📄Работа №201060
Тема: СИСТЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ИНЕРЦИАЛЬНОГО МОДУЛЯ С ФУНКЦИЯМИ ГИРОСКОПА И АКСЕЛЕРОМЕТРА
Характеристики работы
Тип работы
Диссертация
Предмет
Физика
Объем:
175 листов
Год:
2020
Просмотров:
83
700
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1 ОБЗОР СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ОБРАБОТКИ
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ 12
1.1 Области применения микроэлектромеханических инерциальных датчиков ... 12
1.2 МЭМС гироскоп и акселерометр 18
1.3 Емкостные преобразователи 20
1.4 Методы измерения малых емкостей 24
1.4.1 Метод амперметра и вольметра 24
1.4.2 Резонансный метод 25
1.4.3 Метод емкостного делителя 25
1.4.4 Мостовой метод 26
1.4.5 Метод проходного конденсатора 27
1.5 Способы возбуждения первичных колебаний 28
1.5.1 Автогенераторная схема возбуждения 30
1.5.2 Схемы возбуждения с автоподстройкой частоты 34
1.5.3 Возбуждение первичных колебаний на половинной собственной частоте ... 36
1.6 Системы обработки измерительной информации МИМ 36
Выводы к главе 1 40
ГЛАВА 2 СОСТАВ И АЛГОРИТМЫ РАБОТЫ
МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ИНЕРЦИАЛЬНОГО МОДУЛЯ 42
2.1 Конструкция чувсвительного элемента 43
2.2 Математическая модель чувствительного элемента МИМ 48
2.3 Алгоритмы получения выходной информации МИМ 55
2.4 Электродные структуры ЧЭ МИМ 57
2.4.1 Гребенчатые приводные структуры 61
2.4.2 Сенсорные структуры 64
2.5 Обобщенная функциональная схема системы возбуждения и обработки
измерительной информации МИМ 67
Выводы к главе 2 71
ГЛАВА 3 АНАЛИЗ РАБОТЫ ИНЕРЦИАЛЬНОГО МОДУЛЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ТЕМПЕРАТУРЫ 72
3.1 Влияние температуры на собственные частоты 72
3.2 Влияние температуры на добротность ЧЭ 81
3.3 Зависимость ёмкостей от температуры 85
Выводы к главе 3 88
ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЕРВИЧНЫХ КОЛЕБАНИЙ 89
4.1 Частотные характеристики канала первичных колебаний 90
4.2 Частотные характеристики экспериментального прототипа 95
4.3.1 Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) 103
4.3.2 Пропорционально-интегральный контроллер 108
4.4 Экспериментальные исследования системы возбуждения первичных
колебаний 111
Выводы к главе 4 114
ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ МИМ 116
5.1 Настройка собственной частоты вторичных колебаний 118
5.2 Система выделения полезного сигнала 123
5.2.1 Алгоритмы определения ускорения и скорости в компенсационном
режиме 123
5.2.2 Метод расчета коэффициентов ПИ контроллера для режима гироскопа .... 127
5.2.3 Метод расчета коэффициентов ПИ контроллера для режима
акселерометра 130
5.3 Результаты моделирования системы обработки измерительной
информации 131
5.3.1 Режим акселерометра 131
5.3.2 Режим гироскопа 133
5.4 Экспериментальные исследования МИМ в режимах акселерометра и гироскопа по оси X 136
5.4.1 Экспериментальные исследования МИМ в режиме микроакселерометра .. 137
5.4.2 Экспериментальные исследования МИМ в режиме микрогироскопа 145
Выводы к главе 5 150
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 151
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 153
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 154
ПРИЛОЖЕНИЕ А КОД ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ДА С ПОМОЩЬЮ МАТЛАБА .. 165 ПРИЛОЖЕНИЕ Б ПАТЕНТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ 166
ПРИЛОЖЕНИЕ В АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ .. 167
ГЛАВА 1 ОБЗОР СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ОБРАБОТКИ
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ 12
1.1 Области применения микроэлектромеханических инерциальных датчиков ... 12
1.2 МЭМС гироскоп и акселерометр 18
1.3 Емкостные преобразователи 20
1.4 Методы измерения малых емкостей 24
1.4.1 Метод амперметра и вольметра 24
1.4.2 Резонансный метод 25
1.4.3 Метод емкостного делителя 25
1.4.4 Мостовой метод 26
1.4.5 Метод проходного конденсатора 27
1.5 Способы возбуждения первичных колебаний 28
1.5.1 Автогенераторная схема возбуждения 30
