RU2301970C1 - Micro-mechanical vibration gyroscope - Google Patents
Micro-mechanical vibration gyroscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2301970C1 RU2301970C1 RU2006102652/28A RU2006102652A RU2301970C1 RU 2301970 C1 RU2301970 C1 RU 2301970C1 RU 2006102652/28 A RU2006102652/28 A RU 2006102652/28A RU 2006102652 A RU2006102652 A RU 2006102652A RU 2301970 C1 RU2301970 C1 RU 2301970C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- axis
- link
- signal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое устройство относится к приборам, измеряющим угловую скорость, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ).The proposed device relates to devices that measure angular velocity, in particular to micromechanical gyroscopes (MMG).
Известны микромеханические гироскопы и устройства преобразования электрических сигналов в них (см. патенты США №6571630, 6715353, 5992233, 6370937, 5672949). Выходной сигнал по выходной координате гироскопа может содержать помимо полезного сигнала квадратурную помеху (так называют составляющую сигнала, фаза которой сдвинута на 90° по отношению к полезной составляющей). Под действием силы, обусловленной наличием квадратурной помехи, которая может превосходить максимальный полезный сигнал, амплитуда колебаний ротора может подойти к предельным допустимым значениям, которые определяются зазором между ротором и основанием, что в конечном счете приводит к уменьшению динамического диапазона работы ММГ. Разные методы подавления квадратурной помехи используются в технике: так в гироскопе по пат. США №6715353 используют параметрический резонанс, в устройстве по пат. США №6067858 (фиг.17а, 18) формируют постоянное напряжение на специальных электродах, в статье Андреевой Т.А., Некрасова Я.А. "Адаптивная система подавления квадратурной помехи в микромеханическом гироскопе". - Гироскопия и навигация, 2005 г., №3 (50), стр 79, СПб.: ЦНИИ "Электроприбор"; и на сайте: http://www.elektropribor.spb.ru/cnf/kmu7/dokl/s3-7.zip применяется компенсационный метод. Другим способом уменьшения влияния квадратурной помехи на динамический диапазон работы ММГ является введение отрицательной обратной связи по перемещению подвижной массы по оси вторичных колебаний (В.Я.Распопов Микромеханические приборы, рис.5.58). В статье Woon-Tahk Sung и др. "Н∞ Controller Design of MEMS Gyroscope and Its Performance Test" (№0-7803-8416-4/04/$20.00©2004 IEEE) описывается ММГ, включающий в себя подвижный механический элемент, измерительные электроды, к которым подключен вход пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора (см. Бесекерский В.А. Динамический синтез систем автоматического регулирования. - М., Наука, 1970, стр.329), и силовые электроды, на которых формируется напряжение с выхода ПИД-регулятора и ротор на резонансном подвесе, образующие систему, в которой измеряются силы, действующие на ротор и стабилизирующие его положение. В случае, когда в ММГ отсутствует квадратурная помеха, то сформированное напряжение пропорционально Кориолисову ускорению. При наличии квадратурной помехи в напряжении будет присутствовать составляющая, пропорциональная этой помехе, что является недостатком данного ММГ, в результате которого ухудшается точность гироскопа. Таким образом описанный ММГ может использоваться только в случае отсутствия квадратурной помехи.Known micromechanical gyroscopes and devices for converting electrical signals into them (see US patent No. 6571630, 6715353, 5992233, 6370937, 5672949). The output signal along the output coordinate of the gyroscope can contain, in addition to the useful signal, a quadrature interference (the so-called component of the signal whose phase is shifted 90 ° with respect to the useful component). Under the action of the force due to the presence of quadrature interference, which can exceed the maximum useful signal, the amplitude of the rotor oscillations can approach the maximum permissible values, which are determined by the gap between the rotor and the base, which ultimately leads to a decrease in the dynamic range of MMG operation. Different methods of suppressing quadrature interference are used in technology: so in the gyroscope according to US Pat. US No. 6715353 use parametric resonance in the device according to US Pat. USA No. 6067858 (figa, 18) form a constant voltage on special electrodes, in an article by Andreeva T.A., Nekrasov Y.A. "Adaptive quadrature interference suppression system in a micromechanical gyroscope." - Gyroscopy and navigation, 2005, No. 3 (50), p. 79, St. Petersburg: Central Research Institute "Electropribor"; and on the website: http://www.elektropribor.spb.ru/cnf/kmu7/dokl/s3-7.zip the compensation method is used. Another way to reduce the influence of quadrature noise on the dynamic range of MMG operation is to introduce negative feedback on the movement of the moving mass along the axis of secondary vibrations (V.Ya.Raspopov Micromechanical devices, Fig.5.58). An article by Woon-Tahk Sung et al. “H ∞ Controller Design of MEMS Gyroscope and Its Performance Test” (No. 0-7803-8416-4 / 04 / $ 20.00 © 2004 IEEE) describes an MMG including a movable mechanical element, measuring electrodes to which the input of the proportional-integral-differential (PID) controller is connected (see Besekersky VA Dynamic synthesis of automatic control systems. - M., Nauka, 1970, p. 299), and power electrodes on which voltage is generated from the output of the PID controller and the rotor on a resonant suspension, forming a system in which the forces acting on the rotor are measured and stabilizing his position. In the case when there is no quadrature interference in the MMG, the generated voltage is proportional to the Coriolis acceleration. In the presence of quadrature interference, a component proportional to this interference will be present in the voltage, which is a disadvantage of this MMG, as a result of which the accuracy of the gyroscope deteriorates. Thus, the described MMG can be used only in the absence of quadrature interference.
