автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.03, диссертация на тему:Управление первичными и вторичными колебаниями микромеханического гироскопа

На правах рукописи Ковалев Андрей Сергеевич

УПРАВЛЕНИЕ ПЕРВИЧНЫМИ И ВТОРИЧНЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА

Специальность 05.11 03 - Приборы навигации

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2008

ООЗ163569

003163569

Работа выполнена в Федеральном Государственном Унитарном Предприятии ЦНИИ «Электроприбор» - Государственный научный центр Российской Федерации

Защита состоится 20 февраля 2008 года в 15 часов на заседании диссертационного совета ДС 411 007 01 при ФГУП ЦНИИ «Электроприбор» по адресу 197046, Санкт-Петербург, ул Малая Посадская, д 30

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП ЦНИИ «Электроприбор»

Научный руководитель

Пономарев Валерий Константинович, кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты

Лукьянов Дмитрий Павлович, доктор технических наук, профессор,

Филонов Олег Михайлович, кандидат технических наук, доцент

Ведущая организация механики

ОАО «Авангард»

Автореферат разослан

2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета, ^

доктор технических наук, профессор Колесов Н В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации Освоение технологии изготовления 3D механических структур с использованием оборудования, применяемого в микроэлектронике, открыло путь к созданию сверхминиатюрных электромеханических систем Это новое направление в области приборостроения получило название технологии МЭМС (микроэлектромеханических систем) Наиболее сложными МЭМС устройствами являются микромеханические гироскопы (ММГ), появившиеся на рынке сравнительно недавно

Работы по созданию ММГ начались с 1990-х г в ряде ведущих лабораторий и институтов зарубежных стран В настоящее время несколько крупных зарубежных фирм серийно выпускают ММГ низкого класса точности, например, Analog Devices, Epson, BAE, Honeywell, Bosch и др

В зарубежных странах ММГ используются в автомобильной промышленности, робототехнике, системах стабилизации различных объектов от беспилотных летательных аппаратов до видеокамер

Повышение точности ММГ позволит использовать их в новых областях гражданской и военной техники, в частности для обеспечения навигации и управления малыми подвижными объектами Примерами таких объектов являются беспилотные летательные аппараты или "интеллектуальные снаряды"

В России разработка ММГ находится на этапе изготовления и исследования опытных образцов Однако важность этого направления приборостроения подтверждается списком критических технологий, утвержденным президентом России 21 05 2006 (п п 11 и 23) В настоящее время отечественные производители миниатюрных интегрированных систем используют зарубежную элементную базу (например, система STA30 разработки НТЦ "РИССА") Производство отечественных ММГ позволит заместить импортируемую технику и снизить зависимость разработчиков от зарубежных поставщиков

Принцип действия ММГ основан на измерении вторичных колебаний инерционной вибрирующей массы, которые возникают под действием кориолисовых сил инерции при вращении основания Одним из эффективных способов увеличения точности в таких гироскопах является использование резонансных свойств чувствительного элемента (ЧЭ) датчика При этом первичные колебания возбуждаются на собственной частоте его механического резонанса Максимальная чувствительность датчика достигается при равенстве собственных частот первичных и вторичных колебаний Однако погрешности изготовления не позволяют обеспечить такую настройку с необходимой точностью Кроме того, приборы с резонансной настрой-

кой имеют очень узкую полосу пропускания Специалисты считают, что наиболее эффективный путь повышения точности - это создание приборов с активным управлением характеристиками первичных и вторичных колебаний

Вопросам разработки высокоточных ММГ и повышения их точности посвящено множество статей и патентов, при этом в большей их части объектом исследований и разработки являются приборы прямого типа измерения

Публикации о принципах создания высокоточных ММГ компенсационного типа носят более поверхностный или фрагментарный характер, что обусловлено, по всей видимости, стремлением авторов защитить свои "ноу-хау", а так же тем, что высокоточные ММГ являются в ряде стран (США, Франция, Германия, Великобритания) продукцией двойного назначения

Среди доступных публикаций можно отметить стандарт IEEE 1431-2004 по испытаниям ММГ, а также статьи зарубежных исследователей Geen J , Ward Р, Clark W A , Shkel A, Geiger W, Link T

В России публикаций о разработках ММГ существенно меньше Причиной этого является несовершенство отечественной технологической базы и недостаточное финансирование проектов Разработки ММГ ведутся в ГНЦ ФГУП "ЦНИИ "Электроприбор"", ЗАО "Гирооптика", Раменском РПКБ, на кафедрах университетов СПб ГУАП, МИЭТ, ТРТУ и др Из отечественных публикаций можно отметить монографии В Я Распопова и А С Неаполитанского, статьи А М Лестева, Л П Несенюка, М И Евстифеева, С Г Кучеркова, Л А Северова, В К Пономарева, А И Панферова, Я А Некрасова, Ю В Шадрина, В Э Джашитова, Ю А Чаплыгина, Д П Лукьянова, А П Мезенцева

Целью диссертационной работы является разработка научных основ и методик проектирования систем управления первичными и вторичными колебаниями в ММГ

Для достижения данной цели в работе решены следующие основные задачи

1 Составлена уточненная модель ММГ, учитывающая влияние моментов электростатического тяжения со стороны электромеханических элементов конструкции

2 Проанализировано влияние моментов внешних сил на динамику ротора ММГ

3 Получены математические модели динамики для амплитуды первичных колебаний и огибающих вторичных колебаний ММГ

4 Исследованы методы возбуждения первичных колебаний

5 На основе амплитудных моделей разработаны и исследованы методы стабилизации параметров первичных колебаний

6 Исследованы методы управления вторичными колебаниями путем организации позиционной и демпфирующей обратной связи в ММГ

7 Разработан и исследован метод совмещения частот первичных и вторичных колебаний на основе фазовых измерений

8 Разработана методика синтеза регулятора в системе управления вторичными колебаниями при реализации режима совмещенных частот

9 Обоснована возможность организации управления фазными составляющими с использованием моделей синфазной и квадратурной огибающих вторичных колебаний

10 Получено теоретическое и экспериментальное подтверждение работоспособности контуров управления первичными и вторичными колебаниями, синтезированных по разработанным методикам

Методы исследования

Для решения поставленной задачи в работе использовались методы и аппарат теоретической механики, теории колебаний, теории автоматического управления, цифровой обработки информации, математического анализа и компьютерного моделирования

Новыми научными результатами являются

- математическая модель ММГ роторного типа, учитывающая влияние моментов электростатического тяжения со стороны электромеханических элементов конструкции,

- классификация систем управления первичными колебаниями ММГ на основе разработанных классификационных признаков,

- математические модели динамики амплитуды первичных колебаний и огибающих синфазной и квадратурной составляющих колебаний ММГ по оси вторичных колебаний, а также методики их получения,

- методика синтеза системы стабилизации параметров первичных колебаний ММГ на основе амплитудных моделей динамики,

- методики синтеза системы управления вторичными колебаниями ММГ, основанные на моделях динамики огибающих, с использованием амплитудных и фазовых детекторов, реализующие режим совмещенных частот и формирование требуемой полосы пропускания датчика,

аналитические выражения для передаточных функций синфазной и квадратурной составляющих вторичных колебаний, а также методики их получения

Практическая ценность В ходе выполнения работы получены следующие результаты, имеющие практическую ценность

1 Разработаны структурные схемы и алгоритмы работы регуляторов системы возбуждения первичных колебаний, реализующие принципы автогенерации и фазовой автоподстройки частот (ФАПЧ) опорного генератора, со стабилизацией амплитуды колебаний угла или кинетического момента ЧЭ ММГ

2 Разработана структурная схема регулятора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для возбуждения и стабилизации параметров первичных колебаний

3 Разработаны структурные схемы регуляторов для демпфирования вторичных колебаний ЧЭ ММГ

4 Разработаны структурная схема и алгоритм регуляторов системы совмещения частот первичных и вторичных колебаний на базе фазового детектора, а также система компенсации момента сил Кориолиса в режиме совмещенных частот

