Dynamics and control of a MEMS angle measuring gyroscope

This paper presents an algorithm for controlling vibratory MEMS gyroscopes so that they can directly measure the rotation angle without integration of the angular rate, thus eliminating the accumulation of numerical integration errors incurred in obtaining the angle from the angular rate. The proposed control algorithm consists of a weighted energy control and a mode tuning control. The weighed energy control compensates unequal damping terms and keeps the amplitude of oscillation constant in an inertial frame by maintaining the prescribed total energy. The mode tuning control continuously tunes mismatches in spring stiffness in order to maintain a straight line of oscillation for the proof mass. The simulation results demonstrate the feasibility of the control algorithm and the viability of the concept of using a vibratory gyroscope to directly measure rotation angle.     

Adaptive tracking control of an MEMS gyroscope with H-infinity performance

Microelectromechanical systems (MEMSs) pose unique measurement and control problems compared with conventional ones because of their small size,low cost,and low power consumption.The vibrating gyroscope is one of those MEMS devices that have significant potential in many industry applications.When the MEMS gyroscope system is considered simultaneously with the coupling terms,the exogenous disturbances and the parameter variations,the controller design of this system becomes very challenging.This paper investigates the primary control problem of a perturbed vibrating MEMS gyroscope.A nonlinear robust adaptive control scheme is proposed for the drive axis of a vibrating MEMS gyroscope.By combining the dynamic surface control (DSC) method with the H-infinity disturbance attenuation technique,a simpler systematic design procedure is developed.The derived H-infinity controller has a simplified structure,and it can drive the drive axis to resonance,regulate the output amplitude of the drive axis to a desired value,and attenuate the generalized disturbances.The features of the derived controller are discussed and illustrated by the simulation of a closed-loop system.The analysis and simulation show that the obtained controller possesses good adaptability and robustness to system uncertainties.     

基于单片机的GPS/MEMS陀螺仪航向角实时测量系统

针对陀螺仪测量误差随时间累积,GPS在动态环境中可靠性差等问题,提出并设计了一种基于单片机的GPS/MEMS陀螺仪航向角实时测量系统。该系统以C8051F021单片机为核心处理器,GPS与MEMS陀螺仪相组合,将GPS接收机中IPPS脉冲信号作为同步标签,实现GPS对陀螺仪航向角解算的实时修正,从而获得高精度和高可靠性...     

一种MEMS陀螺仪的标定方法研究

微机电系统(MEMS)陀螺仪的测量误差是影响微惯性导航系统精度的重要因素.为了提高微惯性导航系统的精度,提出了一种利用三轴转台完成MEMS陀螺仪的标定方法.根据MEMS陀螺仪的误差模型,设计了标定试验方案和误差模型参数的辨识方法,并通过小波阈值去噪的方法对陀螺的输出数据进行去噪处理.试验与仿真对比分析结果表明:经误差补偿和去噪后MEMS陀螺仪的测量精度提高1～2个数量级,同时验证了该标定方法的正确性、有效性.     

微机械陀螺仪检测反馈控制系统研究

以单自由度硅微振动轮式陀螺仪的检测动极板为控制对象,系统的结构特性决定了只能选择反馈控制方式对其进行控制。为实现这种控制对控制系统进行建模以及设计合适的校正环节。反馈方式控制的应用可以有效地改善系统的动态特性和稳态特性。加入校正环节后的系统幅值和相角裕度分别达到了17.5dB和57.3°,这为实际的应用提供了指导。     

大输出微控制力矩陀螺的设计

为了提高微控制力矩陀螺的输出力矩,提出了一种微型控制力矩陀螺的设计方案.所设计的微型控制力矩陀螺用角振动代替了传统控制力矩陀螺的转动,由转子角振动系统及框架角振动系统组成,实现了基于科氏效应的控制力矩输出.通过框架角振动系统的电极位置居中设置及在玻璃上挖槽的设计,避免了静电吸合现象.四个完全相同的微型控制力矩陀螺构成一...     

高性能微机械陀螺接口电路研究

微机械陀螺输出信号非常微弱,从系统角度对其接口电路进行研究,采用闭环驱动,通过改善驱动信号稳定性及陀螺输出端接口电路,系统性能得到较大提高,改善后系统灵敏度9.8 mV/(o)·s-1,非线性度0.43%,分辨率达180°/h.     