1.5.2 Схемы возбуждения с автоподстройкой частоты 34
1.5.3 Возбуждение первичных колебаний на половинной собственной частоте ... 36
1.6 Системы обработки измерительной информации МИМ 36
Выводы к главе 1 40
ГЛАВА 2 СОСТАВ И АЛГОРИТМЫ РАБОТЫ
МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ИНЕРЦИАЛЬНОГО МОДУЛЯ 42
2.1 Конструкция чувсвительного элемента 43
2.2 Математическая модель чувствительного элемента МИМ 48
2.3 Алгоритмы получения выходной информации МИМ 55
2.4 Электродные структуры ЧЭ МИМ 57
2.4.1 Гребенчатые приводные структуры 61
2.4.2 Сенсорные структуры 64
2.5 Обобщенная функциональная схема системы возбуждения и обработки
измерительной информации МИМ 67
Выводы к главе 2 71
ГЛАВА 3 АНАЛИЗ РАБОТЫ ИНЕРЦИАЛЬНОГО МОДУЛЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ТЕМПЕРАТУРЫ 72
3.1 Влияние температуры на собственные частоты 72
3.2 Влияние температуры на добротность ЧЭ 81
3.3 Зависимость ёмкостей от температуры 85
Выводы к главе 3 88
ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЕРВИЧНЫХ КОЛЕБАНИЙ 89
4.1 Частотные характеристики канала первичных колебаний 90
4.2 Частотные характеристики экспериментального прототипа 95
4.3.1 Фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ) 103
4.3.2 Пропорционально-интегральный контроллер 108
4.4 Экспериментальные исследования системы возбуждения первичных
колебаний 111
Выводы к главе 4 114
ГЛАВА 5 РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ОБРАБОТКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ МИМ 116
5.1 Настройка собственной частоты вторичных колебаний 118
5.2 Система выделения полезного сигнала 123
5.2.1 Алгоритмы определения ускорения и скорости в компенсационном
режиме 123
5.2.2 Метод расчета коэффициентов ПИ контроллера для режима гироскопа .... 127
5.2.3 Метод расчета коэффициентов ПИ контроллера для режима
акселерометра 130
5.3 Результаты моделирования системы обработки измерительной
информации 131
5.3.1 Режим акселерометра 131
5.3.2 Режим гироскопа 133
5.4 Экспериментальные исследования МИМ в режимах акселерометра и гироскопа по оси X 136
5.4.1 Экспериментальные исследования МИМ в режиме микроакселерометра .. 137
5.4.2 Экспериментальные исследования МИМ в режиме микрогироскопа 145
Выводы к главе 5 150
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 151
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 153
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 154
ПРИЛОЖЕНИЕ А КОД ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ДА С ПОМОЩЬЮ МАТЛАБА .. 165 ПРИЛОЖЕНИЕ Б ПАТЕНТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ 166
ПРИЛОЖЕНИЕ В АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ .. 167
📖 Аннотация
В данной диссертационной работе решается задача разработки системы возбуждения и обработки измерительной информации для микроэлектромеханического инерциального модуля (МИМ), интегрирующего функции гироскопа и акселерометра. Актуальность исследования обусловлена растущим спросом на миниатюрные, энергоэффективные и надежные инерциальные датчики для навигации, управления и мониторинга в таких областях, как робототехника, автомобилестроение и беспилотные системы. Основные результаты включают разработку математических моделей электродных структур, систем управления первичными и вторичными колебаниями, а также создание экспериментальных образцов МИМ компенсационного типа. Была достигнута стабилизация скорости первичных колебаний с погрешностью не более 1,3% в широком температурном диапазоне, что обеспечило высокие метрологические характеристики: диапазон измерения ±400°/с, нелинейность на уровне 0,4% для гироскопа и 0,47% для акселерометра. Научная значимость заключается в развитии методов анализа и синтеза интерфейсной электроники для вибрационных МЭМС, а практическая – в создании конкурентоспособного прототипа модуля. Теоретической основой послужили исследования в области структурного улучшения робастности гироскопов (Acar, Shkel), анализа надежности МЭМС (Tanner) и обзора современных инерциальных сенсоров (Girardin, Mounier).
