
*a closed-loop reset step of said second servo-control (TrimF) when the frequency deviation (Δf) is greater than said threshold, the method then looping back to the first phase for an update of said variation law.
-une sous étape B1 de détermination d’une position (x’, y’) de l’onde de vibration dans le repère onde X’Y’ à partir de la mesure d’une position (x, y) de l’onde de vibration dans le repère capteur XY et de l’angle électrique (θ),
-une sous étape B2 d’estimation des premières valeurs (Kq’, ΔK’) desdites raideurs de quadrature et d’égalisation à partir de la dite positon dans le repère onde (x’, y’).Method according to one of the preceding claims, in which step B comprises:
-a sub-step B1 for determining a position (x', y') of the vibration wave in the wave reference X'Y' from the measurement of a position (x, y) of the wave of vibration in the XY sensor frame and of the electrical angle (θ),
a sub-step B2 of estimating the first values (Kq', ΔK') of said quadrature and equalization stiffnesses from said position in the wave frame (x', y').
-un résonateur (Res) présentant une structure plane et axisymétrique autour de deux axes X et Y perpendiculaires entre eux définissant un repère capteur XY, et comprenant deux masses mobiles vibrantes (M1, M2) disposées l’une autour de l’autre, couplées entre elles par des ressorts de couplage et configurées pour vibrer en opposition de phase selon une onde de vibration (OV) vibrant selon une direction X’ caractérisée par un angle électrique (θ) et définissant un repère onde X’Y’,
-le résonateur comprenant en outre une pluralité de transducteurs électrostatiques commandés par des tensions électriques et opérant selon les deux axes X et Y, dont au moins, sur au moins une des deux masses :
-une paire de transducteurs d’excitation dénommés transducteurs E configurés pour maintenir l’onde à une amplitude constante via une commande d’amplitude (Ca) et, le cas échéant, pour faire tourner ladite onde de vibration via une commande de précession (Cp),
-une paire de transducteurs de détection dénommés transducteurs D configurés pour détecter les mouvements de l’onde de vibration,
-une paire de transducteurs de compensation d’un biais en quadrature dénommés transducteurs TQ, configurés pour appliquer une raideur de quadrature via une commande de quadrature (CTq), la raideur de quadrature étant configurée pour annuler une raideur de couplage entre X’ et Y’,
-une paire de transducteur d’ajustement de fréquence dénommés transducteurs TF, configurés pour appliquer une raideur d’égalisation via une commande de fréquence (CTf), la raideur d’égalisation étant configurée pour annuler un écart de raideur entre X’ et Y’ de manière à égaliser les fréquences de résonnance de l’onde de vibration sur X’ et Y’,
- lesdites raideurs de quadrature et d’égalisation étant déterminées à partir respectivement d’un premier (TrimQ) et d’un deuxième (TrimF) asservissement,
-le capteur comprenant en outre une unité de traitement (UT) configurée pour déterminer ledit angle électrique (θ) et comprenant :
-un premier module (20) configuré pour estimer des premières valeurs (Kq’, ΔK’) desdites raideurs de quadrature et d’égalisation à partir respectivement du premier (TrimQ) et du deuxième (TrimF) asservissement, lesdites premières valeurs étant estimées dans le repère onde X’Y’,
-un deuxième module (21) configuré pour déterminer des deuxièmes valeurs (Kq, ΔK) desdites raideurs de quadrature et d’égalisation dans le repère capteur XY, à partir des premières valeurs desdites raideurs (Kq’,ΔK’),
-un ensemble de deux modules de gain électrique (Gq, Gf) configurés pour déterminer respectivement la commande de quadrature (CTq) correspondant à la deuxième valeur de la raideur de quadrature (Kq) et la commande de fréquence (CTf) correspondant à ladite deuxième valeur de raideur d’égalisation (ΔK),
lesdits transducteurs TF et TQ étant configurés pour appliquer respectivement ladite commande de fréquence (CTf) et ladite commande de quadrature(CTq) au résonateur.Inertial angular sensor (10) comprising:
-a resonator (Res) having a planar and axisymmetric structure around two mutually perpendicular X and Y axes defining an XY sensor marker, and comprising two vibrating mobile masses (M1, M2) arranged one around the other, coupled between them by coupling springs and configured to vibrate in phase opposition according to a vibration wave (OV) vibrating in a direction X' characterized by an electrical angle (θ) and defining a wave mark X'Y',
- the resonator further comprising a plurality of electrostatic transducers controlled by electrical voltages and operating along the two axes X and Y, including at least, on at least one of the two masses:
- a pair of excitation transducers called E transducers configured to maintain the wave at a constant amplitude via an amplitude command (Ca) and, if necessary, to rotate said vibration wave via a precession command (Cp ),
-a pair of detection transducers called transducers D configured to detect the movements of the vibration wave,
- a pair of quadrature bias compensation transducers referred to as TQ transducers, configured to apply quadrature stiffness via quadrature control (CTq), the quadrature stiffness being configured to cancel a coupling stiffness between X' and Y ',
-a pair of frequency adjustment transducers called TF transducers, configured to apply an equalization stiffness via a frequency command (CTf), the equalization stiffness being configured to cancel a stiffness difference between X' and Y' so as to equalize the resonance frequencies of the vibration wave on X' and Y',
- said quadrature and equalization stiffnesses being determined from respectively a first (TrimQ) and a second (TrimF) servo-control,
-the sensor further comprising a processing unit (UT) configured to determine said electrical angle (θ) and comprising:
-a first module (20) configured to estimate first values (Kq', ΔK') of said quadrature and equalization stiffnesses from respectively the first (TrimQ) and the second (TrimF) slaving, said first values being estimated in the X'Y' wave marker,
-a second module (21) configured to determine second values (Kq, ΔK) of said quadrature and equalization stiffnesses in the XY sensor frame, from the first values of said stiffnesses (Kq',ΔK'),
-a set of two electrical gain modules (Gq, Gf) configured to respectively determine the quadrature command (CTq) corresponding to the second value of the quadrature stiffness (Kq) and the frequency command (CTf) corresponding to said second equalization stiffness value (ΔK),
said transducers TF and TQ being configured to respectively apply said frequency command (CTf) and said quadrature command (CTq) to the resonator.
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Patent Citations (3)
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