JP2010534823A - Force balance control system and control method using automatic gain control loop - Google Patents
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Abstract
本発明は、自動利得制御ループを使用した力平衡制御システム及び制御方法に関するもので、質量体の速度信号を制御する自動利得制御ループを使用して振動型角速度計の力平衡フィードバック制御を遂行するように構成され、複雑で雑音に敏感な従来のデジタル回路を簡単なアナログ回路で具現することができ、マイクロ角速度計に適用可能であるのみならず、汎用振動型角速度計または慣性センサー、圧力センサー、温度センサーなどの多様なセンサーに拡張可能な効果がある。
さらに、本発明の自動利得制御ループを使用した力平衡制御システムを多様なセンサーに適用することで、センサーの動的領域、帯域幅、線形性などの性能向上をはかることができる。The present invention relates to a force balance control system and control method using an automatic gain control loop, and performs force balance feedback control of a vibration type angular velocity meter using an automatic gain control loop for controlling a velocity signal of a mass body. The conventional digital circuit that is configured as described above and is sensitive to noise can be implemented with a simple analog circuit and is applicable not only to a micro angular velocity meter, but also to a general-purpose vibration type angular velocity meter or inertial sensor, pressure sensor It can be extended to various sensors such as temperature sensors.
Furthermore, by applying the force balance control system using the automatic gain control loop of the present invention to various sensors, it is possible to improve the performance of the sensor in terms of dynamic region, bandwidth, linearity, and the like.
Description
本発明は、一般的な角速度計のセンサー性能を高めるための電気的フィードバック制御に関する技術であり、特に、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ）角速度計のような小型、低電力システムの設計に相応しい自動利得制御ループを使用して力平衡制御（ｆｏｒｃｅ ｒｅｂａｌａｎｃｅ ｌｏｏｐ）を具現するシステムに関するものである。 The present invention relates to a technique related to electrical feedback control for enhancing the sensor performance of a general angular velocity meter, and in particular, an automatic gain control loop suitable for designing a small, low power system such as a MEMS (Microelectromechanical system) angular velocity meter. The present invention relates to a system that implements force balance loop using the.
主旨のように、角速度計は、回転座標系に存在する慣性物理量である角速度を測定するための計測センサーであり、機械式ジャイロスコープや回転計内で光の経路差を検出する光学式ジャイロスコープがその代表的な例である。 As the main point, an angular velocity meter is a measurement sensor for measuring an angular velocity, which is an inertial physical quantity existing in a rotating coordinate system, and is an optical gyroscope that detects a light path difference in a mechanical gyroscope or a tachometer. Is a typical example.
現在、ＭＥＭＳ技術を活用した小型、低電力のマイクロジャイロスコープが製作されていて、これらを活用する多様な応用分野が現れている。航空機、宇宙船、ミサイル、潜水艦、船舶などに使用される慣性航法システム分野に適用されるのみならず、車体姿勢安定化、ｒｏｌｌｏｖｅｒ検出、自動車航法、事故記録、衝突回避、荷重レベリング及びサスペンション制御などの自動車分野、コンピュータ入力器機、ゲーム制御器、バーチャルリアリティー入力道具、スポーツユーティリティセンサー、ビデオレコーダ、家庭用ロボットなどの消費電子分野、自律走行及び誘導ロボット、油圧設備姿勢制御などの産業電子分野、そして航空電子、アンテナ方向角制御、無人航空機、小型機自動着陸装置などの小型飛行体システム分野に拡がる趨勢である。最近では、一般制御用角速度測定のためのレート（ｒａｔｅ）級または戦術（ｔａｃｔｉｃａｌ）級角速度計が半導体構造製作工程を活用したマイクロジャイロスコープ形態に製作されている。このようなマイクロジャイロスコープ形態の角速度計は、工程の特性上、小型、低電力及び大量生産の特徴を有する。 Currently, small-sized, low-power micro gyroscopes using MEMS technology are being manufactured, and various application fields using these have appeared. Not only applied to the field of inertial navigation systems used in aircraft, spacecraft, missiles, submarines, ships, but also body posture stabilization, rollover detection, car navigation, accident recording, collision avoidance, load leveling and suspension control, etc. Automotive fields, computer input devices, game controllers, virtual reality input tools, sports utility sensors, video recorders, consumer electronics such as home robots, industrial electronics such as autonomous driving and guidance robots, hydraulic equipment attitude control, and The trend is to expand into the field of small aircraft systems such as avionics, antenna direction angle control, unmanned aerial vehicles, and small aircraft automatic landing gear. Recently, a rate class or a tactical class angular velocity meter for measuring the angular velocity for general control has been manufactured in the form of a micro gyroscope utilizing a semiconductor structure manufacturing process. Such an angular velocity meter in the form of a micro gyroscope has characteristics of small size, low power and mass production due to process characteristics.