📖 Введение
Актуальность темы
Микроэлектромеханическая система (МЭМС) представляет собой чип, в котором одновременно находится движущаяся 3D микромеханическая структура и микроэлектронная система, отвечающая за обработку сигналов механической системы. Изготовление МЭМС осуществляется с использованием оборудования и технологий, применяемых в микроэлектронике.
В настоящее время наиболее востребованными МЭМС являются инерциальные датчики (гироскопы и акселерометры). Они применяются для решения многих сложных задач ориентации, навигации, управления и мониторинга в разнообразных областях, таких как автомобильная промышленность, потребительская электроника, медицина, робототехника, беспилотные летательные аппараты, мониторинг технических объектов и сейсмологической обстановки. Благодаря комбинации акселерометров и гироскопов появляется возможность отследить и зафиксировать движение в трехмерном пространстве.
Распространение МЭМС гироскопов и акселерометров обусловлено рядом ключевых достоинств, таких как малые габариты, низкое энергопотребление, малое время готовности, низкая стоимость.
Наиболее сложными МЭМС датчиками являются гироскопы, которые представляют собой вибрационные системы. Для выполнения своего назначения - измерение угловой скорости движения объектов, в гироскопе необходимо возбудить гармонические первичные колебания инерционного тела на его резонансной частоте. При вращении объекта появляется сила Кориолиса, вызывающая вторичные колебания инерционного тела относительно ортогональной оси, амплитуда которых пропорциональна действующей скорости. Из-за особенностей применяемой технологии изготовления МЭМС гироскопов датчики, измеряющие амплитуды вторичных и первичных колебаний, а также привод, возбуждающий первичные колебания, являются емкостными, которые содержат подвижные и неподвижные электроды.
Чувствительность МЭМС гироскопа зависит от соотношения частот его первичных и вторичных колебаний, которая может быть увеличена за счёт эффекта резонанса. Изменение соотношения между частотами приводит к снижению чувствительности и даже неработоспособности гироскопа. Задача системы возбуждения заключается в возбуждении первичных колебаний и стабилизации их параметров в условиях наличия возмущающих факторов, основными из которых является температура окружающей среды и паразитные связи.
Таким образом, разработка системы возбуждения и управления первичными и вторичными колебаниями гироскопа при наличии негативных воздействий является актуальной задачей.
В данной работе исследуется способ улучшения характеристик МЭМС инерциальных датчиков путем создания электронной схемы, которая одновременно выполняет следующие задачи: преобразование измеренной величины в электрический сигнал, управление первичными колебаниями гироскопа; управление вторичными колебаниями гироскопа; формирование выходного сигнала гироскопа и акселерометра.
Кроме того, в одной МЭМС конструкции за счёт применения соответствующих алгоритмов обработки сигналов реализованы режимы гироскопа и акселерометра, что соответствует мировой тенденции создавать инерциальные модули, объединяющие несколько датчиков.
Целью диссертационной работы является разработка системы возбуждения первичных колебаний и системы обработки измерительной информации микроэлектромеханического инерциального модуля
компенсационного типа, реализующего функции гироскопа и акселерометра, устойчивого к температурным воздействиям.
Для достижения данной цели в работе должны быть решены следующие задачи:
1. Аналитический обзор существующих конструкцией МЭМС гироскопов и акселерометров с электронными схемами, на основании которых разработать и создать электронную систему, обеспечивающую созданному микроэлектромеханическому инерциальному модулю (МИМ) работу в компенсационном режиме.
