何海洋，王章波

(中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽(yáng)471009)

0 引言

MEMS慣性測(cè)量裝置 (MEMS Inertial Measurement Unit，簡(jiǎn)稱為MIMU)是一種自主式慣性測(cè)量裝置，具有隱蔽性好，動(dòng)態(tài)范圍大，可靠性高，且體積和能耗小、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)［1］，這種技術(shù)在軍事導(dǎo)航及民用領(lǐng)域正起到越來(lái)越大的作用。因此，微慣性測(cè)量裝置的研究成為近年來(lái)慣性技術(shù)領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一［2］。然而MEMS慣性儀表在全溫范圍內(nèi)的精度不高［3］，尤其是長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，環(huán)境溫度帶來(lái)的慣性儀表的零位漂移，它將對(duì)MIMU的精度產(chǎn)生直接影響。如何克服溫度對(duì)MIMU性能的影響，是MIMU實(shí)現(xiàn)工程化的重大難題之一。由于MEMS慣性器件參數(shù)的溫度系數(shù)不穩(wěn)定，輸出重復(fù)性差，造成系統(tǒng)建模難度大，采取溫度補(bǔ)償消除溫度誤差的方法不易實(shí)現(xiàn)，而用溫控的方法使慣性器件工作在恒定的溫度條件下，避免其輸出受外界溫度變化的干擾，卻是一種方便可行的方法。

1 設(shè)計(jì)方案選取

微機(jī)械慣性測(cè)量裝置由三個(gè)MEMS陀螺、三個(gè)MEMS加速度計(jì)、信號(hào)采集和處理模塊、溫度控制模塊和結(jié)構(gòu)殼體組成，組成框圖如圖1，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2。

通過(guò)對(duì)選用慣性傳感器溫度特性分析，采用恒溫控制方法效果比較好。為了降低系統(tǒng)總功耗，只對(duì)陀螺進(jìn)行恒溫控制，對(duì)加速度計(jì)則采用間接加熱與溫度補(bǔ)償相結(jié)合的方式，這樣，加速度計(jì)的溫補(bǔ)溫度區(qū)間較小，補(bǔ)償效果較好。

由于慣性器件輸出為模擬電壓信號(hào)，而輸出要求是脈沖信號(hào)，雖然可以直接采用V/F轉(zhuǎn)換電路將慣性器件的輸出轉(zhuǎn)換為脈沖輸出，但這種方式不易于對(duì)慣性器件輸出信號(hào)進(jìn)行處理。因此，本方案中考慮先采用高精度A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)慣性器件的模擬輸出進(jìn)行采樣，以實(shí)現(xiàn)慣性器件的數(shù)字化，便于對(duì)其進(jìn)行誤差修正等處理，最后，由處理器控制脈沖信號(hào)的產(chǎn)生。

2 溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 指標(biāo)要求

溫控穩(wěn)定溫度:+55℃;溫度控制精度:±0.5℃;溫度穩(wěn)定時(shí)間:≤20 min;溫控最大電流:≤3.5 A;溫控穩(wěn)態(tài)電流:≤1.5 A。以上是溫控系統(tǒng)各指標(biāo)要求。

圖1 微機(jī)械慣性測(cè)量裝置原理框圖

圖2 微機(jī)械慣性測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 工作原理和組成

溫控系統(tǒng)采用分段控制的方案 (如圖3所示)，與常規(guī)方法相比，該方案能夠使MIMU的溫度在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。系統(tǒng)開始上電時(shí)進(jìn)入全速加溫階段 (0～t1)，控制對(duì)象上的加熱片全功率工作，溫度快速上升。當(dāng)溫度接近設(shè)定的溫控點(diǎn)時(shí)，溫控進(jìn)入精密溫控階段 (t1～t2，t2≈20 min)，此時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)采集的溫度信號(hào)，通過(guò)控制算法，實(shí)現(xiàn)精密溫度控制。當(dāng)MIMU的溫度達(dá)到設(shè)定溫度點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)的加溫功率與熱耗散功率保持平衡。

圖3 分段溫控工作流程圖

溫度控制模塊主要由溫度傳感器、單片機(jī) (帶內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器)、場(chǎng)效應(yīng)管、光耦等器件和加熱片組成。溫度控制模塊組成框圖見圖4。

圖4 溫度控制系統(tǒng)組成框圖

2.2 溫控電路設(shè)計(jì)

溫控系統(tǒng)通過(guò)PWM控制加熱電流占空比來(lái)調(diào)節(jié)加熱體的加熱速度，即控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通與截止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱體電流的通斷控制，PWM脈沖由單片機(jī)計(jì)算并輸出。并在單片機(jī)與場(chǎng)效應(yīng)管之間采用光電隔離，以提高系統(tǒng)的可靠性。溫度控制電路如圖5。另外，為了防止在軟件失控后系統(tǒng)加熱失控導(dǎo)致器件燒毀，在溫控電路中增加一個(gè)溫度開關(guān)，當(dāng)腔體溫度達(dá)到限制溫度后自動(dòng)斷開加熱電流，超溫保護(hù)電路如圖6。