振動型角速度計は、回転座標系で角速度入力側と垂直な平面上で振動する質量体に誘導されるコリオリの力を検出する方式を取ることを特徴とする。ここで、角速度計は、コリオリの力によって誘導される変位信号を検出することで、コリオリの力に比例する入力角速度の大きさを計算することができる。 The vibration type angular velocity meter is characterized in that a Coriolis force induced by a mass body that vibrates on a plane perpendicular to the angular velocity input side in a rotating coordinate system is detected. Here, the angular velocity meter can calculate the magnitude of the input angular velocity proportional to the Coriolis force by detecting a displacement signal induced by the Coriolis force.
図１は、一般的な角速度計の動作原理を説明するための一例示図で、図のように、質量体１０は、Ｘ軸方向の動力学によって振動し、Ｚ軸に印加される入力角速度によって質量体と角速度量の２倍数に該当するコリオリの力を誘発し、それによるＹ軸変位信号を検出することで、入力される角速度を計算する。ここで、駆動変位及び検出変位は、それぞれ質量体と角速度計のフレームワーク２０間に質量体を支持する駆動軸スプリング３０及び感知軸スプリング４０の弾性係数によって振動幅が決定される。
FIG. 1 is an exemplary diagram for explaining the operation principle of a general angular velocity meter. As shown in the figure, the
一方、前記の角速度計動作原理において、開ループ検出方式は、センサーの動的領域が制限されて入出力間の非線形性が増幅され得るので、真空環境など高い周波数選択度を要する環境の場合、帯域幅が非常に制限される短所があるが、これは、センサーの変位信号を一定な平衡状態に維持させる閉ループ方式の力平衡制御方式を応用することで改善可能である。 On the other hand, in the above-described principle of angular velocity meter operation, the open loop detection method limits the dynamic region of the sensor and can amplify the nonlinearity between input and output. There is a disadvantage that the bandwidth is very limited, but this can be improved by applying a closed-loop force balance control method that maintains the displacement signal of the sensor in a constant equilibrium state.
上述のような閉ループ方式力平衡制御は、複雑な強靭制御あるいは適応制御のアルゴリズムを適用することで角速度計の力平衡制御を具現する。 The closed loop type force balance control as described above implements force balance control of the angular velocity meter by applying a complex toughness control or adaptive control algorithm.
しかし、これは、マイクロプロセッサーなど複雑な周辺回路を要するので、小型、低価の効率的なセンサー製作には難しさが伴い、入力角速度によって誘発された検出軸の変位信号を完全に抑制する方式を取ることにより、非常に高い制御利得を必要とするので、回路的な具現を難しくしたり、力平衡制御誤差を誘発したりする問題点があった。 However, this requires complicated peripheral circuits such as a microprocessor, so it is difficult to produce a small, low-cost efficient sensor, and it completely suppresses the displacement signal of the detection axis induced by the input angular velocity. Therefore, since a very high control gain is required, there is a problem that it is difficult to realize a circuit and a force balance control error is induced.
本発明は、前記のような問題点を解決するために案出されたもので、質量体の速度信号を制御する自動利得制御ループを使用することで、振動型角速度計の力平衡フィードバック制御を遂行することができるシステム、及びその方法を提供することにその特徴的な目的がある。 The present invention has been devised to solve the above-described problems. By using an automatic gain control loop that controls the velocity signal of the mass body, force balance feedback control of the vibration type angular velocity meter is performed. There is a distinctive objective in providing a system and method that can be accomplished.