2. Анализ воздействий внешних факторов, влияющих на динамические характеристики чувствительного элемента инерционного модуля, что позволит разработать способы устранения этих негативных влияний.
3. Разработка способа преобразования механических перемещений подвижных структур чувствительного элемента МИМ в электрические сигналы.
4. Разработка алгоритмов системы управления первичными и вторичными колебаниями чувствительного элемента МИМ для компенсационного преобразования угловых скоростей и поступательных ускорений в электрические сигналы.
5. Исследование влияния температуры на динамические характеристики микромеханического чувствительного элемента инерционного модуля.
6. Экспериментальные исследования работоспособности
схемотехнических решений и достижимости технических характеристик МИМ.
Методы исследования. Цель и поставленные задачи достигаются методами теоретического и экспериментального исследований.
Экспериментальные исследования проведены в два этапа. Первым этапом является исследование динамики чувствительного элемента МИМ методами моделирования математических моделей на персональном компьютере. На втором этапе проведены лабораторные испытания экспериментальных образцов в вакуумной термокамере.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Предложены математические модели электродных структур для построения приводных и сенсорных электродных структур, позволяющие реализовать линейную систему возбуждения первичными колебаниями и
повысить емкостную чувствительность микроэлектромеханического
инерциального модуля.
2. Предложено устройство резонансного возбуждения и управления первичными колебаниями инерциального модуля на основе фазовой автоподстройки частоты и автоматической регулировки усиления, позволяющее устранить паразитные эффекты и стабилизовать скорость первичных колебаний чувствительного элемента микроэлектромеханического инерциального модуля.
3. Разработан и экспериментально исследован метод управления микроэлектромеханическим инерциальным модулем путем компенсации вторичных колебаний замкнутой системой управления с обратной связью, обеспечивающей высокую устойчивость к воздействиям температуры.
Практическая значимость работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы в учреждениях и организациях, занимающихся научными исследованиями и разработкой микроэлектромеханических инерциальных датчиков. Разработанная последовательность расчета параметров электронных схем системы управления может быть использована как универсальная методика для построения электронных блоков управления МИМ. Полученные результаты могут служить методической базой для создания серийных малогабаритных инерциальных датчиков.
Внедрение результатов работы. Полученные результаты диссертации использованы в ходе выполнения проектов:
• Грант ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России", контракт № 14.575.21.0068 "Разработка методов проектирования многокомпонентных интегрированных микроэлектромеханических гироскопов и акселерометров, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям", 2014-2016 гг.
• Грант ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России", контракт № 14.578.21.0232 "Интеллектуальный инерциальный модуль на основе микроэлектромеханических датчиков с функциями гироскопа, акселерометра и магнитометра для систем ориентации и навигации транспортных средств с автоматизированным управлением", 2017-2020 гг.
Результаты работы используются: в ООО «Машиностроительное
предприятие «Ильма» при реализации проекта по созданию системы навигации горнопроходческого комбайна для обработки выходных сигналов с гироскопов и акселерометров; в учебном процессе в отделение Электронной инженерии Томского политехнического университета.
Положения, выносимые на защиту:
1. Математические модели приводных и сенсорных электродных структур позволяют реализовать линейную систему возбуждения первичных колебаний и повысить емкостную чувствительность микроэлектромеханического инерциального модуля.
2. Система возбуждения и управления первичными колебаниями инерциального модуля позволяет стабилизировать скорость первичных колебаний с погрешностью 1,3 % в диапазоне температур от минус 20 °С до 80 °С.
3. Система управления вторичными колебаниями инерциального модуля за счет компенсационного преобразования позволяет снизить нелинейность функции преобразования во всем диапазоне измерений до 0,4 % в режиме гироскопа, до 0,47 % в режиме акселерометра, достичь полосы пропускания свыше 20 Гц в режиме гироскопа и свыше 50 Гц в режиме акселерометра, устранить зависимость масштабного коэффициента от добротности и собственной частоты.
