一種集成數(shù)字化MEMS組件設(shè)計(jì)

段承龍 李娟 胡永勝

摘? 要：隨著微機(jī)電慣性器件（MEMS）精度和性能的不斷提高，以及慣性、組合導(dǎo)航算法的不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，MEMS系統(tǒng)的精度和性能得到逐步的提升，獲得越來越廣泛的應(yīng)用。文章主要研究內(nèi)容為從工程實(shí)際出發(fā)，重點(diǎn)研究某型用于飛行控制系統(tǒng)的MEMS組件的高度集成化、一體化、小型化設(shè)計(jì)方法;該組件可提供數(shù)字化三軸角速率、加速度及姿態(tài)信息，優(yōu)化了數(shù)字信號(hào)處理，進(jìn)行數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)帶寬配置，開展了MEMS組件動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，建立相應(yīng)傳遞函數(shù)模型，試驗(yàn)證明組件滿足高精度、高動(dòng)態(tài)特性的使用需求。

關(guān)鍵詞：MEMS;動(dòng)態(tài)特性;傳遞函數(shù);帶寬

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）11-0094-03

Abstract： With the continuous improvement of the accuracy and performance of micro-electromechanical inertial devices （MEMS）， and the continuous innovation and improvement of inertial and integrated navigation algorithms， the accuracy and performance of MEMS systems have been gradually improved， and they have become more and more widely used. The main research content of this article is from the engineering reality， focusing on the highly integrated， and miniaturized design method of a certain type of MEMS component for flight control system. This component can provide digital three-axis angular rate， acceleration and attitude information. The digital signal processing was optimized， the digital filter was designed， the bandwidth was configured， the dynamic characteristics test of the MEMS component was carried out， and the corresponding transfer function model was established. The test proved that the component meets the requirements of high precision and high dynamic characteristics.

Keywords： MEMS; dynamic characteristics; transfer function; bandwidth

未來戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略武器對慣性導(dǎo)航和飛行控制的需求：啟動(dòng)時(shí)間短、低功耗、動(dòng)態(tài)范圍大、抗強(qiáng)沖擊和振動(dòng)、中高等精度、較小的體積和重量、使用維護(hù)簡便、性能保證期長等[1][2][5]。提高M(jìn)EMS（Micro-Electronic Mechanical System）慣性系統(tǒng)本身的集成度，選用在體積和成本上具有優(yōu)勢的MEMS儀表、采用高集成度的嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)捷聯(lián)慣性系統(tǒng)的小型化;充分吸取國際上組合化、一體化、模塊化的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，使產(chǎn)品更加適合于戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略武器的需求[2][3][6]。

用集成電路取代分立元件，模塊化實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的硬件與軟件設(shè)計(jì)等技術(shù)，均有利于提高系統(tǒng)的可靠性、測試性、可維修性和精度，擴(kuò)大應(yīng)用，降低成本[7]。按照上述思路，采用MEMS陀螺、加表構(gòu)建微機(jī)械慣性測量裝置，對MEMS慣性敏感器件呈現(xiàn)出的系統(tǒng)誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)深度綜合補(bǔ)償，并在正式型號(hào)上進(jìn)行驗(yàn)證。

本文主要闡述如下內(nèi)容：

（1）分析MEMS系統(tǒng)的基本特點(diǎn)和小型化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，闡述結(jié)構(gòu)小型化設(shè)計(jì)技術(shù)、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)小型化設(shè)計(jì)技術(shù)。

（2）為使系統(tǒng)滿足振動(dòng)、沖擊、高低溫（-55℃～70℃）等環(huán)境試驗(yàn)條件要求，開展了MEMS系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，包括嚴(yán)酷高低溫環(huán)境中的靜態(tài)測量精度、振動(dòng)模態(tài)下的動(dòng)態(tài)特性、振動(dòng)環(huán)境中的噪聲等，信號(hào)具有抗高頻噪聲干擾能力，即保證振蕩模態(tài)下飛控系統(tǒng)在高更新率下具有足夠的相位儲(chǔ)備和幅值儲(chǔ)備，保證系統(tǒng)不出現(xiàn)抖動(dòng)等問題。

（3）針對飛控系統(tǒng)反饋控制的需求，開展動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，把組件信號(hào)作為對象進(jìn)行建模，優(yōu)化信號(hào)測量精度、提高實(shí)時(shí)性、減小延時(shí)系數(shù)。以滿足高機(jī)動(dòng)性，提高操縱特性，即“動(dòng)則靈，靜則穩(wěn)”。

