分析穩定系統中的慣性MEMS的頻率響應

　　穩定系統簡介

　　無人飛行器安裝的監控設備、海上微波接收機、車輛安裝的紅外成像系統傳感器以及其他儀器系統都需要具有穩定的平臺，以達到最佳性能，但它們通常在可能遇到振動和其他類型不良運動的應用中使用。振動和正常車輛運動會導致通信中斷、圖像模糊以及其他很多行為，從而降低儀器的性能和執行所需功能的能力。平臺穩定系統采用閉環控制系統，以主動消除此類運動，從而保證達到這些儀器的重要性能目標。圖1是平臺穩定系統的整體框圖，它使用伺服電機來校正角向運動。反饋傳感器為儀器平臺提供動態方位信息。反饋控制器處理這些信息，并將其轉換為伺服電機的校正控制信號。

　　圖1. 基本平臺穩定系統。

　　由于很多穩定系統需要多個軸向的主動校正，因此慣性測量單元(IMU)通常包括至少三個軸向的陀螺儀(測量角速度)和三個軸向的加速度計(測量加速度和角定向)來提供反饋檢測功能。反饋傳感器的最終目標是提供平臺定向的精確測量，即使當平臺正在運動時也要做到。由于沒有“萬能”傳感器技術能夠在任何條件下提供精確的角度測量，因此平臺穩定系統中的IMU通常在每個軸上使用兩種或三種傳感器類型。

　　加速度計響應每個軸向上的靜態和動態加速。“靜態加速度”似乎是一個陌生的詞匯，但它涉及重要的傳感器行為：對重力的響應。假定不存在動態加速，并通過校準消除了傳感器誤差，則每個加速度計輸出將代表它的相對于重力的軸定向。為了確定在存在振動和快速加速的情況下穩定系統中通常出現的實際平均定向，通常會將濾波器和融合程序(組合來自多個傳感器類型的讀數，得出最佳估計值)應用于原始測量

　　另一種類型的傳感器是陀螺儀，它提供角速率測量。陀螺儀測量通過有限周期內的角速率的積分，在角度測量中發揮作用。執行積分時，偏置誤差將導致成比例的角度漂移，隨時間累加。因此，陀螺儀性能通常與設備偏置對不同環境因素的靈敏度相關，這些因素包括溫度變化、電源變化、離軸旋轉和線性加速度(線性g和整流g × g)。校準的高質量陀螺儀，具有對線性加速度的高抑制，使這些設備能夠提供寬帶角信息，作為對加速度計提供的低頻信息的補充。

　　第三種類型的傳感器是3軸磁力計，它可以測量磁場強度。從三個正交軸的磁場測量實現了相對于地球磁場本地方向的定向角估算。當磁力計接近電機、顯示器和其他動態磁場干擾源時，管理其精度可能非常困難，但在適當情況下，它的角度數據可作為來自加速度計和陀螺儀的數據的補充。雖然很多系統僅使用加速度計和陀螺儀，但磁力計可以改進某些系統的測量精度。

　　圖2的整體框圖顯示了如何使用陀螺儀和加速度計測量，既利用它們的基本優勢，同時又最大程度減少它們的弱點產生的影響。低通加速度計和高通陀螺儀濾波器的極點位置通常取決于應用，另外精度目標、相位延遲、振動和“正常”運動預測都會對位置決定產生影響。因系統而異的行為也會影響加權因子，而加權因子會對如何組合這兩種測量產生影響。擴展卡爾曼濾波器就是一個組合濾波和加權函數以計算動態角度估計的算法的例子。

　　圖2. 組合單軸傳感器輸出。

　　MEMS IMU頻率響應分析

　　圍繞新的MEMS IMU開發穩定系統時，在系統設計早期階段了解頻率響應是非常重要的，因為IMU的頻率響應將對控制器設計產生直接影響，可以幫助識別潛在穩定性問題—特別是在考慮到新一代設計的高帶寬解決方案時。這些信息對于預測陀螺儀的振動響應也非常有用。

　　評估IMU帶寬的一種策略是確定哪些信息在產品文檔中提供，分析此類信息對系統的慣性運動響應的影響，并穩定系統的響應。此類分析以及它涉及的所有校正操作將成為初始測試的基礎。

　　率響應在IMU和陀螺儀的規格表中表示為“帶寬”。作為一個性能參數，它表示某個頻率，輸出信號幅度在該頻率下降低到傳感器遇到的實際運動幅度的大約70% (–3 dB)。某些情況下，帶寬可也定義為輸出響應落后于實際運動90度時的頻率(對于雙極系統)。這兩個指標可以直接影響控制環路的一個重要穩定準則：單位增益、相位裕量—環路響應的實際相位角度和–180°之間的差值，環路增益為1。了解反饋傳感器的頻率響應，是優化穩定性保證和系統響應之間的平衡的關鍵因素。除了管理穩定性標準之外，頻率響應還會對振動抑制和制定采樣策略產生直接影響，通過這些策略可以測量慣性平臺上的所有關鍵瞬態信息。

　　要分析系統中的頻率響應，首先要從一個高層次“黑盒子”視圖開始，它描述了系統在整個目標頻率范圍內對輸入的響應。在電子電路中，輸入和輸出是從一般意義上定義的，例如信號電平(伏特)，分析通常包括開發傳遞函數，使用s域表示和電路-電平關系，例如基爾霍夫的電壓和電流定律。對于慣性MEMS系統，輸入是IMU遇到的慣性運動，輸出通常以數字碼表示。s域分析技術固然有很大作用，但要為這種類型的系統開發完整的傳遞函數，通常還需要采用其他技術，并且考慮到更多問題。

　　開始分析過程時，首先要了解與傳感器信號鏈相關的所有組件。圖3提供了典型函數的整體示意圖。信號鏈從核心傳感器元件開始，它將慣性運動轉化為代表性的電信號。如果帶寬在傳感器元件中未受限制，則通常受ADC模塊前的信號調理電路中的濾波器限制。信號數字化后，處理器通常應用糾錯(校準)公式和數字濾波。第二級的數字濾波器會減小反饋系統在控制程序中使用的帶寬和采樣速率。所有這些級都可能影響傳感器信號的增益和相位，與頻率相關。圖3提供了一個示例，IMU在混合信號處理系統中具有多個濾波器。該系統可作為一些實用分析技術的示例。