一种数字陀螺中∑-△ DAC的数字调制器设计和验证

采用单环级联分布式前馈结构(CIFF)设计并实现了一款三阶四比特量化的∑-△数字调制器.噪声传递函数通过局部反馈技术进行了零点优化,并且对各系数进行CSD (Canonical Signed Digit)编码优化.系统建模仿真结果得到SNDR为120.3 dB,有效位数(ENOB)为19.7位.针对多位量化适配问题,采用数据加权平均(DWA)算法对误差进行噪声整形,以减小失配引起的非线性误差.利用增加单元DAC的方法,对DWA算法进行改进,解决了其在直流或低频周期信号下会产生杂波的问题,并对其进行系统建模与仿真.最后利用FPGA验证了IDWA-DAC系统模型的正确性,这种结构能够有效提高动态范围,满足设计要求.     

MEMS陀螺振动特性试验技术

对于MEMS振动陀螺来说,找到一个快速有效的方法来评估其结构参数是非常重要的,比如谐振频率和阻尼系数,应根据微机械陀螺设计和制作的不同阶段,从测试精度、测试速度和试验方便程度等方面考虑,采用不同的方法进行动态试验。本文给出了一种能够判断MEMS器件振动特性的可靠的电测试系统,并通过分析和实验比较了几种微机械陀螺振动系统传递函数的快速测定方法,分析讨论了微机械陀螺振动系统测试方法和数据处理等问题。     

微机械陀螺仪模态分析

利用计算机软件对有限元法构建的微机械陀螺仪模型进行分析可以掌握其各种参数。根据静电梳状驱动结构,设计符合性能指标的陀螺仪结构,并利用有限元分析法借助ANSYS软件对陀螺仪进行模态分析,从而得出陀螺仪的驱动模态和敏感模态,为已经设计的结构提供分析和修正的参考,从而提高微机械陀螺仪设计结构的品质因数。     

基于陀螺仪的坦克炮控稳定精度检测仪设计

火炮稳定精度决定了坦克炮控系统的性能。针对现有的稳定精度测试手段不足,首次提出了采用陀螺仪为传感器对坦克炮控系统稳定精度进行检测。以陀螺仪为传感器采集火炮角度信号,传送到数据采集电路进行处理,采集到的数据存储在测试仪的电子盘中。在测试仪中可以观察到火炮振动曲线,得到稳定精度,也可以将数据传送到计算机中对数据进一步处理。本检测仪采集到的角度位置与象限仪作比较,测量误差在1．5％以内,能够有效地对稳定精度进行检测。     

MEMS陀螺随机误差模型研究

对MEMS陀螺随机误差进行了实验测试及研究,选取状态方程模型,基于近年来发展起来的随机系统子空间辨识方法,对MEMS陀螺随机误差进行建模,结果与Allan方差方法分析的噪声特性相符合,经与ARMA等模型比较,在同等性能下,所建模型具有阶次低的优点,更加适合于实时在线优化估计器.所提方法可以不加修改直接应用于对多轴陀螺的处理.     

一种低功耗Sigma-Delta调制器的设计

采用改进的单环二阶2bit调制器架构和低功耗AB类放大器电路,实现了一种应用于无线收发机系统中的低功耗Sigma-Delta调制器。利用Matlab/Simulink进行了建模仿真,优化调制器系数,并采用TSMC0.18μmCMOS工艺进行了电路设计。电路仿真结果表明,在采样频率为1.2288MHz、过采样率为64时,调制器的信号噪声谐波失真比达到77.0dB,功耗为1.18mW,具有低功耗特点。     

基于介观压光效应的MEMS陀螺研究

依据介观压光效应原理,设计出了一种新型高灵敏谐振式MEMS陀螺,其利用镜像异质三周期光子晶体的介观压光效应代替传统压阻式微陀螺中的力敏电阻器,当光子晶体受轴向应力作用时,其透射率随之发生变化,因此,通过检测透射光强可解算出输入角速度的大小.陀螺结构采用4对梳齿电容驱动,驱动模块与检测模块相互独立,其具有耦合效应小,机械灵敏度高的特点.经数值计算与仿真分析,得到该微陀螺频率匹配率为0.6％,透射率灵敏度达到73μcd/(°)/s,证明了其频率匹配良好,可实现高灵敏度的角速度的测量.     

MEMS陀螺漂移误差建模与滤波

MEMS陀螺漂移误差直接影响光电稳定跟踪平台伺服机构的控制精度.针对MEMS陀螺随机漂移误差慢时变、弱非线性、难以准确补偿的特点,基于随机序列时序分析法的基本原理,对预处理后的MEMS陀螺漂移残差信号进行建模,并根据模型对残差信号进行Kalman滤波.结果显示滤波前后信号的方差提高了1到2个数量级,表明有效抑制了漂移误差,提高了MEMS陀螺的精度.     