Апробация результатов исследования. Основные результаты
диссертационного исследования докладывались и обсуждались на международных и отечественных научно-технических конференциях, выставках:
• XI Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», НГТУ, г. Новосибирск, Россия, 04 - 08 декабря 2017 года;
• XII Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», НГТУ, г. Новосибирск, Россия, 03 - 07 декабря 2018 года;
• VI Международный молодежный форум «Инженерия для освоения космоса», ТПУ, г. Томск, Россия, 26-28 апреля 2018 года;
• Международный форум «Интеллектуальные системы 4-й
промышленной революции», ТГУ, Томск, Россия, 21-23 ноября 2018 года.
• XIII Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», НГТУ, г. Новосибирск, Россия, 02 - 06 декабря 2019 года;
• 4 International Conference on Mechatronics and Electrical Systems (ICMES 2019), г. Прага, Республика Чехия, 2019 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ в том числе: 3 статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендуемых ВАК РФ, 1 патент на изобретение; 4 публикации в изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science; 4 тезиса в материалах научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений, списка используемой литературы из 107 наименований и трех приложений. Основное содержание диссертации изложено на 169 странице и включает 112 рисунков и 13 таблиц.
В первой главе проведен обзор и анализ опубликованных электронных схем емкостных преобразователей, систем возбуждения и управления первичных колебаний, систем обработки измерительной информации МЭМС гироскопов, акселерометров и инерциальных модулей.
Во второй главе проведено исследование конструкции механического чувствительного элемента и обоснован принцип работы МИМ. Математическая модель, основные принципы электростатического усилия, емкостного измерения и динамические характеристики чувствительного элемента представлены. Даны рекомендации по выбору электродных структур для привода и сенсора. Приведен алгоритм определения ускорения и скорости МИМ прямого преобразования. Предложена структурная схема для создания инерциального модуля компенсационного типа.
В третьей главе приведены исследования влияния температуры на частотные характеристики чувствительного элемента и анализ характеристик электродных структур инерциального модуля.
В четвертной главе представлена система возбуждения первичных колебаний, позволяющая стабилизовать скорость первичных колебаний при наличии возмущающих внешних факторов. Приводятся результаты моделирования и экспериментов на основе созданной электронной схемы и экспериментального образца инерциального модуля.
В пятой главе представлена система управления вторичными колебаниями с обратной связью для обеспечения компенсационного режима работы МИМ. Приводятся результаты моделирования и экспериментов на основе созданной электронной схемы и экспериментального образца инерциального модуля в режиме гироскопа и акселерометра.
Микроэлектромеханическая система (МЭМС) представляет собой чип, в котором одновременно находится движущаяся 3D микромеханическая структура и микроэлектронная система, отвечающая за обработку сигналов механической системы. Изготовление МЭМС осуществляется с использованием оборудования и технологий, применяемых в микроэлектронике.
В настоящее время наиболее востребованными МЭМС являются инерциальные датчики (гироскопы и акселерометры). Они применяются для решения многих сложных задач ориентации, навигации, управления и мониторинга в разнообразных областях, таких как автомобильная промышленность, потребительская электроника, медицина, робототехника, беспилотные летательные аппараты, мониторинг технических объектов и сейсмологической обстановки. Благодаря комбинации акселерометров и гироскопов появляется возможность отследить и зафиксировать движение в трехмерном пространстве.
Распространение МЭМС гироскопов и акселерометров обусловлено рядом ключевых достоинств, таких как малые габариты, низкое энергопотребление, малое время готовности, низкая стоимость.
Наиболее сложными МЭМС датчиками являются гироскопы, которые представляют собой вибрационные системы. Для выполнения своего назначения - измерение угловой скорости движения объектов, в гироскопе необходимо возбудить гармонические первичные колебания инерционного тела на его резонансной частоте. При вращении объекта появляется сила Кориолиса, вызывающая вторичные колебания инерционного тела относительно ортогональной оси, амплитуда которых пропорциональна действующей скорости. Из-за особенностей применяемой технологии изготовления МЭМС гироскопов датчики, измеряющие амплитуды вторичных и первичных колебаний, а также привод, возбуждающий первичные колебания, являются емкостными, которые содержат подвижные и неподвижные электроды.