Известны ММГ, описанные в статье Андреевой Т.А., Некрасова Я.А. Адаптивная система подавления квадратурной помехи в микромеханическом гироскопе. - Гироскопия и навигация, 2005 г., №3 (50), стр 79, СПб.: ЦНИИ "Электроприбор"; и на сайте: http://www.elektropribor.spb.ru/cnf/kmu7/dokl/s3-7.zip, в которых при малом уровне квадратурной помехи ротор совершает перемещения под действием Кориолисовой силы и силы, обусловленной наличием квадратурной помехи. Эти перемещения, измеряемые емкостными датчиками, содержат информацию как о полезной составляющей, так и о квадратурной помехе. Последняя подавляется в описанном ММГ в канале обработки выходных сигналов за счет формирования напряжения, компенсирующего помеху. Этот ММГ обладает невысокой чувствительностью в результате работы на малом коэффициенте усиления, так как увеличение коэффициента в данном ММГ приводит к большой нелинейности.MMG are known, described in the article by Andreeva T.A., Nekrasov Y.A. Adaptive quadrature interference suppression system in a micromechanical gyroscope. - Gyroscopy and navigation, 2005, No. 3 (50), p. 79, St. Petersburg: Central Research Institute "Electropribor"; and on the website: http://www.elektropribor.spb.ru/cnf/kmu7/dokl/s3-7.zip, in which, at a low level of quadrature interference, the rotor moves under the influence of the Coriolis force and the force due to the presence of quadrature interference. These movements, measured by capacitive sensors, contain information about both the useful component and the quadrature interference. The latter is suppressed in the described MMG in the channel for processing output signals due to the formation of a voltage that compensates for interference. This MMG has a low sensitivity as a result of working at a low gain, since an increase in the coefficient in this MMG leads to large nonlinearity.
Устройство, описанное в статье Woon-Tahk Sung, Jang Gyu Lee "H∞ Controller Design of MEMS Gyroscope and Its Performance Test" (№0-7803-8416-4/04/$20.00©2004), является наиболее близким к предлагаемому устройству и выбрано в качестве прототипа.The device described in Woon-Tahk Sung, Jang Gyu Lee's article “H ∞ Controller Design of MEMS Gyroscope and Its Performance Test” (No. 0-7803-8416-4 / 04 / $ 20.00 © 2004) is the closest to the device and selected as a prototype.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение чувствительности, линейности и точности ММГ.The problem to which the invention is directed is to increase the sensitivity, linearity and accuracy of MMG.
Решение указанной задачи достигается тем, что в микромеханический гироскоп вибрационного типа введены последовательно соединенные усилитель и дифференцирующее звено, включенные между парами электродов по оси вторичных колебаний, последовательно соединенные фазовращательное звено и демодулятор, при этом вход фазовращательного звена подключен к выходу емкостного датчика по оси первичных колебаний, отличающееся тем, что между выходом дифференцирующего звена и входом демодулятора введено устройство подавления квадратуры, второй вход которого подключен к выходу емкостного датчика по оси первичных колебаний.The solution to this problem is achieved by the fact that a serially connected amplifier and a differentiating element are inserted into the micromechanical gyroscope, connected between the pairs of electrodes along the secondary oscillation axis, a phase-shifting link and a demodulator are connected in series, while the input of the phase-shifting link is connected to the output of the capacitive sensor along the primary oscillation axis characterized in that between the output of the differentiating link and the input of the demodulator, a quadrature suppression device is introduced, the second input which is connected to the output of the capacitive sensor along the axis of the primary oscillations.