1 MEMS組件構(gòu)成

MEMS組件中包括接口板、解算板、電源板和MEMS陀螺、加速度計(jì)等主要模塊，長寬高為130mm*75mm*84mm，重量：0.75kg，嵌入式導(dǎo)航計(jì)算機(jī)（雙核異步架構(gòu)：DSP+FPGA）完成模擬、數(shù)字信號(hào)的處理，對外提供數(shù)字化（串行422、ARINC429）俯仰、橫滾、航向三軸角速率、前向、側(cè)向、法向三軸加速度、俯仰、橫滾姿態(tài)信息，電路設(shè)計(jì)采用模塊化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)供電及內(nèi)、外部信號(hào)交聯(lián)，小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮利于散熱及符合機(jī)械強(qiáng)度要求的設(shè)計(jì)，MEMS陀螺、加表正交性安裝，尺寸無干涉，便于拆裝。

2 數(shù)字信號(hào)處理

2.1 DSP+FPGA架構(gòu)

嵌入式導(dǎo)航計(jì)算機(jī)采用DSP和FPGA架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的處理和交互，系統(tǒng)包含完整的自檢測、數(shù)據(jù)同步及通信、解算、程序存儲(chǔ)等功能，綜合FPGA的接口處理與DSP的運(yùn)算能力，其中FPGA進(jìn)行邏輯、時(shí)序、中斷控制、數(shù)字信號(hào)同步及收發(fā)，多線程并發(fā)執(zhí)行;DSP進(jìn)行慣性導(dǎo)航算法、慣性器件深度補(bǔ)償處理，為單線程順序執(zhí)行，外部與接收設(shè)備FCC通訊，根據(jù)實(shí)際的解算周期和處理時(shí)間確定合適的DSP中斷周期、FPGA進(jìn)行數(shù)字通信優(yōu)化，有利于減小數(shù)字信號(hào)延時(shí)，提高數(shù)據(jù)更新率，改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)和數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性。

對于飛控系統(tǒng)來說，角速率信號(hào)在工作頻段的幅頻響應(yīng)需滿足無較大超調(diào)、衰減慢，相頻響應(yīng)較小滯后。

2.2 數(shù)字信號(hào)優(yōu)化

HB6096信號(hào)發(fā)送速率設(shè)置為100K，根據(jù)實(shí)際發(fā)送的信號(hào)量個(gè)數(shù)（組件可提供：12個(gè)，多自由度測量信號(hào)）和位數(shù)（如32位），確定實(shí)際發(fā)送時(shí)間，延時(shí)可以精確測量，DSP解算周期為0.35ms，包括讀取、計(jì)算、寫入數(shù)據(jù)的時(shí)間，外部通信周期為5ms（200Hz），DSP中斷周期選為1ms或者5ms均可滿足要求。

利用總線分析儀進(jìn)行測試，每發(fā)送一個(gè)數(shù)占用0.3ms，共需4ms。

對低延時(shí)特性要求高的信號(hào)，以三軸角速率為例，應(yīng)通過FPGA優(yōu)先發(fā)送;應(yīng)減小中斷周期，DSP中斷周期1ms為佳，減小相應(yīng)數(shù)據(jù)的相位滯后，對提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性大有裨益。

2.3 噪聲特性

系統(tǒng)輸出時(shí)域上離散的數(shù)字信號(hào)，通過運(yùn)行于DSP的低通濾波器設(shè)置，使得輸出信號(hào)噪聲水平降低，在振動(dòng)頻譜下分析，信號(hào)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，說明掃頻結(jié)果，利用FFT變換計(jì)算100Hz以上能量占56.53%。

2.4 延時(shí)分析

2.4.1 時(shí)序分析法

全數(shù)字系統(tǒng)的通信，以429為例，異步通信回路、通信周期與信號(hào)的延時(shí)正相關(guān)，分析信號(hào)的通信路徑，可以確定大致的延時(shí)，DSP與FPGA為異步通信，若為5ms DSP中斷周期，則延時(shí)約為12ms，若DSP中斷周期為1ms，則延時(shí)約為5ms，F(xiàn)PGA以高更新率完成數(shù)據(jù)的更新，大大減小了延時(shí)。

2.4.2 試驗(yàn)測試法

通過試驗(yàn)方法，能夠精確的測試得出信號(hào)的延時(shí)及幅頻特性，通過調(diào)整濾波器設(shè)置，滿足特定場景的應(yīng)用需求（即較高的實(shí)時(shí)性，較小的穩(wěn)態(tài)誤差）。

3 動(dòng)態(tài)特性測試

3.1 測試方法

測試架構(gòu)如圖1。

所需設(shè)備：角振動(dòng)臺(tái)（0.03～60度每秒范圍可調(diào)，頻率范圍0～200Hz）、頻響儀、D/A轉(zhuǎn)換設(shè)備、采集設(shè)備。