Чувствительность МЭМС гироскопа зависит от соотношения частот его первичных и вторичных колебаний, которая может быть увеличена за счёт эффекта резонанса. Изменение соотношения между частотами приводит к снижению чувствительности и даже неработоспособности гироскопа. Задача системы возбуждения заключается в возбуждении первичных колебаний и стабилизации их параметров в условиях наличия возмущающих факторов, основными из которых является температура окружающей среды и паразитные связи.
Таким образом, разработка системы возбуждения и управления первичными и вторичными колебаниями гироскопа при наличии негативных воздействий является актуальной задачей.
В данной работе исследуется способ улучшения характеристик МЭМС инерциальных датчиков путем создания электронной схемы, которая одновременно выполняет следующие задачи: преобразование измеренной величины в электрический сигнал, управление первичными колебаниями гироскопа; управление вторичными колебаниями гироскопа; формирование выходного сигнала гироскопа и акселерометра.
Кроме того, в одной МЭМС конструкции за счёт применения соответствующих алгоритмов обработки сигналов реализованы режимы гироскопа и акселерометра, что соответствует мировой тенденции создавать инерциальные модули, объединяющие несколько датчиков.
Целью диссертационной работы является разработка системы возбуждения первичных колебаний и системы обработки измерительной информации микроэлектромеханического инерциального модуля
компенсационного типа, реализующего функции гироскопа и акселерометра, устойчивого к температурным воздействиям.
Для достижения данной цели в работе должны быть решены следующие задачи:
1. Аналитический обзор существующих конструкцией МЭМС гироскопов и акселерометров с электронными схемами, на основании которых разработать и создать электронную систему, обеспечивающую созданному микроэлектромеханическому инерциальному модулю (МИМ) работу в компенсационном режиме.
2. Анализ воздействий внешних факторов, влияющих на динамические характеристики чувствительного элемента инерционного модуля, что позволит разработать способы устранения этих негативных влияний.
3. Разработка способа преобразования механических перемещений подвижных структур чувствительного элемента МИМ в электрические сигналы.
4. Разработка алгоритмов системы управления первичными и вторичными колебаниями чувствительного элемента МИМ для компенсационного преобразования угловых скоростей и поступательных ускорений в электрические сигналы.
5. Исследование влияния температуры на динамические характеристики микромеханического чувствительного элемента инерционного модуля.
6. Экспериментальные исследования работоспособности
схемотехнических решений и достижимости технических характеристик МИМ.
Методы исследования. Цель и поставленные задачи достигаются методами теоретического и экспериментального исследований.
Экспериментальные исследования проведены в два этапа. Первым этапом является исследование динамики чувствительного элемента МИМ методами моделирования математических моделей на персональном компьютере. На втором этапе проведены лабораторные испытания экспериментальных образцов в вакуумной термокамере.
Научная новизна диссертационной работы:
1. Предложены математические модели электродных структур для построения приводных и сенсорных электродных структур, позволяющие реализовать линейную систему возбуждения первичными колебаниями и
повысить емкостную чувствительность микроэлектромеханического
инерциального модуля.
2. Предложено устройство резонансного возбуждения и управления первичными колебаниями инерциального модуля на основе фазовой автоподстройки частоты и автоматической регулировки усиления, позволяющее устранить паразитные эффекты и стабилизовать скорость первичных колебаний чувствительного элемента микроэлектромеханического инерциального модуля.
3. Разработан и экспериментально исследован метод управления микроэлектромеханическим инерциальным модулем путем компенсации вторичных колебаний замкнутой системой управления с обратной связью, обеспечивающей высокую устойчивость к воздействиям температуры.
Практическая значимость работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы в учреждениях и организациях, занимающихся научными исследованиями и разработкой микроэлектромеханических инерциальных датчиков. Разработанная последовательность расчета параметров электронных схем системы управления может быть использована как универсальная методика для построения электронных блоков управления МИМ. Полученные результаты могут служить методической базой для создания серийных малогабаритных инерциальных датчиков.