Кроме того, решение указанной задачи достигается тем, что устройство подавления квадратуры выполнено в виде последовательно соединенных первого умножителя, интегратора, второго умножителя, демодулятора, фильтра низкой частоты, сумматора и усилителя, первый вход сумматора соединен с выходом дифференцирующего звена, второй вход - с выходом второго умножителя, вторые входы умножителей подключены к выходу емкостного датчика по оси первичных колебаний. Основное преимущество предлагаемого изобретения обусловлено заявленной совокупностью признаков.In addition, the solution to this problem is achieved by the fact that the quadrature suppression device is made in the form of series-connected first multiplier, integrator, second multiplier, demodulator, low-pass filter, adder and amplifier, the first adder input is connected to the output of the differentiating link, the second input to the output the second multiplier, the second inputs of the multipliers are connected to the output of the capacitive sensor along the axis of the primary oscillations. The main advantage of the invention is due to the claimed combination of features.
Заявленное устройство поясняется чертежами.The claimed device is illustrated by drawings.
На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства.Figure 1 shows a block diagram of the proposed device.
На фиг.1 приняты следующие обозначения:In figure 1, the following notation:
1 - чувствительный элемент микромеханического гироскопа;1 - a sensitive element of a micromechanical gyroscope;
2 - измерительные электроды;2 - measuring electrodes;
3 - силовые электроды;3 - power electrodes;
5, 7 - емкостные датчики;5, 7 - capacitive sensors;
6 - фазовращатель;6 - phase shifter;
8 - усилитель;8 - amplifier;
9 - дифференцирующее звено;9 - differentiating link;
10 - устройство подавления квадратуры;10 is a quadrature suppression device;
11 - демодулятор.11 - demodulator.
12 - фильтр низких частот;12 - low pass filter;
13 - сумматор;13 - adder;
14 - усилитель;14 - amplifier;
15, 17 - второй и первый умножители соответственно.15, 17 - the second and first multipliers, respectively.
16 - интегратор.16 - integrator.
На фиг.2 приведены графики сигналов в предложенном устройстве.Figure 2 shows the graphs of the signals in the proposed device.
На фиг.2 приняты следующие обозначения:In figure 2, the following notation:
А - изменение во времени сигнала на выходе элемента 16 при скачке на входе элемента 13 сигнала, с квадратурной помехой и полезной составляющей;And - the change in time of the signal at the output of the element 16 with a jump at the input of the element 13 of the signal, with quadrature noise and useful component;
Б - сигнал на выходе элемента 15.B - signal at the output of element 15.
Чувствительный элемент 1 состоит из подвижного элемента 2, измерительных электродов по осям первичных и вторичных колебаний 3 и силовых электродов 4. К измерительным электродам 3 подключены емкостные датчики 5 и 7, преобразующие емкость в напряжение. К выходу емкостного датчика 7 по оси вторичных колебаний последовательно подключены усилитель 8 и дифференцирующее звено 9. Выход дифференцирующего звена соединен с силовыми электродами 4 ЧЭ 1 и с входом устройства подавления квадратуры 10, выход которого соединен с входом демодулятора 11. Второй вход устройства 10 соединен с входом фазовращателя 6 и выходом емкостного датчика 5 по первичной оси. Выход фазовращателя соединен со вторым входом демодулятора 11, выход которого соединен с входом ФНЧ 12.The sensing element 1 consists of a movable element 2, measuring electrodes along the axes of primary and secondary vibrations 3 and power electrodes 4. Capacitive sensors 5 and 7 are connected to the measuring electrodes 3, which convert the capacitance to voltage. An amplifier 8 and a differentiating element 9 are connected in series to the output of the capacitive sensor 7 along the axis of secondary vibrations. The output of the differentiating element is connected to power electrodes 4 of CE 1 and to the input of the squelch suppression device 10, the output of which is connected to the input of the demodulator 11. The second input of the device 10 is connected to the input of the phase shifter 6 and the output of the capacitive sensor 5 along the primary axis. The output of the phase shifter is connected to the second input of the demodulator 11, the output of which is connected to the input of the low-pass filter 12.