Достоверность научных и практических результатов подтверждается

использованием корректных математических приемов, сопоставлением аналитических результатов, данных, полученных в ходе математического моделирования и экспериментальных исследований,

- прохождением экспертизы в Российском агентстве по патентам и товарным знакам и положительным решением на выдачу патента на систему управления по оси вторичных колебаний и сертификата Роспатента на программу автоматического расчета системы управления по оси первичных колебаний ММГ "Микродрайвер",

- критическим обсуждением результатов работы на научно-технических конференциях

Внедрение результатов:

синтезированная система управления первичными колебаниями (автогенераторная схема с астатической системой стабилизации амплитуды и пороговым включателем) реализована в изделиях "ММГ-1", "ММГ-2", "Микронавигация-1",

- синтезированная система управления вторичными колебаниями (с демпфированием вторичных колебаний) реализована в изделиях "ММГ-1", "ММГ-2", "Микронавигация-Г',

- разработан стенд полунатурного моделирования содержащий компьютер управления работой стенда, компьютер для реализации систем управления с уста-

новленной платой АЦП/ЦАП, преобразователь «емкость-напряжение», микромеханическую часть ММГ

разработанные алгоритмы возбуждения и стабилизации первичных колебаний используются в стендовом испытательном оборудовании, на котором осуществляется входной контроль ЧЭ микромеханических датчиков и определяются их конструктивные параметры зазоры, собственные частоты, добротности, нелинейности резонансных характеристик, смещения нуля, соотношение синфазных и квадратурных моментов и их амплитуда

На защиту выносятся следующие основные положения

1 Математическая модель ММГ роторного типа, учитывающая влияние моментов тяжения со стороны электромеханических элементов конструкции

2 Классификация систем управления первичными колебаниями ММГ по ряду классификационных признаков, обобщающая доступную информацию по различным схемам систем управления ММГ

3 Математические модели динамики амплитуды первичных колебаний и огибающих синфазной и квадратурной составляющих колебаний ММГ по оси вторичных колебаний и методики их получения

4 Методики синтеза и структуры систем управления ММГ по оси первичных колебаний на основе амплитудных моделей, реализующих принципы автогенерации или ФАПЧ опорного генератора, со стабилизацией параметров колебаний, амплитудным и ШИМ регуляторами

5 Методики синтеза и структуры систем управления вторичными колебаниями ММГ, основанные на моделях огибающих синфазной и квадратурной составляющих колебаний с использованием амплитудных и фазовых детекторов в контуре совмещения частот

Апробация работы и публикации По теме диссертации имеется 18 опубликованных работ, из них 4 статьи в научно-технических журналах, рекомендуемых ВАК, 9 докладов на конференциях, 3 доклада на международных конференциях, 1 на отраслевых конференциях, 1 авторское свидетельство и 1 решение о выдаче патента

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы Общий объем диссертации составляет 158 страниц, в тексте имеется 82 рисунка и 8 таблиц

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, а также основные положения, выносимые на защиту, дается краткий обзор содержания диссертации по главам Также во введении приводится анализ современного уровня развития в области микромеханических датчиков

В первой главе уточняется математическая модель ММГ роторного разработки ФГУП "ЦНИИ "Электроприбор"" Конструкция чувствительного элемента ММГ содержит ротор, датчики угла первичных и вторичных колебаний, электростатический привод, датчик момента Диаметр ротора 3 мм, зазоры в конструкциях датчиков угла и момента 2 мкм, добротности колебаний по осям первичных и вторичных колебаний составляют порядка 105 и 104, соответственно

Анализ конструкции позволил уточнить влияние моментов электростатического тяжения на момент, развиваемый датчиком момента Показано, что в первом приближении для малых углов отклонения ротора справедливо записать М лмвк = 1дмо + Сдм! + 1ду\)о, (1)

''¡Mo = ~ Uг ) >

lJ!MI=2kduAilv(Ui2+U21),

'.'/VI + kdy2&l)y2)Uкот2 ,

(х-"ДМ", "ДУГ', "ДУ2")

"о

Uj - UROT - U/JMBKl .

Ui = Urot ~ Uлмвкг

где МДША - момент датчика момента по оси вторичных колебаний, а - угол отклонения ротора по оси вторичных колебаний, k,)v - коэффициент датчика момента, ,, к0у2 - коэффициенты, описывающие геометрию датчика угла, д, - конструктивный параметр, Лд - средние радиусы от центра подвеса ротора до обкладок датчиков угла и момента, rf„ - зазор между обкладками датчиков и ротора ММГ, UR0T - напряжение на роторе, С/,, иг - разность потенциалов между обкладками датчика момента и ротором, UJ1MHhi, U ,MHhl - напряжения на обкладках датчика момента, - составляющая момента, не зависящая от угла отклонения ротора, lmn, lJ!v| - составляющие момента, возникающие при отклонении ротора на

угол а 8

Слагаемое (/,/Лп +/,/и)а является моментом электростатического тяжения, возникающим при наличии разности потенциалов между обкладками датчика угла и момента и ротором, влияющим на жесткость механической системы Анализ показал, что данный момент входит в уравнения динамики ротора по оси вторичных колебаний в виде положительной обратной связи, коэффициент которой пропорционален углу отклонения ротора относительно данной оси Снизить влияние данного момента можно, оптимизировав схему съема показаний ММГ или реализовав компенсационный режим измерения датчика, при котором отклонения ротора от оси вторичных колебаний незначительны

По оси первичных колебаний моменты электростатического тяжения со стороны датчиков угла и электростатического привода не возникает, что обусловлено симметричностью конструкции и схемой включения обкладок

Также анализ математической модели при наличии первичных колебаний собственной частоты позволил сгруппировать моменты, действующие на ротор по оси вторичных колебаний по следующим признакам

моменты синфазные с углом первичных колебаний, - моменты квадратурные (имеющие сдвиг на 90°) по отношению к углу первичных колебаний,

прочие моменты

Наибольшее влияние на характеристики датчика (коэффициент преобразования и смещение нуля) оказывают моменты, модулированные частотой первичных колебаний, действующие на ось вторичных колебаний При этом полезный момент сил Кориолиса является квадратурным по отношению к первичным колебаниям, возмущающие моменты могут иметь как синфазную, так и квадратурную составляющую, а суммарный момент м вычисляется с использованием выражений

М = Ш, СОЭ^/ +(0) ,

где Мк - суммарный квадратурный момент, действующий на ротор ММГ по оси вторичных колебаний за исключением момента Кориолиса, Мкор - момент Кориолиса, Мс - суммарный синфазный момент, V - частота первичных колебаний, тх - амплитуда суммарного момента, <р - фаза суммарного момента

Анализ влияния расстройки частот первичных и вторичных колебаний на коэффициент преобразования ММГ показал, что при больших расстройках частот большая часть полезной составляющей содержится в квадратурной составляющей выходного сигнала При совмещении частот полезная составляющая содержится в синфазной составляющей выходного сигнала (рис 1) Наименование составляющей соответствует фазе опорного сигнала по отношению к угловым колебаниям ротора по оси первичных колебаний, используемого для ее выделения в синхронном демодуляторе Соответственно, в приборах с разнесенными частотами для выделения полезной составляющей необходимо использовать опорный сигнал, квадратурный первичным колебаниям, а в приборах с совмещенными частотами - синфазный Характер полученных зависимостей несколько изменяется при наличии возмущающих моментов Мк и При этом дополнительным негативным фактором является возникновение зависимости не только амплитуды вторичных колебаний от действующей на прибор угловой скорости, но и их фазы Данный аналитический вывод подтверждается результатами моделирования и полученными экспериментальными данными Введение обратных связей при этом может приводить к неустойчивым режимам при больших измеряемых скоростях Снижение влияния данного негативного фактора возможно за счет усовершенствования конструкции, повышения точности ее изготовления, лазерной или электрической балансировки ротора ММГ

а) б)

Рисунок 1 - Зависимости синфазной (а) и квадратурной (б) составляющей от разности частот вторичных и первичных колебаний

Во второй главе исследуются методы возбуждения и стабилизации параметров первичных колебаний ротора ММГ и разрабатывается система управления первичными колебаниями