前述した課題を解決するために本発明の自動利得制御ループを使用した力平衡制御システムは、入力される角速度量による質量体の変位信号を検出して前記質量体の変位を調整する角速度計；前記角速度計から検出された変位信号を電圧信号に変換して出力する電荷増幅器；前記電荷増幅器から電圧信号として出力される変位信号を基に質量体の速度信号を出力する微分器；前記微分器から出力された速度信号と同一な位相、周波数及び単一利得（ｕｎｉｔｙ ｇａｉｎ）を有する正弦波信号を出力する単位利得基準周波数出力器；前記角速度計に印加された角速度量に関係なく一定の大きさの感知軸振動を誘導する基準信号を生成する基準値入力器；前記基準値入力器から出力された基準信号を使用して、前記角速度計が一定の振幅で振動するための制御信号を出力する制御器；及び前記単位利得基準周波数出力器から出力される正弦波信号と前記制御器から出力された制御信号の掛け算を行なった後、演算された電圧信号を前記角速度計に印加する掛け算器；を含む。 A force balance control system using the automatic gain control loop of the present invention to solve the above-described problem is an angular velocity meter that detects a displacement signal of a mass body according to an input angular velocity amount and adjusts the displacement of the mass body; A charge amplifier that converts a displacement signal detected from the angular velocity meter into a voltage signal and outputs the voltage signal; a differentiator that outputs a velocity signal of the mass body based on a displacement signal output as a voltage signal from the charge amplifier; and the differentiator Unit gain reference frequency output unit for outputting a sine wave signal having the same phase, frequency and unity gain as the velocity signal output from the unit; a constant magnitude irrespective of the amount of angular velocity applied to the angular velocity meter A reference value input device for generating a reference signal for inducing a sense axis vibration; using the reference signal output from the reference value input device, the angular velocity meter vibrates with a constant amplitude. A controller for outputting a control signal for performing the operation; and after multiplying the sine wave signal output from the unit gain reference frequency output device and the control signal output from the controller, the calculated voltage signal is A multiplier for applying to the angular velocity meter.
ここで、前記角速度計は、入力される角速度量による質量体の変位信号を検出する感知軸出力部；及び前記質量体の変位を調整する感知軸駆動部を含む。 Here, the angular velocity meter includes a sensing axis output unit that detects a displacement signal of the mass body according to an input angular velocity amount; and a sensing axis drive unit that adjusts the displacement of the mass body.
また、前記単位利得基準周波数出力器は、入力信号を高い利得率で増幅する利得部；前記入力信号と同一位相を有する矩形波信号を出力するリミッター；及び角速度計の共振周波数に該当する周波数を中心周波数に有する帯域通過フィルター；を含む。 The unit gain reference frequency output unit includes a gain unit that amplifies an input signal with a high gain factor; a limiter that outputs a rectangular wave signal having the same phase as the input signal; and a frequency corresponding to a resonance frequency of the angular velocity meter. A band pass filter having a center frequency.
前記自動利得制御ループを使用した力平衡制御システムは、前記微分器から出力された速度信号を半波整流する整流器；及び前記整流器から半波整流された信号を包絡線信号で出力するローパスフィルター；をさらに含む。 A force balance control system using the automatic gain control loop includes: a rectifier that half-wave rectifies a speed signal output from the differentiator; and a low-pass filter that outputs a half-wave rectified signal from the rectifier as an envelope signal; Further included.
そして、前記制御器は、前記ローパスフィルターから出力された包絡線信号と前記基準値入力器から生成された基準信号間の差異値に対して積分演算を遂行する積分部；前記差異値に対して利得値を掛ける比例利得部；及び前記積分部によって積分演算された積分値に対して利得値を掛ける積分利得部；を含む。 The controller includes an integration unit that performs an integration operation on a difference value between the envelope signal output from the low-pass filter and the reference signal generated from the reference value input unit; A proportional gain unit that multiplies the gain value; and an integral gain unit that multiplies the gain value by the integral value integrated by the integration unit.
前記の課題を解決するための本発明の自動利得制御ループを使用した力平衡制御方法は、角速度計に具備された感知軸の微細変位を検出する第１工程；前記検出された微細変位による変位信号を基に質量体の速度信号を生成する第２工程；前記速度信号と同一位相、周波数及び単一利得を有する正弦波信号を生成して、前記角速度計が一定の振幅で振動するための制御信号を生成する第３工程；前記正弦波信号と前記制御信号の掛け算を行なって振幅変調信号を生成する第４工程；及び変動した質量体の変位を一定に維持するように前記振幅変調信号を前記角速度計に印加する第５工程とを含む。 A force balance control method using an automatic gain control loop according to the present invention for solving the above-mentioned problem is a first step of detecting a fine displacement of a sensing axis provided in an angular velocity meter; a displacement due to the detected fine displacement A second step of generating a velocity signal of the mass body based on the signal; for generating a sinusoidal signal having the same phase, frequency and unity gain as the velocity signal so that the angular velocity meter vibrates with a constant amplitude A third step of generating a control signal; a fourth step of generating an amplitude modulation signal by multiplying the sine wave signal and the control signal; and the amplitude modulation signal so as to maintain a constant displacement of the mass body. A fifth step of applying to the angular velocity meter.