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Под действием силы Кориолиса и сил, возникающих из-за не- жесткости торсионов, ротор начинает отклоняться. Сигнал, преобразованный в напряжение при помощи емкостного датчика 7, пропорциональный отклонениям ротора, через усилитель 8 поступает на дифференцирующее звено 9, обеспечивающее устойчивость замкнутой системы. Сигнал с выхода дифференцирующего звена 9 подается на силовые электроды 3. При глубокой обратной связи ротор будет находиться в неподвижном состоянии. Сигнал на выходе дифференцирующего звена 9 содержит полезную и квадратурную составляющие. Он поступает на устройство подавления квадратуры 10, где усиливается элементом 14 и поступает на вход первого умножителя 17. Поскольку на второй вход умножителя 17 поступает напряжение той же частоты, что и на первый вход, элемент 17 осуществляет фазочувствительное детектирование входного сигнала и выделяет сигнал, синфазный с сигналом, поступающим от усилителя 14, т.е. квадратурную помеху. Выделенный сигнал интегрируется элементом 16 и модулирует сигнал с выхода фазовращателя с помощью второго умножителя 15. Выходной сигнал второго умножителя 15 суммируется сумматором 13 с сигналом с выхода дифференцирующего звена 9. Поскольку квадратурная помеха и выходной сигнал второго умножителя 15 находятся в противофазе, происходит подавление квадратурной помехи. Выходной сигнал с устройства подавления квадратуры с уже скомпенсированной квадратурной помехой поступает на демодулятор 11, где перемножается с сигналом, сдвинутым фазовращателем 6 на 90° по отношению к напряжению на выходе емкостного датчика по оси первичных колебаний, т.е. с синфазным сигналом. Затем сигнал, содержащий только полезную составляющую, фильтруется на ФНЧ 12. Таким образом, на выходе получаем напряжение, содержащее только информацию об угловой скорости основания ММГ.Under the influence of the Coriolis force and forces arising due to the rigidity of the torsion, the rotor begins to deviate. The signal converted to voltage using a capacitive sensor 7, proportional to the rotor deviations, is fed through an amplifier 8 to a differentiating link 9, which ensures the stability of a closed system. The signal from the output of the differentiating link 9 is fed to the power electrodes 3. With deep feedback, the rotor will be stationary. The signal at the output of the differentiating link 9 contains useful and quadrature components. It arrives at the squelch suppression device 10, where it is amplified by the element 14 and fed to the input of the first multiplier 17. Since the voltage of the same frequency as the first input is supplied to the second input of the multiplier 17, the element 17 performs phase-sensitive detection of the input signal and isolates the signal in phase with the signal coming from the amplifier 14, i.e. quadrature interference. The extracted signal is integrated by element 16 and modulates the signal from the output of the phase shifter using the second multiplier 15. The output signal of the second multiplier 15 is added by the adder 13 to the signal from the output of the differentiating link 9. Since the quadrature noise and the output signal of the second multiplier 15 are in antiphase, the quadrature interference is suppressed . The output signal from the quadrature suppression device with the already compensated quadrature noise is supplied to the demodulator 11, where it is multiplied with the signal shifted by the phase shifter 6 by 90 ° with respect to the voltage at the output of the capacitive sensor along the axis of the primary oscillations, i.e. with common mode signal. Then the signal containing only the useful component is filtered on the low-pass filter 12. Thus, the output is a voltage containing only information about the angular velocity of the base MMG.