Внедрение результатов работы. Полученные результаты диссертации использованы в ходе выполнения проектов:
• Грант ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России", контракт № 14.575.21.0068 "Разработка методов проектирования многокомпонентных интегрированных микроэлектромеханических гироскопов и акселерометров, устойчивых к дестабилизирующим воздействиям", 2014-2016 гг.
• Грант ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России", контракт № 14.578.21.0232 "Интеллектуальный инерциальный модуль на основе микроэлектромеханических датчиков с функциями гироскопа, акселерометра и магнитометра для систем ориентации и навигации транспортных средств с автоматизированным управлением", 2017-2020 гг.
Результаты работы используются: в ООО «Машиностроительное
предприятие «Ильма» при реализации проекта по созданию системы навигации горнопроходческого комбайна для обработки выходных сигналов с гироскопов и акселерометров; в учебном процессе в отделение Электронной инженерии Томского политехнического университета.
Положения, выносимые на защиту:
1. Математические модели приводных и сенсорных электродных структур позволяют реализовать линейную систему возбуждения первичных колебаний и повысить емкостную чувствительность микроэлектромеханического инерциального модуля.
2. Система возбуждения и управления первичными колебаниями инерциального модуля позволяет стабилизировать скорость первичных колебаний с погрешностью 1,3 % в диапазоне температур от минус 20 °С до 80 °С.
3. Система управления вторичными колебаниями инерциального модуля за счет компенсационного преобразования позволяет снизить нелинейность функции преобразования во всем диапазоне измерений до 0,4 % в режиме гироскопа, до 0,47 % в режиме акселерометра, достичь полосы пропускания свыше 20 Гц в режиме гироскопа и свыше 50 Гц в режиме акселерометра, устранить зависимость масштабного коэффициента от добротности и собственной частоты.
Апробация результатов исследования. Основные результаты
диссертационного исследования докладывались и обсуждались на международных и отечественных научно-технических конференциях, выставках:
• XI Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», НГТУ, г. Новосибирск, Россия, 04 - 08 декабря 2017 года;
• XII Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», НГТУ, г. Новосибирск, Россия, 03 - 07 декабря 2018 года;
• VI Международный молодежный форум «Инженерия для освоения космоса», ТПУ, г. Томск, Россия, 26-28 апреля 2018 года;
• Международный форум «Интеллектуальные системы 4-й
промышленной революции», ТГУ, Томск, Россия, 21-23 ноября 2018 года.
• XIII Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», НГТУ, г. Новосибирск, Россия, 02 - 06 декабря 2019 года;
• 4 International Conference on Mechatronics and Electrical Systems (ICMES 2019), г. Прага, Республика Чехия, 2019 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ в том числе: 3 статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендуемых ВАК РФ, 1 патент на изобретение; 4 публикации в изданиях, индексируемых в базах данных Scopus и Web of Science; 4 тезиса в материалах научно-технических конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка сокращений, списка используемой литературы из 107 наименований и трех приложений. Основное содержание диссертации изложено на 169 странице и включает 112 рисунков и 13 таблиц.
В первой главе проведен обзор и анализ опубликованных электронных схем емкостных преобразователей, систем возбуждения и управления первичных колебаний, систем обработки измерительной информации МЭМС гироскопов, акселерометров и инерциальных модулей.
Во второй главе проведено исследование конструкции механического чувствительного элемента и обоснован принцип работы МИМ. Математическая модель, основные принципы электростатического усилия, емкостного измерения и динамические характеристики чувствительного элемента представлены. Даны рекомендации по выбору электродных структур для привода и сенсора. Приведен алгоритм определения ускорения и скорости МИМ прямого преобразования. Предложена структурная схема для создания инерциального модуля компенсационного типа.
В третьей главе приведены исследования влияния температуры на частотные характеристики чувствительного элемента и анализ характеристик электродных структур инерциального модуля.
