基于溫控方案的一種MEMS慣性測量裝置設計

何海洋，王章波

(中國空空導彈研究院，河南洛陽471009)

0 引言

MEMS慣性測量裝置 (MEMS Inertial Measurement Unit，簡稱為MIMU)是一種自主式慣性測量裝置，具有隱蔽性好，動態范圍大，可靠性高，且體積和能耗小、成本低廉等優點［1］，這種技術在軍事導航及民用領域正起到越來越大的作用。因此，微慣性測量裝置的研究成為近年來慣性技術領域重點發展的關鍵技術之一［2］。然而MEMS慣性儀表在全溫范圍內的精度不高［3］，尤其是長時間工作時，環境溫度帶來的慣性儀表的零位漂移，它將對MIMU的精度產生直接影響。如何克服溫度對MIMU性能的影響，是MIMU實現工程化的重大難題之一。由于MEMS慣性器件參數的溫度系數不穩定，輸出重復性差，造成系統建模難度大，采取溫度補償消除溫度誤差的方法不易實現，而用溫控的方法使慣性器件工作在恒定的溫度條件下，避免其輸出受外界溫度變化的干擾，卻是一種方便可行的方法。

1 設計方案選取

微機械慣性測量裝置由三個MEMS陀螺、三個MEMS加速度計、信號采集和處理模塊、溫度控制模塊和結構殼體組成，組成框圖如圖1，內部結構圖如圖2。

通過對選用慣性傳感器溫度特性分析，采用恒溫控制方法效果比較好。為了降低系統總功耗，只對陀螺進行恒溫控制，對加速度計則采用間接加熱與溫度補償相結合的方式，這樣，加速度計的溫補溫度區間較小，補償效果較好。

由于慣性器件輸出為模擬電壓信號，而輸出要求是脈沖信號，雖然可以直接采用V/F轉換電路將慣性器件的輸出轉換為脈沖輸出，但這種方式不易于對慣性器件輸出信號進行處理。因此，本方案中考慮先采用高精度A/D轉換器對慣性器件的模擬輸出進行采樣，以實現慣性器件的數字化，便于對其進行誤差修正等處理，最后，由處理器控制脈沖信號的產生。

2 溫控系統設計方案

2.1 指標要求

溫控穩定溫度:+55℃;溫度控制精度:±0.5℃;溫度穩定時間:≤20 min;溫控最大電流:≤3.5 A;溫控穩態電流:≤1.5 A。以上是溫控系統各指標要求。

圖1 微機械慣性測量裝置原理框圖

圖2 微機械慣性測量裝置結構示意圖

2.2 工作原理和組成

溫控系統采用分段控制的方案 (如圖3所示)，與常規方法相比，該方案能夠使MIMU的溫度在短時間內達到穩定。系統開始上電時進入全速加溫階段 (0～t1)，控制對象上的加熱片全功率工作，溫度快速上升。當溫度接近設定的溫控點時，溫控進入精密溫控階段 (t1～t2，t2≈20 min)，此時，根據實時采集的溫度信號，通過控制算法，實現精密溫度控制。當MIMU的溫度達到設定溫度點時，系統的加溫功率與熱耗散功率保持平衡。

圖3 分段溫控工作流程圖

溫度控制模塊主要由溫度傳感器、單片機 (帶內部A/D轉換器)、場效應管、光耦等器件和加熱片組成。溫度控制模塊組成框圖見圖4。

圖4 溫度控制系統組成框圖

2.2 溫控電路設計

溫控系統通過PWM控制加熱電流占空比來調節加熱體的加熱速度，即控制場效應管的導通與截止，從而實現對加熱體電流的通斷控制，PWM脈沖由單片機計算并輸出。并在單片機與場效應管之間采用光電隔離，以提高系統的可靠性。溫度控制電路如圖5。另外，為了防止在軟件失控后系統加熱失控導致器件燒毀，在溫控電路中增加一個溫度開關，當腔體溫度達到限制溫度后自動斷開加熱電流，超溫保護電路如圖6。

