基于MEMS陀螺制導儀振動角速度異常響應分析

羅小秋

摘 要 通過對基于MEMS陀螺制導儀振動角速度異常響應情況進行分析，確定了制導儀Y軸角速度在半實物仿真環境條件下的異常響應是由于該方向陀螺的檢測軸較大的振動所致，根據分析結果對Y軸陀螺進行了適應性方案改進，并通過試驗驗證，對制導儀三個軸的角速度通道測量功能和性能能夠滿足系統控制和調參使用要求。

關鍵詞 MEMS陀螺;制導儀;檢測軸

概述

制導儀一般由陀螺儀、加速度計、二次電源和信號處理電路組成，測量角速度和加速度的通用元件通過選用陀螺儀和加速度，目前，在中低精度制導儀產品中，由于體積、成本限制，大多數上都采用MEMS微機械陀螺和加速度計方案，但微機械陀螺的缺點是抗振動性能較弱，在振動環境條件下會引起測量精度下降或測量功能異常，因此，必須準確分析MEMS微機械陀螺在半實物仿真振動環境條件下的角速度性響應性能，確保角速度測量精度和可靠性，以滿足制導儀在系統產品規定的力學環境條件下的使用要求。

1MEMS陀螺制導儀振動角速度異常情分析

1.1MEMS陀螺制導儀工作原理

MEMS陀螺制導儀工作原理為將外部輸入電源轉換成內部各組件用的直流電源，通過高集成三軸一體MEMS陀螺組合（以下簡稱：陀螺組合）和MEMS加速度計，實現其載體三個正交軸角速度和加速度的測量，經RS422串行接口輸出至信號處理電路，通過誤差補償運后形成角速度和加速度信息，用于載體作控制和調參。

1.2 制導儀振動角速度響應情況

在制導儀半實物仿真振動環境試驗過程中，即X輸入短時700°/s大角速度時，X、Z軸角速度通輸出與輸入一致，Y軸輸出與輸入差別較大，已達到±200°/s最大測量范圍的異常突跳，與實際輸入響應明顯不符，基于此響應情況，需從角速度測量源頭MEMS陀螺儀在該半實物仿真振動環境條件下的性能進行深入分析，以確定角速度異常響應問題原因。

1.3 陀螺組合工作原理

陀螺組合的工作原理是利用三個相互垂直軸向的MEMS陀螺敏感角速度信息，在傳感器內轉化成角速度的數字量，通過數字信號處理器進行誤差模型的補償整合并采用422串口發出。

陀螺組合內部傳感器模塊是由三個MEMS陀螺以及外圍電路構成。MEMS陀螺通過敏感單元及ASIC電路進行C/V轉換、信號放大、AD轉換等處理，最終通過標準SPI接口將角速度信息進行輸出。外圍電路由電阻、電容構成，主要用于MEMS陀螺的電源退耦合PLL環路濾波功能，保證產品的穩定工作。

陀螺組合的內部三塊陀螺檢測電路和數字處理電路安裝固定于芯體結構上，芯體結構通過四個減震墊和機械結構固定于殼體內部，電路板之間的互聯及對外接插件通過導線進行連接。

1.4 制導儀振動角速度異常響應分析

制導儀內部陀螺組合的MEMS陀螺表頭作為敏感外界角度信號的核心器件，在構架上由微機械敏感結構和ASIC測控電路共同組成，并疊層封裝在陶瓷管殼之中。微機械敏感結構采用全解耦、雙質量、線振動結構，其工作分為驅動模態和檢測模態，ASIC測控電路完成敏感結構的靜電驅動和變電容檢測。

微機械敏感結構由可動/固定驅動梳齒、可動/固定檢測梳齒、支承梁、哥氏質量及基座等組成。陀螺工作時，ASIC電路在固定驅動梳齒上施加正弦電壓，此電壓頻率等于敏感結構的驅動模態固有頻率，從而使得驅動質量沿x軸往復振動并工作在諧振狀態。

在制導儀半實物仿真振動環境條件下，當安裝于制導儀中MEMS陀螺結構處于x方向振動狀態，若z方向有角速度輸入時，則y方向由于哥氏力效應產生哥式加速度。哥氏加速度是由于相對運動與牽連轉動的相互影響而形成的。當動點對某一動參考系做相對運動，同時這個動參考系又作牽連轉動時，該點將具有哥氏加速度[1] ?？剖郊铀俣纫鹜勇萁Y構的檢測活動疏齒沿著y方向振動，檢測疏齒構成的等效電容發生變化，角速度的檢測原理就是基于檢測y方向等效電容的變化，該電容振動幅值正比于z方向輸入角速度。

由此，配合外部控制和檢測電路單元，可以實現對外部角速率信號的敏感。驅動軸采用四階帶通Sigma-Delta數字閉環，驅動環路有調相與穩幅單元，合理配置電路參數，可使陀螺驅動部分穩幅振蕩;檢測軸可配置為開環和閉環，通過C/V及ADC等變換，可以將檢測電容的變化轉換為數字信號;芯片采用自時鐘技術，片上集成鎖相環（PLL）追蹤驅動軸的正弦波，PLL輸出作為數字時鐘;數字后處理電路包括解調，抽樣濾波器和溫度補償單元。

根據陀螺組合內部三個軸向的陀螺安裝方式、敏感軸向、檢測軸向關系，安裝在X、Z軸的陀螺的檢測軸為沿載體的Y方向，而安裝于Y軸的陀螺的檢測軸沿載體的X方向。

若外界環境沿著檢測軸向存在一個較高頻率或者更為復雜的振動變化時，有可能會影響質量塊的位移，從而引起電容的變化異常，進而導致出現陀螺的輸出變化率較大，甚至出現達到滿量程飽和的情況出現。

在半實物仿真振動試驗過程中，X軸陀螺敏感方向為載體的X通道，Y軸、Z軸陀螺敏感方向分別對應載體的Y通道和Z通道，在試驗過程中，載體X軸通道會存在較大的速度，同樣振動環境最為復雜，而Y軸陀螺的檢測軸向正好與該軸向平行，受到的影響最為明顯。Y通道和Z通道的速度相對較小，振動環境相對比較簡單，而X、Z軸陀螺的檢測軸向受到的影響最小。因此，在試驗過程中，Y軸出現了異常跳點的異常現象，且變化率最為劇烈，而X、Z軸未出現該現象。

2適應性方案改進驗證情況

根據陀螺組合振動角速度異常響應情況分析結果，采取了將Y軸陀螺安裝板順時針旋轉90°改進方案，避開哥式加速度對陀螺的檢測軸的影響，重新粘膠固化固定于芯體結構上，將按新方案更改完成的陀螺組合安裝于制導儀中，進行半實物仿真振動環境試驗驗證，制導儀三個軸的角速度輸出呼應情況與輸入相符，沒有異常角速度響應，角速度測量功能和性能能夠滿足系統使用要求。

3結束語

在MEMS陀螺制導儀中，振動環境條件下的角速度性能呼應性能分析是非常重要的，且必須在半實物仿真環境條件下進行試驗，確保制導儀角速度功能和性能完成滿足系統控制和調參使用要求。

參考文獻

[1] 郭秀中，于波，陳云相.陀螺儀理論及應用[M].北京：航空工業出版社，1987：52.