小型化MEMS陀螺儀標(biāo)定平臺的設(shè)計

侯為萍，孫 敏

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京101601)

小型化MEMS陀螺儀標(biāo)定平臺的設(shè)計

侯為萍，孫 敏

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京101601)

基于角速率轉(zhuǎn)臺體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、標(biāo)定范圍小、移動性差等現(xiàn)狀，設(shè)計了一種標(biāo)定范圍廣的小型化MEMS陀螺儀標(biāo)定設(shè)備，在此基礎(chǔ)上提出了一種角速度積分標(biāo)定方法，通過將陀螺儀電壓信號積分值與實(shí)際轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行線性擬合，從而求得陀螺的標(biāo)度因數(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)標(biāo)定原理簡單可靠，并且標(biāo)定精度取決于角位置精度和角位移量，降低了對角速度精度的要求，從而大大減小了設(shè)備體積和設(shè)計難度。

MEMS陀螺儀；標(biāo)定設(shè)備；標(biāo)度因數(shù)；伺服系統(tǒng)

MEMS陀螺儀由于具有體積小、可靠性高、抗沖擊能力強(qiáng)、測量范圍大的優(yōu)點(diǎn)，在空間小、環(huán)境惡劣、角速度變化范圍大、精度要求不高的場合得到廣泛應(yīng)用[1，2]。作為MEMS陀螺儀的主要標(biāo)定設(shè)備，高精度速率轉(zhuǎn)臺能提供高精度的角速度、角加速度、角位置信息，但是由于體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格高、速率范圍小，限制了其在某些特殊要求場合的應(yīng)用[3]。

針對以上問題，設(shè)計了一種小型化MEMS陀螺儀標(biāo)定平臺，并提出了一種基于該標(biāo)定平臺的新型標(biāo)定方法，該方法的基本原理是：陀螺儀的角速度信息積分與標(biāo)定平臺的角位置是一致的，通過獲取標(biāo)定平臺的角位置信息和時間，就可以對陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，從而降低了對標(biāo)定設(shè)備的轉(zhuǎn)速精度要求，有利于降低標(biāo)定設(shè)備的體積和成本。

1 小型化標(biāo)定平臺

小型化MEMS陀螺儀標(biāo)定平臺主要分為三部分，即底座、伺服系統(tǒng)和標(biāo)定臺，如圖1所示。底座為整個系統(tǒng)提供支撐作用，通過通孔可以方便地固定到平臺上；伺服系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以帶動標(biāo)定臺以某一角速度轉(zhuǎn)動精確的角位置；標(biāo)定臺上有固定尺寸的螺紋孔，為標(biāo)定器件提供安裝平臺。

圖1 平臺結(jié)構(gòu)圖

2 平臺系統(tǒng)組件介紹

2.1 伺服系統(tǒng)

該設(shè)計所用的是無刷直流伺服控制系統(tǒng)，其額定功率為100 W，轉(zhuǎn)速精度為0.1%，位置精度為0.088°，額定轉(zhuǎn)速為3000 r/min，能標(biāo)定大多數(shù)量程的陀螺儀。上位機(jī)能方便控制伺服系統(tǒng)的運(yùn)動狀態(tài)，反饋實(shí)時位置和速率信息，并且可以方便的編寫運(yùn)動控制程序，實(shí)現(xiàn)自動化傳感器標(biāo)定。

2.2 采集存儲器

采集存儲器以TMS320F2812為控制核心，控制ADS8365進(jìn)行高精度的信號采集，并將采集到的數(shù)據(jù)存入FLASH中。由于該標(biāo)定平臺的標(biāo)定原理基于陀螺儀的精確積分，所以通過定時器將采集存儲器的采樣頻率定為10 kHz，即采樣時間為0.1 ms[4]。

3 標(biāo)定原理

3.1 MEMS陀螺儀通用標(biāo)定原理

將MEMS陀螺儀固定在速率轉(zhuǎn)臺上，設(shè)定高精度速率轉(zhuǎn)臺繞陀螺儀軸向方向以速率方式運(yùn)行，若陀螺儀的最大量程為ωmax，則角速度可在-ωmax～ωmax范圍內(nèi)等間隔選取13組（組數(shù)可根據(jù)具體需求適當(dāng)改變），則MEMS陀螺儀會相應(yīng)的輸出13組電壓值，通過將轉(zhuǎn)速與電壓值進(jìn)行直線擬合，則可求出MEMS陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)和零點(diǎn)電壓。但是由于MEMS陀螺儀零點(diǎn)電壓受環(huán)境（特別是溫度）的影響很大，所以在實(shí)際應(yīng)用中，將靜止環(huán)境下MEMS陀螺儀的輸出電壓值作為零點(diǎn)電壓[5-7]。