Задачей системы управления первичными колебаниями является создание устойчивых первичных колебаний с высокой стабильностью параметров (амплитуды угла или угловой скорости) и выработка опорных сигналов для системы управления вторичными колебаниями

Проведенный анализ отечественных и зарубежных работ позволил составить классификацию систем управления первичными колебаниями по используемым методам возбуждения и стабилизации первичных колебаний, методам формирования управляющих моментов и их аппаратной реализации

Задача создания устойчивых первичных колебаний имеет две составляющие возбуждение первичных колебаний на собственной частоте ротора ЧЭ по оси первичных колебаний и стабилизацию их амплитуды

В работе исследованы методы возбуждения первичных колебаний с использованием принципов автогенерации и ФАПЧ опорного генератора, составлены структурные схемы соответствующих систем возбуждения Результаты исследования показали, что автогенераторная схема возбуждения менее чувствительна к разбросам параметров и шумам ММГ и соответственно более надежна, чем схема с опорным генератором и ФАПЧ Однако последняя вырабатывает более "чистые" опорные сигналы для управления датчиком и демодулятора, при помощи которого формируется выходной сигнал ММГ

Для синтеза системы стабилизации первичных колебаний в диссертации разработан методика, использующая амплитудную модель динамики первичных колебаний В работе показано, что при возбуждении первичных колебаний на собственной частоте одним из методов, рассмотренных выше, динамика параметров первичных колебаний описывается передаточной функцией вида

>К(5) = —(2)

5 + СуУг

где кА = к„ - для системы стабилизации амплитуды угла первичных колебаний, кА = ка уу - для системы стабилизации амплитуды угловой скорости первичных колебаний или кинетического момента ротора ММГ, кис - конструктивный параметр

Систему стабилизации кинетического момента целесообразно использовать при серийном изготовлении, т к она улучшает стабилизацию характеристик датчиков от образца к образцу

Также в работе предложен новый метод управления ММГ по оси первичных колебаний с использованием ШИМ регулятора Преимуществом метода является

то, что при его реализации в цифровом виде снижаются требования к аппаратной части К недостаткам - высокие требования к частоте дискретизации (или такту) и импульсный характер работы схемы, что может оказывать влияние на электромагнитную совместимость системы управления первичными колебаниями с остальными блоками управления ММГ

Исследование разработанных алгоритмов регуляторов выполнялось на стенде полунатурного моделирования, включающего в себя ЧЭ ММГ, ведомый компьютер с платой АПЦ/ЦАП, преобразователь «емкость-напряжение» и ведущий компьютер управления стендом

Структурные схемы регуляторов автогенераторной системы управления первичными колебаниями и системы с ШИМ, реализованные в виде БнпЫтк-моделей на ведомом компьютере приведены на рисунках 2 и 3 соответственно

Проведенное полунатурное моделирование показало удовлетворительные результаты работы разработанных схем

Алгоритм автогенераторной системы управления первичными колебаниями ММГ внедрен в изделия "ММГ-1", "ММГ-2", и "Микронавигация-2"

Рассмотренные схемы могут использоваться и для ММГ, отличного от Шутила

-, AFD1

PCI 60S2E Dutte

^ationaJ Instf J-* A

Analog Input 1 A

1

- Integrator

Рисунок 2 - Структурная схема регулятора автогенераторной системы управления первичными колебаниями ММГ

Рисунок 3 - Структурная схема ШИМ регулятора автогенераторной системы управления первичными колебаниями ММГ

В третьей главе исследуются методы управления вторичными колебаниями при помощи обратных связей по углу и угловой скорости, а также управления фазными составляющими сигнала вторичных колебаний

В диссертации сформулированы следующие цели управления вторичными колебаниями

управление частотой вторичных колебаний, демпфирование вторичных колебаний,

обеспечение требуемой полосы рабочих частот датчика при максимальной чувствительности

Разработана и исследована система управления на базе позиционной обратной связи, позволяющая управлять частотой вторичных колебаний ЧЭ ММГ Исследования показали, что использование данного типа обратной связи при реализации ММГ компенсационного типа не позволяют повысить точность ММГ, однако потенциально повышают линейность выходной характеристики датчика

Разработана и исследована система управления на базе демпфирующей обратной связи Демпфирование вторичных колебаний - важная задача в ММГ Высокая добротность датчика по оси вторичных колебаний, неравножесткость конструкции и технологические погрешности делают его чувствительным к механическим ударам и вибрациям, снижая его устойчивость к механическим воздействиям Разработанная система управления позволяет повысить устойчивость ММГ к ударам до 120g и вибрациям с СКО до 1% в полосе до 400 Гц

В диссертации разработана методика синтеза регуляторов системы управления на базе моделей динамики огибающих синфазной и квадратурной составляющих вторичных колебаний На основе анализа влияния на динамику ротора управляющих моментов и моментов внешних сил в диссертации получены математические модели огибающих синфазной и квадратурной составляющих в ММГ

(s2 + 24а, С0о s + 0>1)А"'"Ф = + коо'Ф )», + + + ^гфи\""ф,

(s-+2Ç„ wa s + M" = Ай®, +(*н« + *оÎКС*.

где А™"'/', ¿¿Г'', ¿05» *о1 - параметры, рассчитывае-

мые по методике, изложенной в диссертации, <u„ (s) = -Jça2va2 + Дг2 - частота колебаний огибающей, рад/с, Ço,=—r*—га - декремент затухания, -управление квадратурной составляющей, - управление синфазной составляющей,

А1"'"1' - амплитуда синфазной составляющей, Ак" - амплитуда квадратурной составляющей

Использование данных моделей позволило упростить синтез системы управления ММГ по оси вторичных колебаний Из решений, полученных в первой главе, следует, что квадратурная составляющая при резонансной настройке обращается в ноль, что может использоваться в качестве критерия настройки частоты в резонанс Однако для работы такой системы требуется исключение технологических погрешностей, приводящих к появлению квадратурного момента

Также в диссертации рассмотрен новый подход к решению задачи совмещения частот Для этого разработана и исследована система управления частотой на базе фазового детектора, определяющего текущее разнесение частот, и регулятора, вырабатывающего сигнал, необходимый для их совмещения или обеспечения требуемого разнесения частот

Введение дополнительной обратной связи превращает прибор в измеритель компенсационного типа Для расчета регулятора обратной связи используется модель огибающей синфазной составляющей Регулятор, обеспечивающий достижение требуемых динамических характеристик, может быть синтезирован по виду желаемой ЛАХ системы или динамическим характеристикам, обеспечивая сохранение максимальной чувствительности в заданной полосе частот Указанный результат подтверждается математическим моделированием в среде Matlab На рисунке 4 приведена соответствующая структурная схема ММГ

Рисунок 4 - Модель ММГ с контурами совмещения частот и компенсации момента сил Кориолиса

Исследование разработанных систем управления показало эффективность предложенных методов управления вторичными колебаниями ММГ.

В четвертой главе приводятся экспериментальные результаты, подтверждающие выводы предыдущих глав в части уточнения модели, анализа динамики вторичных колебаний ротора ММГ, а также результаты работы систем управления первичными и вторичными колебаниями в экспериментальном образце изделия "ММГ-2" (см. рисунок 5). В изделии используется цифровой процессор, в котором реализованы системы управления первичными и вторичными колебаниями и системы обработки и коррекции выходного сигнала. Обосновывается структура цифровой системы, дается ее описание и характеристики ее узлов. Анализ работы изделия подтверждает эффективность разработанных систем управления.