ここで、前記自動利得制御ループを使用した力平衡制御方法は、前記第５工程後で、前記角速度計に角速度入力がある場合、前記第１工程から前記第５工程を反覆する。 Here, in the force balance control method using the automatic gain control loop, after the fifth step, when there is an angular velocity input to the angular velocity meter, the first step to the fifth step are repeated.
また、前記第１工程前に角速度計の感知軸及び駆動軸が同一共振周波数を有しない場合には、同一共振周波数を有するように共振周波数を調整する工程をさらに含む。 In addition, when the sensing shaft and the drive shaft of the angular velocity meter do not have the same resonance frequency before the first step, the method further includes a step of adjusting the resonance frequency to have the same resonance frequency.
そして、前記第３工程の制御信号を生成する過程は、前記速度信号の高周波包絡線信号を検出する第１過程；前記角速度計に印加された角速度量に関係なく一定の大きさの感知軸振動を誘導する基準信号を生成する第２過程；及び前記第１過程で検出された包絡線信号と前記基準信号を使用して、前記角速度計が一定の振幅で振動するための制御信号を生成する第３過程を含む。 The process of generating the control signal in the third step is a first process of detecting a high-frequency envelope signal of the speed signal; a sense shaft vibration having a constant magnitude regardless of the amount of angular velocity applied to the angular velocity meter. A second process for generating a reference signal for inducing the signal; and using the envelope signal detected in the first process and the reference signal, a control signal for oscillating the angular velocity meter with a constant amplitude is generated. Includes a third step.
本発明は、複雑で雑音に敏感な従来のデジタル回路を簡単なアナログ回路で具現することができ、マイクロ角速度計に適用可能であるばかりでなく、汎用振動型角速度計または慣性センサー、圧力センサー、温度センサーなどの多様なセンサーなどに拡張可能な効果がある。 The present invention can implement a conventional digital circuit that is complex and sensitive to noise with a simple analog circuit, and is applicable not only to a micro angular velocity meter, but also to a general-purpose vibration type angular velocity meter or inertial sensor, pressure sensor, It can be extended to various sensors such as temperature sensors.
さらに、本発明の自動利得制御ループを使用した力平衡制御システムを多様なセンサーに適用することで、センサーの動的領域、帯域幅、線形性などの性能向上をはかることができる。 Furthermore, by applying the force balance control system using the automatic gain control loop of the present invention to various sensors, it is possible to improve the performance of the sensor in terms of dynamic region, bandwidth, linearity, and the like.