頻域特性反映的是信號(hào)的動(dòng)態(tài)特性，指輸入量隨時(shí)間變化時(shí)信號(hào)的響應(yīng)特性。

頻率響應(yīng)試驗(yàn)方法：

頻響儀提供掃頻指令信號(hào)，指令驅(qū)動(dòng)角振動(dòng)臺(tái)，產(chǎn)生變頻率角速率信號(hào)1，MEMS組件響應(yīng)該正諧信號(hào)2，利用信號(hào)轉(zhuǎn)換板分別轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)3、4，選用多通道動(dòng)態(tài)信號(hào)采集儀或者利用頻響儀同時(shí)采集信號(hào)3和4，對比兩路信號(hào)，利用FFT變換，分析MEMS組件角速率的動(dòng)態(tài)特性。

分別采集10°/s、20°/s激勵(lì)幅值（正諧波）下各頻率點(diǎn)（0.1、1、2、5、8、9、10、11、12、15、18、20、25、30、35）的輸出。

注：角振動(dòng)臺(tái)的動(dòng)態(tài)特性須準(zhǔn)確已知，經(jīng)過校準(zhǔn)后可用于特定相關(guān)信號(hào)的動(dòng)態(tài)特性分析。

3.2 頻域校正

通過頻率校正（幅值、相位補(bǔ)償），能夠改變對象的頻率特性，改變阻尼特性，減小超調(diào)，減小相位延遲。Z域校正函數(shù)設(shè)計(jì)如下：

3.3 頻域辨識(shí)

將飛行控制系統(tǒng)所需角速率信號(hào)作為對象進(jìn)行分析，通過系統(tǒng)辨識(shí)，等效為相應(yīng)的傳遞函數(shù)模型，有助于復(fù)雜控制率設(shè)計(jì)。

從組件的設(shè)計(jì)機(jī)理上看，系統(tǒng)存在一定時(shí)滯，無時(shí)變環(huán)節(jié)，可等效為低階模型。

通過幅頻確定傳遞系數(shù)，運(yùn)用Pade近似時(shí)滯環(huán)節(jié)，用最小二乘法對相頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，確定對象的傳遞函數(shù)模型。根據(jù)S1中非零特征值確定系統(tǒng)階次為2。

結(jié)果如公式（2）：

經(jīng)數(shù)據(jù)分析，組件頻率響應(yīng)一致性良好。

在對應(yīng)的低頻段（20rad/s以內(nèi)），幅值無超調(diào)，在整個(gè)頻段，相位線性變化，見圖2。

4 測試結(jié)果

按照全溫線性插值補(bǔ)償?shù)姆绞教幚斫撬俾市盘?hào)，進(jìn)行角速率精度測試，在不同的溫度下，在-300°/s～300°/s范圍內(nèi)每隔10°/s進(jìn)行一個(gè)速率點(diǎn)的測試，與基準(zhǔn)信號(hào)的誤差符合要求。

對比給定信號(hào)與采集信號(hào)之間的精度，經(jīng)分析，在全量程內(nèi)誤差控制在0.03°/s以內(nèi)，線性度良好。

經(jīng)分析，MEMS的動(dòng)態(tài)特性等效為典型二階過阻尼環(huán)節(jié)，阻尼比大于1，有良好的阻尼特性：

（1）幅頻特性自然衰減，濾波器配置不同，帶寬不同，在20hz內(nèi)衰減慢。

（2）相頻特性與延時(shí)相關(guān)，為了獲得較小時(shí)延的系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)最優(yōu)數(shù)字系統(tǒng)（較小中斷周期，總線數(shù)據(jù)及時(shí)更新），優(yōu)化異步信號(hào)通信，20Hz內(nèi)相位滯后（下降90°為準(zhǔn)）滿足控制系統(tǒng)的需求。

5 結(jié)論

高度集成化、一體化、小型化技術(shù)實(shí)現(xiàn)的MEMS組件應(yīng)用于飛行控制系統(tǒng)，提供角速率信號(hào)和其他慣性信息，滿足高精度、高動(dòng)態(tài)特性的需求;進(jìn)行數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)，根據(jù)使用需求進(jìn)行幅頻和相頻的設(shè)定和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了頻率校正;提出了數(shù)字信號(hào)優(yōu)化方法減小時(shí)延，本文中所采用的動(dòng)態(tài)特性測試方法可以高效建立對象傳遞函數(shù)模型，確定傳感器的幅值和相位特性。

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