Рисунок 5 - Внешний вид датчика: с крышкой (слева), без крышки (справа)

В таблице 1 приведены достигнутые характеристики датчика, часть из которых поддается настройке за счет цифровой коррекции. Физически диапазон измерения ММГ может достигать +/-1000 °/с. В зависимости от требований заказчика цифровым способом может осуществляться подстройка диапазона измерения в

пределах физически реализуемого, масштабного коэффициента и полосы рабочих частот датчика

Таблица 1 - Характеристики датчика

№ Параметр Значение

1 Диапазон измерения, и/с +/-50

2 Коэффициент преобразования, мВ/°/с 20

3 Нелинейность, % 1

4 Полоса рабочих частот, Гц 40

5 Плотность мощности шума, °/с/>/Гц 0,05

6 Напряжение питания, В 5

7 Потребляемая мощность, Вт 0,6

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертации формулируются следующим образом

1 Разработана и исследована математическая модель ММГ роторного типа, учитывающая влияние моментов электростатического тяжения со стороны электромеханических элементов конструкции

2 Разработаны математические модели динамики амплитуды первичных колебаний и огибающих синфазной и квадратурной составляющих колебаний ММГ по оси вторичных колебаний, а также методики их получения

3 Разработаны и исследованы методики синтеза и структуры систем управления ММГ по оси первичных колебаний на основе амплитудных моделей, реализующих принципы автогенерации или ФАПЧ опорного генератора, со стабилизацией параметров колебаний, амплитудным и ШИМ регуляторами

4 Разработаны и исследованы методики синтеза и структуры систем управления вторичными колебаниями ММГ компенсационного типа, основанные на моделях огибающих синфазной и квадратурной составляющих колебаний с использованием амплитудных и фазовых детекторов в контуре совмещения частот

5 Разработана система демпфирования вторичных колебаний ММГ, повышающая устойчивость ММГ к внешним механическим воздействиям

6 Проведена апробация алгоритмов управления первичными и вторичными колебаниями ЧЭ, в изделиях ФГУП "ЦНИИ "Электроприбор"" "ММГ-1", "ММГ-2", "Микронавигация-2"

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Ковалев А С , Шадрин Ю В Исследование схем возбуждения первичных колебаний ротора микромеханического гироскопа в режиме автогенерации // Навигация и управление движением - Сборник докладов V конференции молодых ученых - СПб ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2004, - стр 87-92

2 Ковалев А С Исследование возможности применения пакета программ CoventorWare в задаче проектирования микромеханического гироскопа // Навигация и управление движением - Сборник докладов VI конференции молодых ученых -СПб ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2005, стр 170-176

3 Ковалев А С , Шадрин Ю В Оценка резонансных частот упругого подвеса микромеханического гироскопа в условиях наличия дополнительных электрических связей // Навигация и управление движением - Сборник докладов VI конференции молодых ученых - СПб ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2005, стр 176-181

4 Ковалев А С , Евстифеев М И, Унтилов А А, Шадрин Ю В Исследование влияния нелинейной жесткости на характеристики вибрационного микромеханического гироскопа // Микросистемная техника МСТ-2004, Материалы научной молодежной школы, СПб-Таганрог, 2004, стр 85-94

5 Ковалев А С , Евстифеев М И, Унтилов А А, Шадрин Ю В Оценка нелинейной жесткости упругого подвеса микромеханического гироскопа И Гироскопия и навигация - СПб ГНЦ РФ - ЦНИИ "Электроприбор", №4, 2004, с 65

6 Ковалев А С , Лычев Д И , Шадрин Ю В Результаты экспериментального исследования характеристик микромеханического гироскопа при совмещении резонансных частот // Навигация и управление движением - Сборник докладов VIII конференции молодых ученых - СПб ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2006, стр 158-163

7 Ковалев А С , Евстифеев М И, Унтилов А А, Шадрин Ю В Анализ характеристик микромеханического гироскопа с нелинейной жесткостью подвеса// Известия ТРТУ № 9 Тематический выпуск - Таганрог Изд-во ТРТУ, 2004, стр 204209

8 Ковалев А С , Грязин Д Г , Лычев Д И , Шадрин Ю В К вопросу построения контура обратной связи микромеханического гироскопа // РАН Научное приборостроение, 2007 г том 17, выпуск 1, стр 91-97

9 Ковалев А С , Грязин Д Г , Лычев Д И , Шадрин Ю В Исследование режима функционирования микромеханического гироскопа с совмещенными частотами по осям первичных и вторичных колебаний РАН // Научное приборостроение, том 17, выпуск 2, 2007 г, стр 48-53

10 Ковалев А С Исследование возможности применения пакета программ CoventorWare в задаче проектирования микромеханического гироскопа // Навигация и управление движением - Сборник докладов VI конференции молодых ученых -СПб ГНЦ РФ-ЦНИИ «Электроприбор», 2005, стр 170-176

11 Ковалев А С Панферов А И К вопросу о применении специализированной САПР МЭМС Coventor на отечественных предприятиях // III Международный симпозиум "Аэрокосмические технологии" - Материалы симпозиумаю - СПб ГУАП 2004, стр 304-306

12 Баженов А Г , Грязин Д Г , Евстифеев М И , Беляев Я И , Молотков Д Г , Ковалев А С , Розенцвейн Д В , Унтилов А А , Шадрин Ю В Специализированный программный комплекс проектирования микромеханических инерциальных датчиков // Гиросколия и навигация - СПб ГНЦ РФ - ЦНИИ "Электроприбор", №3, 2007, стр 52-62

13 Ковалев АС Лычев ДИ, Шадрин ЮВ Программно- аппаратный комплекс для автоматизированного контроля параметров вибрационных микромеханических гироскопов // Гироскопия и навигация - СПб ГНЦ РФ -ЦНИИ "Электроприбор", №1, 2005, стр 78

14 ТА Андреева, С В Багаева, А С Ковалев, Д И Лычев, Н В Моисеев, А А Унтилов, Ю В Шадрин, А М Боронахин Цикл лабораторных работ по проектированию микромеханических гироскопов // Гироскопия и навигация - СПб ГНЦ РФ - ЦНИИ "Электроприбор", №1, 2007 стр 109

15 Ковалев А С Лычев Д И , Матвеев С И , Шадрин Ю В Исследование температурных погрешностей микромеханического гироскопа // Сборник докладов IX конференции молодых ученых - СПб ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2007

16 А С Ковалев, М И Евстифеев, Д И Лычев, А А Унтилов, Ю В Шадрин Исследование поведения чувствительного элемента микромеханического гироскопа на вибрирующем основании // Навигация и управление движением - Сборник докладов VII конференции молодых ученых - СПб ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2005, стр 168-174

17 Панферов А И , Кучерков С Г, Шадрин Ю В , Ковалев А С "Микродрайвер" Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2004611525, 21 06 2004

18 Северов Л А , Пономарев В К , Грязин Д Г, Ковалев А С , Шадрин Ю В Микромеханический гироскоп вибрационного типа Заявка N2006115535 Решение Роспатента о выдаче патента от 04 09 2007

Введение.

1 Структура и математические модели микромеханического гироскопа и его основных элементов.

1.1 Состав и описание датчика угловой скорости на базе ММГ.

1.2 Уравнения динамики и математическая модель пространственного движения ЧЭ ММГ.

1.3 Анализ динамики ЧЭ ММГ при воздействии гармонических моментов по оси вторичных колебаний.

1.4 Динамика ММГ при воздействии угловой скорости движения основания.

1.5 Математические модели электромеханических элементов конструкции.

1.6 Математическая модель преобразователя "емкость-напряжение".

1.7 Характеристики датчиков момента с учетом моментов электростатического тяжения.

1.8 Структурная схема объекта управления и его математическая модель.

2 Возбуждение и стабилизация первичных колебаний ММГ.

2.1 Задачи системы управления первичными колебаниями.

2.2 Использование резонансных свойств чувствительного элемента в контуре возбуждения. Амплитудная модель первичных колебаний ММГ.

2.3 Основные принципы построения и классификация систем управления первичными колебаниями.

2.4 Возбуждение первичных колебаний в автогенераторном режиме.

2.5 Возбуждение первичных колебаний опорным генератором и системой фазовой автоматической подстройки частоты.

2.6 Способы линеаризации и коммутации управляющего момента.

2.7 Стабилизация параметров первичных колебаний.

2.8 Программа параметрического синтеза системы управления первичными колебаниями "Микродрайвер".

2.9 Широтно-импульсное управление ММГ параметрами первичных колебаний.

2.10 Анализ влияния разброса физических параметров ЧЭ ММГ на динамические характеристики системы стабилизации.