MEMS射流角速率传感器中微悬空铂丝加工工艺的优化设计

MEMS射流角速率传感器的工作原理是当有外加角速度时,腔内射流发生偏转,此时腔内产生的不对称温度分布通过微悬空铂丝输出一个差分电压信号。由于器件中的气流在工作平面上作循环运动,这样器件的性能强烈依赖于悬空热敏检测丝的对称性和平整度。考察了不同退火条件对SiC支撑层内应力的影响,结果发现在450℃退火半小时的条件下产生低的张应力SiC,既满足了平整性要求又能很好地保护其下的玻璃衬底。还研究了不同厚度的SiC层在纯HF溶液中腐蚀1h对玻璃的保护和金属层的"起皮"现象,得出1μm厚的SiC能有效地防止玻璃表面被腐蚀,而延长反溅射的时间可避免金属层"起皮"现象发生。     

低成本MEMS陀螺实时滤波方法

为找到一种普遍适合低成本MEMS陀螺仪的随机误差实时处理方法,利用Allan方差分析法首先对MEMS陀螺仪进行分析,根据其误差特性进而设计了平均滤波算法以剔除粗大误差,然后使用最小二乘法,通过拟合前一段历史结果得到下一时刻输出的预测值,基于以上工作最终设计出Kalman滤波器对所输出进行滤波。由于将最小二乘法的推测作为预测过程,避免了系统状态模型难以准确建立的问题。该方法动态性能好,具有普适性。实验结果证明,该方法在静态和动态下均能有效工作,滤波后常值漂移被有效补偿,角度随机游走不再占误差的主要成分,均方差小于滤波前的十分之一。     

基于参数激励的MEMS环式陀螺驱动方法与实现

MEMS环式陀螺仪是一种基于哥氏力效应设计出的测量角速度的惯性传感器,其性能与驱动模态直接相关。因此,在传统PLL-AGC驱动控制方法中引入参数激励信号,按照参数激励法驱动陀螺仪,陀螺仪的刚度产生周期性变化,降低驱动信号从而抑制因电馈通导致的驱动端对敏感端产生的误差信号,提高陀螺仪灵敏度。对参数激励的效果进行研究,经实验表明,通过改变参数激励信号的参数,可在驱动响应稳定的前提下对驱动信号进行抑制,在实际测试中驱动信号的幅值下降22.75%。     

铂热敏电阻器在液浮陀螺仪温控系统中的应用

建立了液浮陀螺仪温控模型,深入分析了其结构组成和工作原理。针对所建立的数学模型对各个结构参数进行了分析研究。对满足条件的热敏线圈和铂热敏电阻器的温控系统进行了实验验证,实验结果表明:改进后温控系统的静态性能和动态性能得到加强,控制精度较之前未受影响,铂热敏电阻器的使用未影响液浮陀螺仪的各项性能指标,为液浮陀螺仪选择更可靠的温控元件提供了有力的依据。     

Robust output regulation of a triaxial MEMS gyroscope via nonlinear active disturbance rejection

This paper presents a nonlinear disturbance rejection–based controller for the robust output regulation of a triaxial microelectromechanical system (MEMS) vibratory gyroscope. In a MEMS gyroscope, parameter variations, mechanical couplings, suspension system nonlinearities, thermal noise, and centripetal/Coriolis forces are the main uncertainty sources. In the dynamical equations of the gyroscope, these uncertainties appear as a matched total disturbance, which does not coincide with the required structure of a standard output regulation problem. More specifically, the total disturbance is not guaranteed to belong to the solution space of a fixed dynamical system. Therefore, we propose a control system that comprises a nominal output regulator equipped with a disturbance rejection loop. On the basis of a suitable reference dynamics of the gyroscope, the control system is developed as the stabilization of a zero‐error invariant manifold in the tracking error space. In the disturbance rejection loop, a nonlinear extended state observer (ESO) is designed to estimate the total disturbance. The convergence of the ESO is analyzed in a Lyapunov‐Lurie framework by linear matrix inequalities (LMIs). In the nominal output regulation loop, the stabilization problem of the desired manifold is tackled by introducing a suitable distance coordinate. Next, to achieve guaranteed attenuation of the ESO estimation errors, an energy‐to‐peak design is pursued. On the basis of the center manifold theory, the stability of the overall closed‐loop system is guaranteed. The efficacy of the proposed control method is assessed through software simulations.