図２は、本発明の自動利得制御ループを使用した力平衡制御システム１００（以下、「力平衡システム」とする）を概念的に示した構成図で、図に示すように、角速度計１１０、電荷増幅器１２０、微分器１３０、単位利得基準周波数出力器１４０、整流器１５０、ローパスフィルター１６０、基準値入力器１７０、制御器１８０及び掛け算器１９０を含む。
FIG. 2 is a block diagram conceptually showing a force balance control system 100 (hereinafter referred to as “force balance system”) using the automatic gain control loop of the present invention. As shown in FIG. A
角速度計１１０は、入力される角速度量による質量体の変位信号を検出する感知軸出力部１１１及び掛け算器で演算された角速度計制御信号を基に質量体の変位信号を調整する感知軸駆動部１１２を含む。
The
電荷増幅器１２０は、前記感知軸出力部１１１から検出された変位信号を電圧信号として出力する機能を遂行する。
The
具体的に、前記感知軸出力部１１１と連結されて、質量体と感知軸出力部電極間の電気用量変化による電荷量変化を電圧信号に変換して出力する。したがって、電荷増幅器１２０の出力電圧信号は、入力角速度量に比例する変位信号の関数で検出される。
Specifically, it is connected to the sensing
微分器１３０は、電荷増幅器１２０から電圧信号として出力される変位信号を微分演算することによって、質量体の速度信号を出力する機能を遂行する。ここで、微分器１３０から出力された質量体の速度信号は、二つの独立的なフィードバックループに印加され、単位利得基準周波数出力器１４０と整流器１５０にそれぞれ印加される。
The
まず、単位利得基準周波数出力器１４０は、微分器１３０から出力された速度信号と同一な周波数、位相及び単位利得を有する正弦波信号を出力する機能を遂行し、図３に図に示すように、演算増幅器（ｏｐ−ａｍｐ）を活用した増幅器で構成され、入力信号を高い利得率で増幅する利得部１４１と、入力信号と同一位相を有する矩形波信号を出力するリミッター１４２及び角速度計の共振周波数に該当する周波数を中心周波数に有する帯域通過フィルター１４３で構成される。
First, the unit gain reference
すなわち、単位利得基準周波数出力器１４０は、相対的に小さな信号対雑音比（ＳＮＲ）を有する質量体の速度信号に対しても、同一共振周波数を有する矩形波を生成できるようにする。本発明では、前記リミッター１４２を適切なスルーレートを有するｏｐ−ａｍｐを活用した比較器として設定するが、本発明がこれに限定されるのではなく、雑音信号の大きさによってシュミットトリガなどで設定変更可能である。
That is, the unit gain reference
また、整流器１５０は、微分器１３０から出力された速度信号を半波整流する機能を遂行し、ローパスフィルター１６０は、整流器１５０から半波整流された信号を包絡線（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）信号で出力する機能を遂行する。
The
基準値入力器１７０は、角速度計に印加された角速度量に関係なく一定の大きさの感知軸振動を誘導する基準信号を生成する機能を遂行し、制御器１８０は、ローパスフィルター１６０から出力された包絡線信号、そして基準値入力器１７０から生成された基準信号を使用して、前記角速度計が一定の振幅で振動するための制御信号を出力する機能を遂行する。
The reference
図４は、制御器１８０を概念的に示した構成図で、図に示すように、ローパスフィルター１６０から出力された包絡線信号と基準値入力器１７０から生成された基準信号間の差異値に対して積分演算を遂行する積分部１８１、前記差異値と積分演算された積分値に対してそれぞれ利得値を掛ける比例利得部１８２及び積分利得部１８３を含む。
FIG. 4 is a block diagram conceptually showing the
すなわち、ローパスフィルター１６０から出力された包絡線信号と基準値入力器１７０から生成された基準信号間の差を比例利得を掛けた電圧値と積分後、積分利得を掛けた電圧値を加える。
That is, the difference between the envelope signal output from the
掛け算器１９０は、単位利得基準周波数出力器１４０から出力される正弦波信号と制御器１８０から出力された制御信号の掛け算を行なった後、演算された電圧信号を角速度計１１０の感知軸駆動部１１２に印加する。
The
整理すると、感知軸駆動部に印加された電圧信号は、コリオリの力によって変動した質量体の振動幅を一定に維持させる力平衡フィードバック制御を遂行する。 In summary, the voltage signal applied to the sensing shaft driving unit performs force balance feedback control that maintains the vibration width of the mass body changed by the Coriolis force constant.
本発明の特徴及び利点は、添付図面に基づいた後の詳細な説明で、さらに明確になるだろう。それに先立ち、本明細書及び請求の範囲に使用された用語や単語は、発明者が自身の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に即して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念に解釈されなければならない。また、本発明に係わる公知機能及びその構成に対する具体的な説明が、本発明の要旨を不必要な方向に流れると判断され得る場合には、その具体的な説明を省略したことに留意しなければならない。 The features and advantages of the present invention will become more apparent in the following detailed description based on the accompanying drawings. Prior to that, the terms and words used in the specification and claims are based on the principle that the inventor can appropriately define the terminology to describe his invention in the best possible manner. Therefore, it must be interpreted in the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. In addition, when it can be determined that the detailed description of the known functions and the configuration related to the present invention flows in an unnecessary direction, the specific description is omitted. I must.