Сигналы, приведенные на фиг.2, получены в результате моделирования предложенного устройства. Сигнал на выходе интегратора 16 изменяется до тех пор, пока сигнал с выхода элемента 15 не сравняется с квадратурной помехой на выходе дифференцирующего звена 9. До тех пор пока квадратурная помеха не скомпенсирована, полезная составляющая сигнала практически не выделяется.The signals shown in figure 2, obtained by modeling the proposed device. The signal at the output of the integrator 16 changes until the signal from the output of the element 15 is equal to the quadrature noise at the output of the differentiating link 9. Until the quadrature interference is compensated, the useful component of the signal is practically not allocated.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006102652/28A RU2301970C1 (en) | 2006-01-20 | 2006-01-20 | Micro-mechanical vibration gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2006102652/28A RU2301970C1 (en) | 2006-01-20 | 2006-01-20 | Micro-mechanical vibration gyroscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2301970C1 true RU2301970C1 (en) | 2007-06-27 |
Family
ID=38315587
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2006102652/28A RU2301970C1 (en) | 2006-01-20 | 2006-01-20 | Micro-mechanical vibration gyroscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2301970C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2447402C1 (en) * | 2010-12-07 | 2012-04-10 | Яков Анатольевич Некрасов | Compensation-type micromechanical gyroscope |
| RU2471149C2 (en) * | 2010-12-07 | 2012-12-27 | Яков Анатольевич Некрасов | Compensation-type micromechanical gyroscope |
| RU2535248C1 (en) * | 2013-08-21 | 2014-12-10 | Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Micromechanical gyroscope |
| RU2568147C1 (en) * | 2014-08-08 | 2015-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Gyro accelerometer with rotor electrostatic suspension and complete primary info |
| RU2697031C1 (en) * | 2018-10-31 | 2019-08-08 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Micromechanical gyro control system |
-
2006
- 2006-01-20 RU RU2006102652/28A patent/RU2301970C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| WOON-TANK SUNG et al. H ∞ Controller Design of MEMS Gyroscope and Its Performance Test. 0-7803-8416-4/04/20$, 2004, IEEE,. ПЕШЕХОНОВ В.Г. и др. Результаты разработки микромеханического гироскопа. XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 23-25 мая 2005 г., Санкт-Петербург, с.268-274. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2447402C1 (en) * | 2010-12-07 | 2012-04-10 | Яков Анатольевич Некрасов | Compensation-type micromechanical gyroscope |
| RU2471149C2 (en) * | 2010-12-07 | 2012-12-27 | Яков Анатольевич Некрасов | Compensation-type micromechanical gyroscope |
| RU2535248C1 (en) * | 2013-08-21 | 2014-12-10 | Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Micromechanical gyroscope |
| RU2568147C1 (en) * | 2014-08-08 | 2015-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Gyro accelerometer with rotor electrostatic suspension and complete primary info |
| RU2697031C1 (en) * | 2018-10-31 | 2019-08-08 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Micromechanical gyro control system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106629571B (en) | A kind of weak coupling MEMS resonant formula accelerometer based on mode localization effect | |
| WO2018197857A1 (en) | High performance micro-electro-mechanical systems accelerometer | |
| CN111578923A (en) | Closed-loop control method and system for resonant gyroscope | |
| EP2098823B1 (en) | Accelerometer with offset compensation | |
| KR100592985B1 (en) | Vibration type angular velocity sensor | |
| JP5991431B2 (en) | Improved vibratory gyroscope | |
| GB2505875A (en) | Dual and triple axis inertial sensors and methods of inertial sensing | |
| AU2008200126A1 (en) | Combined accelerometer and gyroscope system | |
| US10260878B2 (en) | Gyroscope with simplified calibration and simplified calibration method for a gyroscope | |
| RU2301970C1 (en) | Micro-mechanical vibration gyroscope | |
| WO2002010678A1 (en) | Angular sensor and drive feedback for adjusting error | |
| CN110631570A (en) | System and method for improving temperature stability of silicon micro gyroscope scale factor | |
| US11604207B2 (en) | High performance micro-electro-mechanical systems accelerometer with suspended sensor arrangement | |
| CN111551162A (en) | System and method for demodulating phase angle compensation of normal-pressure packaged MEMS gyroscope | |
| JP5684374B2 (en) | Angular velocity sensor with improved aging characteristics | |
| RU2447403C1 (en) | Micromechanical gyroscope | |
| EP3237844B1 (en) | Method for suppresion of g-sensitivity of mems gyroscope | |
| RU2393428C1 (en) | Compensation-type micromechanical gyroscope | |
| RU2308682C1 (en) | Method of adjusting resonance frequency of suspension of movable mass of gyroscope | |
| RU2316731C1 (en) | Method for adjusting resonance frequency of mobile mass suspension of micro-mechanical gyroscope with deep check connection on basis of speed of movement of mobile mass along secondary oscillations axis and a micro-mechanical gyroscope | |
| RU2471149C2 (en) | Compensation-type micromechanical gyroscope | |
| CN112797968A (en) | Gyro bandwidth expanding method, device and system under force balance closed loop detection | |
| RU2626570C1 (en) | Micromechanical gyroscope rr-type | |
| RU2370733C1 (en) | Vibration-type micromechanical gyro | |
| RU2274833C1 (en) | Device for transforming signals of micro-mechanical vibration-type gyroscope |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HK4A | Changes in a published invention | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200121 |