2.11 Исследование системы управления первичными колебаниями методом полунатурного моделирования.

3 Управление вторичными колебаниями ММГ.

3.1 Задачи систем управления вторичными колебаниями и их классификация.

3.2 Влияние демпфирующей обратной связи на характеристики

3.3 Влияние позиционной обратной связи на характеристики ММГ.

3.4 Частотные характеристики огибающих вторичных колебаний.

3.5 Анализ динамики фазных составляющих при управлении позиционной обратной связью.

3.6 Модели динамики огибающих вторичных колебаний ММГ.

3.7 Обобщенная модель и управление огибающими вторичных колебаний ММГ.

3.8 Система совмещения частот первичных и вторичных колебаний на базе фазового детектора.*.

3.9 Синтез регулятора для компенсации момента сил Кориолиса при работе ММГ в режиме совмещенных частот.

4 Экспериментальные исследования опытного образца ММГ.

4.1 Описание и основные характеристики опытного образца ММГ.

4.2 Анализ влияния расстройки частот на синфазную и квадратурную составляющие вторичных колебаний ММГ.

4.3 Оценка работоспособности и динамических характеристик системы управления первичными колебаниями.

4.4 Оценка работоспособности демпфирующей обратной связи в системе управления вторичными колебаниями.

Актуальность темы диссертации. Освоение технологии изготовления 3D механических структур с использованием оборудования, применяемого в микроэлектронике, открыло путь к созданию сверхминиатюрных электромеханических систем. Это новое направлении в области приборостроения получило название МЭМС технологии. Наиболее сложными МЭМС устройствами являются микромеханические гироскопы (ММГ), появившиеся на рынке сравнительно недавно [67, 55, 3, 28].

Работы по созданию ММГ начались с 1990-х г. в ряде ведущих лабораторий и институтов зарубежных стран. В настоящее время несколько крупных зарубежных фирм серийно выпускают ММГ низкого класса точности, например, Analog Devices, Silicon Sensing, Honeywell, Bosch, Systran Donner, Murata [47, 53, 50, 49, 54, 66] и др.

В зарубежных странах ММГ используются в автомобильной промышленности, робототехнике, системах стабилизации различных объектов от беспилотных летательных аппаратов до видеокамер.

Повышение точности ММГ позволит использовать их в новых областях гражданской и военной техники, в частности, для обеспечения навигации и управления малыми подвижными объектами [95, 98, 35, 89]. Примерами таких объектов являются беспилотные летательные аппараты или "интеллектуальные снаряды" [48]. Фирма ВАЕ System считает, что инерциальный модуль на основе инерциальных микромеханических датчиков будет служить основой для перспективных комплексов навигации и управления подвижными объектами. В США разработка высокоточных ММГ (точность до 1 °/ч) финансируется агентством по перспективным разработкам оборонного ведомства DARPA.

В России разработка ММГ находится на этапе изготовления и исследования опытных образцов [61, 66, 83, 85]. Однако важность этого направления приборостроения подтверждается списком критических технологий, утвержденным президентом России 21.05.2006 (п.п.И и 23)[52]. В, настоящее время отечественные производители миниатюрных интегрированных систем используют зарубежную элементную базу (например, система STA30 разработки НТЦ "РИССА"). Производство отечественных ММГ позволит заместить импортируемую технику и снизить зависимость разработчиков от зарубежных поставщиков.

ММГ является микроэлектромеханической системой (МЭМС), объединяющей функциональные части с различными принципами физического действия: электромеханическую (чувствительный элемент) и электронную части. Интеграция функциональных частей может происходить по-разному - в зависимости от технологии изготовления датчиков все части могут изготавливаться в едином техпроцессе или каждая по отдельности, с использованием разных техпроцессов, и объединяться позже. Примерами первого являются гироскопы фирм Analog Devices ADXRS150 (рис.la) [1], второго - SiliconSensing Gyro-CRS03, Honeywell GG1178, Bosch SMG 060 (рис.16) [41, 50, 49].

Существующие технологические ограничения сужают возможные варианты конструкций датчиков до класса вибрационных датчиков. Остальные типы датчиков, например, с бесконтактным подвесом и вращающимся ротором, по мнению Джонатана Бернштайна, вицепрезидента компании Corning-IntelliSense Corp., изготавливать коммерчески невыгодно [4].

CMOS НС Чувствительный Чпп с Чип с чувствительным а) б)

Рисунок 1 - Схемы интеграции датчиков: а) на уровне чипа - Analog Devices ADXRS150; б) гибридная сборка чипа чувствительного элемента с чипом интегральной схемы специализированного назначения (ASIC) - Bosch SMG060. Основными конструктивными схемами вибрационных ММГ являются [32]: 1) Вибрирующие стержни (vibrating beams). В ММГ данного типа инерционной массой является балка, закрепленная одним концом к основанию. В ММГ возбуждаются колебания балки относительно одной из осей, перпендикулярных продольной оси балки. При появлении угловой скорости, действующей относительно продольной оси, возникают вторичные колебания балки относительно оси, перпендикулярной первым двум.

2) Камертонные ММГ (tuning-fork gyros). ММГ данного типа содержат пару инерционных масс, которые совершают первичные колебания с равной амплитудой, но в противоположных направлениях. При вращении основания появляется момент Кориолиса, вызывающий вторичные колебания этих масс относительно ортогональной оси, амплитуда которых, пропорциональная действующей скорости, может быть измерена различными способами. В конструкции, разработанной Draper Lab (рис.2), для возбуждения первичных колебаний используется гребенчатый привод [5, 6, 7]. Вращение основания вызывает вибрацию масс вне плоскости первичных колебаний, которая измеряется и преобразуется в напряжение при помощи емкостных датчиков и преобразователя емкость-напряжение, реализованных на отдельной специализированной интегральной схеме (ASIC). Данная технология лицензирована таким фирмам как Rockwell, Boeing, Honeywell и прочими.

Рисунок 2 - SEM-фотография рабочего прототипа ММГ камертонного типа фирмы Draper Lab

Для вибрационных датчиков крайне важно соотношение частот первичных и вторичных колебаний. При разнесении данных частот друг от друга меньше чем на 10 % и работе ММГ в режиме датчика прямого типа измерения (не компенсационного) можно добиться увеличения чувствительности за счет эффекта резонанса. Также важно, чтобы остальные собственные частоты конструкции были далеки от частот первичных и вторичных колебаний.

По аналогичным схемам построены датчики фирмы Analog Devices серии ADXRS (см. рис.1), отличающиеся тем, что вторичные колебания происходят в плоскости первичных колебаний, но по перпендикулярной оси [20, 21].

3) Вибрирующие пластины (vibrating plate). Наиболее распространен тип ММГ, принцип действия которого иллюстрируется на рисунке 3. В датчиках данного типа пластина (на рис.3 диск) совершает угловые колебания относительно вертикальной оси. Появление угловой скорости относительно любой из осей, лежащих в плоскости диска, приводит к возникновению момента Кориолиса и, соответственно, вторичных колебаний. Для измерения амплитуды вторичных колебаний также используются электроды емкостного датчика, расположенные под (или над) диском.

ОиНйет «(«бол

Рисунок 3 - Конструктивная схема дискового ММГ По данной схеме построены ММГ фирм Bosch и ФГУП "ЦНИИ "Электроприбор"1' и ряда других фирм.

На рис.4, показан вариант ММГ, в котором обе моды (формы) движения ротора являются угловыми - это так называемый дисковый ММГ RR-типа (от англ. "rotate-rotate", т.е. "вращение-вращение"). Моды колебаний могут быть линейными или комбинированными. Гироскопы с линейными перемещениями ротора (вдоль осей, а не вокруг) - ММГ LL-типа (от англ. "linear-linear", т.е. "линейная-линейная"). Аналогично для комбинированных ММГ - ММГ LR- или RL-типа [68].

Также следует отметить, что данная схема позволяет создать датчик угловой скорости с двумя осями чувствительности (двухосный датчик).