圖5 溫度控制電路

圖6 超溫保護(hù)電路

2.3 溫控算法設(shè)計(jì)

溫控系統(tǒng)采用增量式PID控制算法，基本原理為，通過(guò)A/D信號(hào)采集模塊對(duì)慣性器件溫度信號(hào)實(shí)時(shí)采集，并計(jì)算出慣性器件當(dāng)前溫度與目標(biāo)溫度之差，再用PID控制算法計(jì)算出相應(yīng)的控制量，然后以PWM脈沖形式向控制機(jī)構(gòu)輸出控制量，即相應(yīng)占空比的PWM脈沖，進(jìn)而控制加熱器的平均加熱電流，從而實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制。圖7為PID控制系統(tǒng)方塊圖。

圖7 PID控制系統(tǒng)方塊圖

溫度控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。開機(jī)復(fù)位時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，接著檢測(cè)溫度，然后根據(jù)檢測(cè)到的環(huán)境溫度選擇合適的PID參數(shù)，再根據(jù)反饋溫度由PID增量式算法計(jì)算出控制量。本系統(tǒng)控制周期為1 s，即每隔1 s檢測(cè)一次溫度，輸出一次控制量，對(duì)加熱體加熱電流調(diào)整一次。

圖8 溫控系統(tǒng)主程序流程圖

增量式PID控制算法如式 (1):

式中:Kp為比例系數(shù);Ki，fe為積分系數(shù);Kd為微分系數(shù);e為當(dāng)前偏差;e(k－2)，e(k－1)，e(k)分別為最近三次溫度采樣值與目標(biāo)溫度的偏差。

PID計(jì)算流程圖如圖9所示。

圖9 PID計(jì)算流程圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證采取溫控措施后對(duì)MIMU性能提高的實(shí)際效果，分別在溫控系統(tǒng)不工作和工作的條件下，分別對(duì)MIMU進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)試。測(cè)試狀態(tài)為:MIMU自然放置在室溫條件下，采樣時(shí)間間隔為1 s，得到部分測(cè)試結(jié)果如圖10所示;在采取溫控措施后對(duì)MIMU進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果如圖11所示。

由圖10、圖11可看出，MEMS慣性測(cè)量裝置溫控后在較短時(shí)間即可達(dá)到輸出穩(wěn)定。

為了進(jìn)一步評(píng)判溫控MIMU的性能，在帶溫箱的三軸測(cè)試標(biāo)定臺(tái)中對(duì)其進(jìn)行了低溫 (－40℃)、常溫(20℃)、高溫 (+65℃)三個(gè)溫度點(diǎn)的六位置性能測(cè)試，角速度通道和加速度通道測(cè)試結(jié)果分別見表1和表2。

圖10 無(wú)溫控時(shí)加速度計(jì)和陀螺輸出曲線

圖11 有溫控時(shí)加速度計(jì)和陀螺輸出曲線

根據(jù)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)，無(wú)溫控措施、全溫條件下MEMS慣性測(cè)量裝置角速度通道零位漂移在－2000(°)/h～+2000(°)/h范圍內(nèi)波動(dòng)，非線性在－180'～+180'范圍內(nèi)波動(dòng)，且兩項(xiàng)指標(biāo)重復(fù)性較差;加速度通道零位漂移在－0.1 g～+0.1 g范圍內(nèi)波動(dòng)，非線性在－1%～+1%范圍內(nèi)波動(dòng)，且兩項(xiàng)指標(biāo)重復(fù)性較差。與表1、表2中數(shù)據(jù)對(duì)比可知，在溫控條件下角速度通道性能和加速度通道性能的測(cè)試指標(biāo)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于無(wú)溫控措施的結(jié)果，指標(biāo)重復(fù)性也較強(qiáng)。

表1 角速度通道性能測(cè)試結(jié)果 (溫控下)

表2 加速度通道性能測(cè)試結(jié)果(溫控下)

4 結(jié)論

采取了分段溫控的方案，通過(guò)PWM溫控電路和增量式PID控制算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)MEMS慣性測(cè)量裝置的實(shí)時(shí)溫控，確保慣導(dǎo)系統(tǒng)恒溫工作在精度較高的高溫+55℃溫度點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明溫控后MEMS慣性測(cè)量裝置在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到了輸出穩(wěn)定，高低溫下指標(biāo)精度受外界溫度影響較小，精度相比無(wú)溫控措施下提高了0.5～1個(gè)數(shù)量級(jí)，效果明顯。

［1］馬春艷，王國(guó)鋒.MEMS組合慣導(dǎo)系統(tǒng)研究 ［C］//全國(guó)第十二屆空間及運(yùn)動(dòng)體控制技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)論文.桂林:2006:185－189.

［2］蔣慶仙.關(guān)于MEMS慣性傳感器發(fā)展及在組合導(dǎo)航中的應(yīng)用前景 ［J］.測(cè)繪通報(bào)，2006(9):5－8.

［3］ Geiger W，Bartholomeryczik J，Breng U，et cl.MEMS IMU for AHRS Applications［C］ //Position，Location and Navigation Symposium.IEEE/ION，2008，5:225－231.