В четвертной главе представлена система возбуждения первичных колебаний, позволяющая стабилизовать скорость первичных колебаний при наличии возмущающих внешних факторов. Приводятся результаты моделирования и экспериментов на основе созданной электронной схемы и экспериментального образца инерциального модуля.
В пятой главе представлена система управления вторичными колебаниями с обратной связью для обеспечения компенсационного режима работы МИМ. Приводятся результаты моделирования и экспериментов на основе созданной электронной схемы и экспериментального образца инерциального модуля в режиме гироскопа и акселерометра.
✅ Заключение
Главным результатом диссертационной работы является решение задачи разработки интерфейсной электроники для МИМ, которая позволяет получить информацию об угловой скорости и поступательном ускорении.
1. Разработаны математические модели приводных и сенсорных электродных структур, позволяющих реализовать линейную систему возбуждения первичных колебаний и повысить емкостную чувствительность микроэлектромеханического инерциального модуля.
2. Построены частотные характеристики канала первичных колебаний чувствительного элемента инерциального модуля.
3. Разработана система управления первичными колебаниями, основанная на результатах аналитического анализа, моделирования и экспериментальных исследований образцов, которая позволяет стабилизировать скорость первичных колебаний с погрешностью не более 1,3 % в температурном диапазоне от минус 20 °С до 80 °С.
4. Разработана система управления вторичными колебаниями, способная управлять положением инерционных масс МИМ для получения компенсационного преобразования, улучшающего характеристики МИМ: повышение линейности, увеличение полосы пропускания, устранение зависимости масштабного коэффициента от добротности и собственной частоты.
5. Созданы экспериментальные образцы МИМ компенсационного типа с
диапазоном измерения ±400 градус/c, нестабильностью смещения нуля менее 22,54 мкд в режиме акселерометра и 5,49*10’4 градус/с в режиме гироскопа, и нелинейностью 0,47 % во всем диапазоне измерений в режиме акселерометра, 0,4 % в режиме гироскопа. Определены пути дальнейшего улучшения
характеристик МИМ.
6. Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении НИР, финансируемых в рамках ФЦП.
7. Результаты работы используются: в ООО «Машиностроительное предприятие «Ильма» при реализации проекта по созданию системы навигации горнопроходческого комбайна для обработки выходных сигналов с гироскопов и акселерометров; в учебном процессе в отделение Электронной инженерии Томского политехнического университета.
1. Разработаны математические модели приводных и сенсорных электродных структур, позволяющих реализовать линейную систему возбуждения первичных колебаний и повысить емкостную чувствительность микроэлектромеханического инерциального модуля.
2. Построены частотные характеристики канала первичных колебаний чувствительного элемента инерциального модуля.
3. Разработана система управления первичными колебаниями, основанная на результатах аналитического анализа, моделирования и экспериментальных исследований образцов, которая позволяет стабилизировать скорость первичных колебаний с погрешностью не более 1,3 % в температурном диапазоне от минус 20 °С до 80 °С.
4. Разработана система управления вторичными колебаниями, способная управлять положением инерционных масс МИМ для получения компенсационного преобразования, улучшающего характеристики МИМ: повышение линейности, увеличение полосы пропускания, устранение зависимости масштабного коэффициента от добротности и собственной частоты.
5. Созданы экспериментальные образцы МИМ компенсационного типа с
диапазоном измерения ±400 градус/c, нестабильностью смещения нуля менее 22,54 мкд в режиме акселерометра и 5,49*10’4 градус/с в режиме гироскопа, и нелинейностью 0,47 % во всем диапазоне измерений в режиме акселерометра, 0,4 % в режиме гироскопа. Определены пути дальнейшего улучшения
характеристик МИМ.
6. Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении НИР, финансируемых в рамках ФЦП.
7. Результаты работы используются: в ООО «Машиностроительное предприятие «Ильма» при реализации проекта по созданию системы навигации горнопроходческого комбайна для обработки выходных сигналов с гироскопов и акселерометров; в учебном процессе в отделение Электронной инженерии Томского политехнического университета.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.