4) Вибрирующие оболочки (vibrating shell). Датчик ММГ данного типа содержит тонкое кольцо, подвешенное к подпятнику на упругом подвесе (рис.4). В кольце с помощью электродов привода возбуждается стоячая волна (первая мода колебаний). При повороте основания, под действием кориолисовых сил происходит перекачка энергии во вторую моду колебаний, отстоящую от первичной в пространстве на 45° [29], Увеличение амплитуды вторичных колебаний пропорционально действующей угловой скорости. Для регистрации информации может использоваться емкостной датчик (рис.4) или индукционный (в ММГ Silicon Sensing Systems, изготавливаемый совместно с Sumitomo и British Aerospace).

Измерительные

Подпятник электроды

Упругий подвес

Вторичные колебания

Кольцо

Электроды привода, для возбуждения первичных колебаний V ч

Первичные колебания

Рисунок 4 - Конструкция кольцевого ММГ

Таким образом, электромеханическая часть датчиков для ММГ рассмотренных принципов действия содержит: подпятник, упругий подвес, инерционную массу, электроды датчиков углов и моментов по осям первичных и вторичных колебаний. Инерционная масса используется как чувствительный к моменту Кориолиса элемент, преобразующий величину действующей угловой скорости в относительное перемещение элементов конструкции. Подпятник закреплен на корпусе прибора, относительно которого под действием момента Кориолиса перемещается инерционная масса, подвешенная на упругом подвесе. Датчики угла являются преобразователями физической величины перемещения инерционной массы в электрическую, чаще всего в изменение емкости. Датчик момента преобразует электрическую энергию, прикладываемую к инерционной массе, в механическую, и позволяет управлять текущим положением инерционной массы относительно корпуса прибора.

Электронная часть, реализуемая в виде чипа интегральной схемы специализированного назначения (ASIC) или интегрируемая с помощью КМОП технологии (CMOS) на чип с чувствительным элементом, используется для:

- преобразования измеряемой емкости в напряжение;

- формирования управления первичными колебаниями инерционной массы;

- формирования управления вторичными колебаниями инерционной массы для изменения характеристик ММГ требуемым образом;

- формирования выходного сигнала гироскопа.

Таким образом, задачи управления и формирования выходного сигнала ММГ носят общий характер для рассмотренных типов датчиков.

Одним из эффективных способов увеличения точности в ММГ является использование резонансных свойств чувствительного элемента (ЧЭ) датчика, требующее разработки и использования специализированных систем управления и позволяющее существенно увеличить чувствительность датчика. При этом требуется, чтобы датчик обладал широкой полосой пропускания, высокой линейностью и стабильностью выходной характеристики.

Методам разработки высокоточных ММГ посвящено множество статей и патентов, основная часть которых затрагивает конструкционные особенности ММГ и их влияние на характеристики датчика. Большинство публикаций достаточно подробно затрагивает вопросы разработки датчиков прямого типа измерения.

Публикации о принципах создания высокоточных ММГ компенсационного типа носят более поверхностный или фрагментарный характер, что обусловлено защитой разработчиками своих "ноу-хау" и тем, что высокоточные ММГ являются в странах-разработчиках (США, Франция, Германия, Великобритания) продукцией двойного назначения.

Среди доступных публикаций особенно можно отметить разработчиков стандарта IEEE 1431-2004 по испытаниям ММГ, а также статьи и патенты зарубежных исследователей Geen J., Ward Р; Clark W.A., Shkel A, Geiger W, Link T.

В России публикаций о разработках ММГ существенно меньше. Причиной этого является несовершенство отечественной технологической базы и недостаточное финансирование проектов. Разработки ММГ ведутся в ГНЦ ФГУП "ЦНИИ "Электроприбор"", ЗАО- "Гирооптика", Раменском РПКБ, на кафедрах университетов СПб ГУАП, МИЭТ, ТРТУ и др. Из отечественных публикаций можно отметить монографии В.Я. Распопова и А.С. Неаполитанского, статьи A.M. Лестева, Л.П. Несенюка, М.И. Евстифеева, С.Г. Кучеркова, Л.А.Северова, В;К. Пономарева, А.И. Панферова, Я.А. Некрасова, Ю.В. Шадрина, В.Э. Джашитова, Ю.А. Чаплыгина, Д.П. Лукьянова, А.П. Мезенцева.

Проблемы создания высокоточных ММГ носят разносторонний характера это:

- проблемы изготовления; конструкции со стабильными конструктивными параметрами; .

- проблемы обеспечения точности измерений перемещений элементов конструкции в условиях наличия паразитных связей различной природы;

- проблемы реализации систем управления для обеспечения требуемых режимов работы ММГ в условиях наличия'паразитных связей различной природы.

Первые две проблемы актуальны для; датчиков прямого типа измерения, а вместе с последней—для ММГ компенсационного типа.

Целью диссертационной работы является разработка научных основ и методик проектирования систем управления, первичными и вторичными колебаниями в ММГ.

Для достижения данной цели в работе решены следующие основныезадачи:

1. Составлена уточненная модель ММГ, учитывающая влияние моментов электростатического тяжения со стороны электромеханических . элементов конструкции.

2. Проанализировано влияние моментов внешних сил на динамику ротора ММГ.

3. Получены математические модели динамики для амплитуды первичных колебаний и огибающих вторичных колебаний ММГ.

4. Исследованы методы возбуждения первичных колебаний.

5. На основе амплитудных моделей разработаны и исследованы методы стабилизации параметров'первичных колебаний.

6. Исследованы методы управления? вторичными колебаниями путем организации позиционной и демпфирующей обратной связи в ММГ.

7. Разработан и исследован метод совмещения частот первичных и вторичных колебаний на основе фазовых измерений.

8. Разработана методика синтеза регулятора в системе управления вторичными колебаниями при реализации режима совмещенных частот.

9. Обоснована возможность организации управления с использованием моделей синфазной и квадратурной огибающих вторичных колебаний.

10. Получено теоретическое и экспериментальное подтверждение работоспособности контуров управления первичными и вторичными колебаниями, синтезированных по разработанным методикам.

Методы исследования

Для решения поставленной задачи в работе использовались методы и аппарат теоретической механики, теории колебаний, теории автоматического управления, цифровой обработки информации, математического анализа и компьютерного моделирования.

Новыми научными результатами являются:

- математическая модель ММГ роторного типа, учитывающая влияние моментов электростатического тяжения со стороны электромеханических элементов конструкции;

- классификация систем управления первичными колебаниями ММГ на основе разработанных классификационных признаков; я

- математические модели динамики амплитуды- первичных колебаний и огибающих синфазной и квадратурной составляющих колебаний ММГ по оси вторичных колебаний, а также методики их получения; «

- методика синтеза системы стабилизации параметров первичных колебаний ММГ на основе амплитудных моделей динамики;

- методики синтеза системы управления вторичными колебаниями ММГ, основанные на моделях динамики огибающих с использованием амплитудных и фазовых детекторов, реализующие режим совмещенных частот и формирование требуемой полосы пропускания датчика;

- аналитические выражения для передаточных функций синфазной и квадратурной составляющих вторичных колебаний, а также методики их получения.

Практическая ценность. В ходе выполнения работы получены следующие результаты, имеющие практическую ценность:

1. Разработаны структурные схемы и алгоритмы работы регуляторов:системы возбуждения первичных колебаний, реализующие принципы автогенерации и фазовой автоподстройки частот (ФАПЧ) опорного генератора со стабилизацией амплитуды колебаний угла или кинетического момента ЧЭ ММГ.

2. Разработана структурная схема регулятора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для возбуждения и стабилизации параметров первичных колебаний.

3. Разработаны структурные схемы регуляторов для демпфирования вторичных колебаний ЧЭ ММГ.

4. Разработаны структурная схема и алгоритм регуляторов системы совмещения частот первичных и вторичных колебаний на базе фазового детектора, а также система компенсации момента сил Кориолиса в режиме совмещенных частот.