圖5 溫度控制電路

圖6 超溫保護電路

2.3 溫控算法設計

溫控系統采用增量式PID控制算法，基本原理為，通過A/D信號采集模塊對慣性器件溫度信號實時采集，并計算出慣性器件當前溫度與目標溫度之差，再用PID控制算法計算出相應的控制量，然后以PWM脈沖形式向控制機構輸出控制量，即相應占空比的PWM脈沖，進而控制加熱器的平均加熱電流，從而實現溫度自動控制。圖7為PID控制系統方塊圖。

圖7 PID控制系統方塊圖

溫度控制系統主程序流程圖如圖8所示。開機復位時，系統進行初始化，接著檢測溫度，然后根據檢測到的環境溫度選擇合適的PID參數，再根據反饋溫度由PID增量式算法計算出控制量。本系統控制周期為1 s，即每隔1 s檢測一次溫度，輸出一次控制量，對加熱體加熱電流調整一次。

圖8 溫控系統主程序流程圖

增量式PID控制算法如式 (1):

式中:Kp為比例系數;Ki，fe為積分系數;Kd為微分系數;e為當前偏差;e(k－2)，e(k－1)，e(k)分別為最近三次溫度采樣值與目標溫度的偏差。

PID計算流程圖如圖9所示。

圖9 PID計算流程圖

3 試驗驗證

為了驗證采取溫控措施后對MIMU性能提高的實際效果，分別在溫控系統不工作和工作的條件下，分別對MIMU進行了靜態測試。測試狀態為:MIMU自然放置在室溫條件下，采樣時間間隔為1 s，得到部分測試結果如圖10所示;在采取溫控措施后對MIMU進行測試的結果如圖11所示。

由圖10、圖11可看出，MEMS慣性測量裝置溫控后在較短時間即可達到輸出穩定。

為了進一步評判溫控MIMU的性能，在帶溫箱的三軸測試標定臺中對其進行了低溫 (－40℃)、常溫(20℃)、高溫 (+65℃)三個溫度點的六位置性能測試，角速度通道和加速度通道測試結果分別見表1和表2。

圖10 無溫控時加速度計和陀螺輸出曲線

圖11 有溫控時加速度計和陀螺輸出曲線

根據測試結果統計，無溫控措施、全溫條件下MEMS慣性測量裝置角速度通道零位漂移在－2000(°)/h～+2000(°)/h范圍內波動，非線性在－180'～+180'范圍內波動，且兩項指標重復性較差;加速度通道零位漂移在－0.1 g～+0.1 g范圍內波動，非線性在－1%～+1%范圍內波動，且兩項指標重復性較差。與表1、表2中數據對比可知，在溫控條件下角速度通道性能和加速度通道性能的測試指標精度遠遠優于無溫控措施的結果，指標重復性也較強。

表1 角速度通道性能測試結果 (溫控下)

表2 加速度通道性能測試結果(溫控下)

4 結論

采取了分段溫控的方案，通過PWM溫控電路和增量式PID控制算法實現了對MEMS慣性測量裝置的實時溫控，確保慣導系統恒溫工作在精度較高的高溫+55℃溫度點，通過試驗驗證，結果表明溫控后MEMS慣性測量裝置在較短時間內達到了輸出穩定，高低溫下指標精度受外界溫度影響較小，精度相比無溫控措施下提高了0.5～1個數量級，效果明顯。

［1］馬春艷，王國鋒.MEMS組合慣導系統研究 ［C］//全國第十二屆空間及運動體控制技術學術年會論文.桂林:2006:185－189.

［2］蔣慶仙.關于MEMS慣性傳感器發展及在組合導航中的應用前景 ［J］.測繪通報，2006(9):5－8.

［3］ Geiger W，Bartholomeryczik J，Breng U，et cl.MEMS IMU for AHRS Applications［C］ //Position，Location and Navigation Symposium.IEEE/ION，2008，5:225－231.