3.2 小型化標(biāo)定平臺標(biāo)定原理

用角速度對MEMS陀螺儀進(jìn)行標(biāo)定的前提是標(biāo)定設(shè)備能輸出精確的角速度，但是由于該小型化標(biāo)定平臺應(yīng)用的無刷直流伺服控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速精度為0.1%，達(dá)不到標(biāo)定設(shè)備的精度要求，所以設(shè)計了應(yīng)用陀螺儀積分信息進(jìn)行標(biāo)定的方法，該方法的基本原理為：

在靜止環(huán)境下測量陀螺儀的零點(diǎn)電壓值u0，設(shè)置電機(jī)以角速度ω1轉(zhuǎn)動角度θ1，若耗時為t1(s)，由于采集存儲器的采樣頻率為10 kHz，采樣間隔時間T為0.0001 s，則該段時間內(nèi)陀螺儀的輸出的離散電壓值為u1，u2……ut1×10000。設(shè)定陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)為k1[V/（°/s）]，則t1時間內(nèi)陀螺儀測量出轉(zhuǎn)過的角度θ～1滿足式1。

由式1可求得MEMS陀螺儀在ω1處的標(biāo)度因數(shù)k1，如式2所示：

由式2可看出，標(biāo)度因數(shù)k1的精度不取決于伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速精度，只與單位時間內(nèi)的角增量和伺服系統(tǒng)的位置精度有關(guān)。但是由于電機(jī)位置精度的限制，陀螺儀積分得到的角度值與設(shè)定的角度值之間存在角度誤差Δθ1，可以通過增加轉(zhuǎn)過的角度θ1（即增加轉(zhuǎn)動時間t1）來減小Δθ1對標(biāo)度因數(shù)的影響。

根據(jù)以上標(biāo)定原理，可在 -ωmax～ωmax范圍內(nèi)等間隔選取13組角速度ω1，ω2……ω23，設(shè)定轉(zhuǎn)過的角度依次是θ1，θ2……θ23，則可求出不同轉(zhuǎn)速下的標(biāo)度因數(shù) k1，k2……k23。通過將標(biāo)度因數(shù)與轉(zhuǎn)速進(jìn)行線性擬合便可得出陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以7 200°/s量程的MEMS陀螺儀為例，轉(zhuǎn)臺分別以角速度7 200°/s、6 000°/s、4 800°/s、3 600°/s、2 400°/s、1 200°/s、0°/s、-1 200°/s、-2 400°/s、-3 600°/s、-4 800°/s、-6 000°/s、-7 200°/s帶動MEMS陀螺儀轉(zhuǎn)動，每個轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動約10 s，原始電壓值如圖2所示。

由圖中可看出，陀螺儀有13段時間處于靜止?fàn)顟B(tài)，對這些時間段內(nèi)電壓值取平均值，便可得陀螺儀在當(dāng)前環(huán)境下的零點(diǎn)電壓，經(jīng)過求取可得該值為2.498 340 V。根據(jù)式（2）可求得不同轉(zhuǎn)速下的標(biāo)度因數(shù)k1，k2……k13，標(biāo)度因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化見圖3所示。

圖2 原始電壓值

圖3 標(biāo)度因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化

從圖3中可看出，不同轉(zhuǎn)速下的陀螺標(biāo)度因數(shù)在很小的范圍內(nèi)存在一定的波動，即陀螺的非線性度。通過線性擬合后，求得該MEMS陀螺儀的標(biāo)度因數(shù)為0.000 285 675 V/（°/s）。

5 結(jié)論

本文介紹了一種體積小，結(jié)構(gòu)簡單，便于移動，標(biāo)定范圍廣，性價比高的MEMS陀螺儀標(biāo)定設(shè)備，在此基礎(chǔ)上提出了一種角速度積分標(biāo)定方法，從理論分析角度驗(yàn)證了其正確性，并經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。該設(shè)計為MEMS陀螺儀的標(biāo)定提供了新的方法，具有一定的工程應(yīng)用價值。

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The Design of Miniature Calibration Platform for MEMS Gyroscope

HOU Weiping，SUN Min

(The 45thInstitute of CECT，Bejing 101601，China)

Based on the fact that rate turn table has disadvantages of big volume，complicate structure，limited range and mobility，designed a high-ranged miniature calibration device for MEMS gyroscope，and then put forward a new calibration method of rate integration，which obtains the scale factor of gyroscope by linear fitting the integral voltage value of it and the angular displacement information from turn table.Experiments show that this calibration method is simple and reliable and the calibration accuracy depends on angular position precision and angular displacement more than rate accuracy，decreasing the design requirement and volume.

MEMS gyroscope；Calibration equipment；Scale factor；Servo system

TN305

A

1004-4507(2015)02-0004-04

侯為萍（1983-），女，工程師，碩士學(xué)位，主要從事電子專用設(shè)備的軟件研發(fā)工作。

2015-01-08