Достоверность научных и практических результатов подтверждается: использованием корректных математических приемов, сопоставлением аналитических результатов, данных, полученных в ходе математического моделирования и экспериментальных исследований; прохождением экспертизы в Российском агентстве по патентам и товарным знакам и положительным решением на выдачу патента на систему управления по оси вторичных колебаний и сертификата Роспатента на программу автоматического расчета системы управления по оси первичных колебаний ММГ "Микродрайвер"; критическим обсуждением результатов работы на научно-технических конференциях.

Основные результаты работы формулируются следующим образом:

1. Разработана и исследована математическая модель ММГ роторного типа, учитывающая влияние паразитных моментов электростатического тя-жения со стороны электромеханических элементов конструкции.

2. Разработаны математические модели динамики амплитуды первичных колебаний и огибающих синфазной и квадратурной составляющих колебаний ММГ по оси вторичных колебаний и методики их получения.

3. Разработаны и исследованы методы синтеза и структуры систем* управления ММГ по оси первичных колебаний на основе амплитудных моделей, реализующих принципы автогенерации или ФАПЧ опорного генератора, со стабилизацией параметров колебаний, амплитудным и ШИМ регуляторами.

4. Разработаны и исследованы методы синтеза и структуры систем управления вторичными колебаниями ММГ компенсационного типа, основанные на моделях огибающих синфазной и квадратурной составляющих колебаний с использованием амплитудных и фазовых детекторов в контуре совмещения частот.

5. Разработана система демпфирования вторичных колебаний ММГ, повышающая устойчивость ММГ к внешним механическим воздействиям.

6. Проведена апробация алгоритмов управления первичными и вторичными колебаниями ЧЭ в изделиях ФГУП "ЦНИИ "Электроприбор"": "ММГ-1", "ММГ-2", "Микронавигация-2".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Analog Dialogue 37-03 (2003).

2. Anderson G.I. и др. A programmable platform for digital control of MEMS gyroscopes, Symposium Gyro Technology, 2004, p.5.0-5.7.

3. Barbour N. et al. Micro-Electromechanical Instrument and Systems Development at Draper Laboratory // 3rd Saint Peterburg International Conference of Integrated Navigation Systems. -SPb.: CSRI «Electropribor», 1996.-Part 1.-P.3-10.

4. Bernstein Jonathan. An Overview of MEMS Inertial Sensing Technology, Sensors, February 2003 VOL. 20 NO. 2 или http://www.sensorsmag.com/articles/0203/14/.

5. Bernstein et al. Feb. 1993. A micromachined comb-drive tuning- fork rate gyroscope. Proc IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop (MEMS '93), Fort Lauderdale, FL:143-148.

6. Bernstein J.J. et al. Comb-Drive Micromechanical Tuning Fork Gyro Fabrication Method. Patent N0.: US 5496436. 1996.

7. Bernstein J.J. et al. Comb-Drive Micromechanical Tuning Fork Gyro. Patent No.: US 5349855.

8. Byung Su Chang, Jang Gyu Lee, Taesam Kang. Design and performance test of digital rebelence loop for MEMS gyroscope. Key Engineering Materials Vols.326-328(2006). pp.249-252.

9. Caminada Carlo et al. Micro-mechanical sensor with force feedback loop. Patent No.: US 2006/0032309A1, 2006.

10. Caminada Carlo et al. Micro-mechanical sensor with force feedback loop. Patent No.: ЕР 1624286A 1,2006.

11. Challoner A., Gutierrez R., Tang T. Cloverleaf microgyroscope with electrostatic alignment and tuning. World Intellectual Property Organization, Patent No.: WO 03/014669 A2, 2003.

12. Challoner A. et al. Microgyroscope with closed loop output. Patent No.: US 6360601B1, 2002.

13. Challoner A.,* Gutierrez R. Microgyroscope with electrostatic alignment and tuning. World Intellectual Property Organization, Patent No.: WO 03/025500 A2, 2003.

14. David W. DeRoo et al. Method of driving MEMS sensor with balanced four-phase comb drive. US 2002/0020218A1 Patent, 2002.

15. Davis W.O., Pisano A.P. Nonlinear Mechanics of Suspension Beams for a Micromachined Gyroscopes. Modeling and Simulation of Microsystems, 2001, pp.270273.

16. Duwel A., Gorman J. et al. Quality factors of MEMS gyros and the role of thermoelastic damping // Proceedings of the 15th IEEE International Conference on Micromechanical Systems (MEMS), Las Vegas, NV, 2002, pp.214-219.

17. Fell C. Hopkin I. Townsend K. Sturland I. A Second Generation Silicon Ring Gyroscope // Symposium Gyro Technology, Germany.-1999.-P. 1.0-1.14.i ,

18. Funk K. et al. Surface micromashined silicon gyroscope using a thick polisilicon layer // MEMS-99,-P.57-60.i

19. Gallacher B.J., Burdes J.S., Harris A.J. Initial tests results of a multi-axis vibrating ring gyroscope and issues associated> with its fabrication. Symposium Gyro Technology, Stuttgart, Germany, 2003. pp.6.0-6.20.

20. Geen J. Coupling for multiple masses in a micromachined device. Patent No.: US 5635638, 1997.

21. Geen J. Micromachined device with rotationally vibrated masses. Patent No.: US 5635640, 1997.

22. Geen J. Feedback mechanism for rate gyroscopes. World Intellectual Property Organization, Patent No.: WO 01/27559 A2, 2001.

23. Geen J. Micromachined sensor with quadrature suppression. Patent No.: US 7032451B2, 2006.

24. Geen J. Feedback mechanism for rate gyroscopes. Patent No.: US 6470748B1, 2002.

25. Geiger W. et al. New designs, readout concept and simulation approach of micromachined rate gyroscopes, Симпозиум по гиротехнологиям, Штутгарт, 1997г.

26. Geiger W. The micromechanical Coriolis rate sensor mCORS II. Symposium Gyro Technology, 2003, 5.1-5.9.

27. W. Geiger et al. DAVED-LL a novel gyroscope in SOI-technology, Symposium Gyro Technology, 2001, p.5.0-5.8.

28. Geiger W. et al. Improved Rate Gyroscope Designs Designated for Fabrication by Modern Silicon Etching // Symposium Gyro Technology, Germany. -1997.-p. 2.0-2.8.

29. Guohong He; Najafi, K. A single-crystal silicon vibrating ring gyroscope. Micro Electro Mechanical Systems, 2002. The Fifteenth IEEE International Conference on Volume , Issue , 2002 Page(s):718 721.

30. Hee-moon Jeong et al. Rotary gyroscope. Patent No.: US 7043987B2. 2006.

31. Hugh J. Murphy. Micromachined Rate Sensor comb drive device and method. US005530342 Patent, 1996.32. IEEE 1431-2004. Стандарт.

32. Ishikawa S. и др., Compact Flat Quartz Vibratory Gyro Sensor Module Using T-Shaped Resonators. Symposium Gyro Technology, 2001, p.4.0-4.8.

33. Jeong Ch., Seok S. et al. A study on resonant frequency and Q factor tunings for MEMS vibratory gyroscopes // Journal of Mechanics and Microengineering, 14 (2004), pp.1530-1536.

34. Kumar K., Barbour N., Elwell J. Emerging low(er) cost inertial sensors 2-nd Saint Petersburg International Conference on Gyroscopic Technology and Navigation, 1995, Part II, p.p. 11-24.

35. Lynch D.D. Coriolis Vibratory Gyros, Симпозиум по гиротехнологии, Штутгарт, 1998.

36. M'Closkey R.T., Daneshrad В., Gibson J.S. Algorithm and low power implementation for MEMS Inertial sensors. Mechanical and Aerospace Enginirring University of California. Final Report 1999-2000 for MICRO Project 99-083.

37. Murphy H. J. Micromachined rate sensor comb drive device and method. European Patent Office, Patent No.: EP 0704674 A2, 1996.

38. Musaleum et al. Compensated integrated micromachined yaw rate sensor with quadrature switching. Patent No.: US 6439050B1, 2002.

39. Park S. Adaptive Control Strategies for MEMS Gyroscopes, Doctoral Thesis, U.C. Berkeley, 2000.

40. Pearce C. The performance and future development of a MEMS SiVSG and its application to the SilMU. (BAE Systems, Plymouth, United Kingdom) AIAA-2001-4410 AIAA Guidance, Navigation,. and Control Conference and Exhibit, Montreal, Canada, Aug. 6-9, 2001.

41. Pinson J. C. Micromechanical inertial sensor having increased pickoff resonance damping. Patent No.: 957425, 2003 (Honeywell).

42. Ploen S. and Bayard D. Dynamics of Vibratory Microgyroscopes. Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, CA AIAA-2002-4672 AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit, Monterey, California, Aug. 5-8, 2002.

43. Shkel A.M., Horowitz R., Seshia A.A., Park S. and'Howe R.T. Dynamics and Control of Micromachined Gyroscopes, Proceedings of the American Control Conference, pp.2119-2124, Jun. 1999.

44. Stanley F. Wise. Quadrature compensation technique for vibrating gyroscopes. Patent No.: US 6883361, 2005.

45. Yazdi N. et al. Micromachined Inertial Sensors // Proceedings of the IEEE, vol. 86, no. 8, AUGUST 1998.-P.1640-1658.

46. Ying W. Hsu. Method of canceling quadrature error in an angular rate sensor. Patent No.: US 6370937B2, 2002.

47. Zook J.D., Burns D.W., Guckel H. et al. Characteristics of polisilicon resonant microbeams // Sensors and Actuators A, 35.(1992), pp. 51-59.

48. Бесекерский B.A., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования, М. 1966г.

49. Бидерман B.JI. Прикладная теория механических колебаний. М.: Высшая школа. - 1972. - 416 с.

50. Боголюбов H.H., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. М. Наука. 1974.

51. Будкин B.JL, Паршин В.А., Прозоров С.В., Оаломатин А.К., Соловьев В.М. Разработка кремниевых датчиков первичной информации для систем навигации иуправления Гироскопия и навигация, 1998. - №3(22). - С.94-101.

52. Бусняк A.A., Глыбин И.Г., Капустин A.B., Неаполитанский A.C., Хромов Б.В. Микромеханический вибрационный гироскоп. Патент РФ, RU 2178548 С1, 20.01.2002.

53. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы.: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. М.:Радио и связь, 1986.

54. Гутников В. С. Применение операционных усилителей в измерительной технике. Д., «Энергия», 1975.

55. Джашитов В.Э., Лестев A.M., Панкратов В.М., Попова И.В. Влияние температурных и технологических факторов на точность микромеханических гироскопов/'Тироскопия и навигация" №3 (26), 1999. С.3-17.

56. Доронин В.П., Новиков Л.З., Хромов Б.В., Харламов С.А. Основные проблемы создания миниатюрного инерциального измерительного прибора на базе микромеханических чувствительных элементов. Гироскопия и навигация, 1996. -№4(15). - С.55.

57. Евстифеев М.И. Состояние разработок и перспективы развития микромеханических гироскопов // Навигация и управление движением. СПб.: ГНЦ РФ-ЦНИИ «Электроприбор», 2000. - С.54-71.

58. Евстифеев М.И. Классификационные признаки конструкций микромеханических гироскопов. Гироскопия и навигация. - 2004. - № 3(46). - С. 30-37.

59. Евстифеев М.И., Кучерков С.Г., Несенюк Л.П. и др. Микромеханический вибрационный гироскоп. Авторское свидетельство №18768, Россия, 2001.

60. Ковалев A.C. Лычев Д.И., Матвеев С.И., Шадрин Ю.В. Исследование температурных погрешностей микромеханического гироскопа. Сборник докладов IX конференции молодых ученых. - СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор». -2007.

61. Ковалев A.C., Евстифеев М.И., М.И., Унтилов A.A., Шадрин Ю.В. Оценка нелинейной жесткости упругого подвеса микромеханического гироскопа. — Гироскопия и навигация. 2004. - №4. С. 65.

62. Ковалев A.C., Евстифеев М.И, Унтилов А.А, Шадрин Ю.В'. Анализ характеристик микромеханического гироскопа с нелинейной жестко-стью подвеса. Известия ТРТУ № 9. Тематический выпуск. Таганрог: Изд-во ТРТУ.*- 2004. -С.204-209.

63. Ковалев A.C. Панферов А.И. К вопросу о применении специализированной САПР МЭМС Coventor на отечественных предприятиях// III Международный симпозиуи "Аэрокосмические технологии". Материалы симпозиумаю - СПб.: ГУАП2004.-С. 304-306.

64. Ковалев A.C. Лычев Д.И., Шадрин Ю.В. Программно- аппаратный комплекс для автоматизированного контроля параметров вибрационных микромеханических гироскопов. // Гироскопия и навигация. СПб.: ГНЦ РФ -ЦНИИ "Электроприбор", №1. - 2005.

65. Ковалев A.C., Грязин Д.Г., Лычев Д.И., Шадрин Ю.В. К вопросу построения контура обратной связи микромеханического гироскопа // РАН. Научное приборостроение. —Том.17, выпуск 1. 2007. - С.91-97.

66. Кучерков С.Г. Определение необходимой степени вакуумирования рабочей полости осциллятора микромеханического гироскопа. Гироскопия и навигация. 2002. - №1.

67. Лестев A.M., Попова И.В., Пятышев E.H. и др. Разработка и исследование микромеханического гироскопа. Гироскопия и навигация. - 1999. - №2. - С.3-10.

68. Лестев A.M.- Нелинейный параметрический резонанс в динамике микромеханического гироскопа. Известия ВУЗов, Приборостроение, т.47, №2, 2004, С. 36-42.

69. Лукьянов Д.П., Ладычук И.Ю., Майзелес А.Я., Филатов Ю.В., Шевелько М.И. Микроакселерометры и микрогироскопы на ПАВ: Гироскопия и навигация. — 2002.-№4. -С. 41.

70. Моисеев Н.В., Некрасов Я.А. К вопросу выбора преобразователя емкость-напряжение для микромеханического гироскопа. Материалы научной молодежной школьгМСТ-2004, ТРТГУ. - 2004. - С. 94-102;

71. Отчет о НИР "Разработка алгоритмов и программ фильтрации и формирования сигналов управления обратными связями в MMF компенсационного типа". СПб ГУАП. - 2005г.

72. Отчет о НИР по теме Выбор конструктивной схемы и основных параметров макетного образца микромеханического вибрационного гироскопа кольцевого типа // ЦНИИ «Электроприбор». С-Пб. - 2001.

73. Отчет о НИР "Исследование точностных характеристик микромеханического гироскопа компенсационного типа с учетом взаимодействия каналов возбуждения и измерения". СПб ГУАП. - 2003.

74. Панферов А.И., Кучерков С.Г., Шадрин Ю.В;, Ковалев А.С. "Микродрайвер", Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2004611525, 21.06.2004.

75. Пешехонов В.Г., Несенюк Л.П., КучерковС.Г., Евстифеев М.И., Некрасов Я.А. Результаты разработки микромеханического гироскопа. Гироскопия и навигация №4(47). СПб. - 2004. - с 65.

76. Пешехонов В.Г. Гироскопы начала XXI века Гироскопия и навигация. -2003.-№4.- С. 5-18.

77. Распопов В.Я. Микромеханические приборы. Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. Тул. Гос. Университет, Московский гос. Технологический университет им. К.Э. Циолковского. Тула: Гриф и К., 2004. - 476 с.

78. Северов Л.А., Пономарев В.К., Панферов А.И. и др. Микромеханические гироскопы: конструкции, характеристики, технологии, пути развития. Известия вузов. Приборостроение. - 1998. -Т.41, №1-2. - С. 57-73.

79. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер. - 2003.

80. Унтилов A.A. Исследование и разработка упругого подвеса чувствительного элемента микромеханического гироскопа. Диссертационная работа. 2005 .

81. Хардуэй Е.В. Надежный и дешевый датчик положения. "Электроника", 1971, №17. - С.54-58.

82. Шадрин Ю.В. Исследование динамических характеристик чувствительного элемента микромеханического гироскопа. Диссертационная работа. 2005.