以下、添付された図面を参照して本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図２は、本発明の自動利得制御ループを使用した力平衡制御システム１００（以下、「力平衡システム」とする）を概念的に示した構成図で、図に示すように、角速度計１１０、電荷増幅器１２０、微分器１３０、単位利得基準周波数出力器１４０、整流器１５０、ローパスフィルター１６０、基準値入力器１７０、制御器１８０及び掛け算器１９０を含む。
FIG. 2 is a block diagram conceptually showing a force balance control system 100 (hereinafter referred to as “force balance system”) using the automatic gain control loop of the present invention. As shown in FIG. A
角速度計１１０は、入力される角速度量による質量体の変位信号を検出する感知軸出力部１１１及び掛け算器から演算された角速度計制御信号を基に質量体の変位信号を調整する感知軸駆動部１１２を含む。
The
電荷増幅器１２０は、前記感知軸出力部１１１から検出された変位信号を電圧信号として出力する機能を遂行する。
The
具体的に、前記感知軸出力部１１１と連結されて、質量体と感知軸出力部電極間の電気用量変化による電荷量変化を電圧信号に変換して出力する。したがって、電荷増幅器１２０の出力電圧信号は、入力角速度量に比例する変位信号の関数で検出される。
Specifically, it is connected to the sensing
微分器１３０は、電荷増幅器１２０から電圧信号として出力される変位信号を微分演算するもので、質量体の速度信号を出力する機能を遂行する。ここで、微分器１３０から出力された質量体の速度信号は、二つの独立的なフィードバックループに印加され、単位利得基準周波数出力器１４０と整流器１５０にそれぞれ印加される。
The
まず、単位利得基準周波数出力器１４０は、微分器１３０から出力された速度信号と同一な周波数、位相及び単位利得を有する正弦波信号を出力する機能を遂行する。図３に図に示すように、演算増幅器（ｏｐ−ａｍｐ）を活用した増幅器で構成されて入力信号を高い利得率で増幅する利得部１４１と、入力信号と同一位相を有する矩形波信号を出力するリミッター１４２及び角速度計の共振周波数に該当する周波数を中心周波数に有する帯域通過フィルター１４３で構成される。
First, the unit gain reference
すなわち、単位利得基準周波数出力器１４０は、相対的に小さな信号対雑音比（ＳＮＲ）を有する質量体の速度信号に対しても同一共振周波数を有する矩形波を生成する。本発明では、前記リミッター１４２を適切なスルーレートを有するｏｐ−ａｍｐを活用した比較器として設定するが、本発明がこれに限定されるのではなく、雑音信号の大きさによってシュミットトリガなどで設定変更可能である。
That is, the unit gain reference
また、整流器１５０は、微分器１３０から出力された速度信号を半波整流する機能を遂行して、ローパスフィルター１６０は、整流器１５０から半波整流された信号を包絡線信号で出力する機能を遂行する。
The
基準値入力器１７０は、角速度計に印加された角速度量に関係なく一定の大きさの感知軸振動を誘導する基準信号を生成する機能を遂行して、制御器１８０は、ローパスフィルター１６０から出力された包絡線信号、そして基準値入力器１７０から生成された基準信号を使用して、前記角速度計が一定の振幅で振動するための制御信号を出力する機能を遂行する。
The reference
図４は、制御器１８０を概念的に示した構成図で、図に示すように、ローパスフィルター１６０から出力された包絡線信号と基準値入力器１７０から生成された基準信号間の差異値に対して積分演算を遂行する積分部１８１、前記差異値と積分演算された積分値に対してそれぞれ利得値を掛ける比例利得部１８２及び積分利得部１８３を含む。
FIG. 4 is a block diagram conceptually showing the
すなわち、ローパスフィルター１６０から出力された包絡線信号と基準値入力器１７０から生成された基準信号間の差を比例利得を掛けた電圧値と積分後、積分利得を掛けた電圧値を加える。
That is, the difference between the envelope signal output from the
掛け算器１９０は、単位利得基準周波数出力器１４０から出力される正弦波信号と制御器１８０から出力された制御信号の掛け算を行なった後、演算された電圧信号を角速度計１１０の感知軸駆動部１１２に印加する。
The
整理すると、感知軸駆動部に印加された電圧信号は、コリオリの力によって変動された質量体の振動幅を一定に維持させる力平衡フィードバック制御を遂行する。 In summary, the voltage signal applied to the sensing shaft drive unit performs force balance feedback control that maintains the vibration width of the mass body changed by the Coriolis force constant.
以下、図５を参照して本発明の自動利得制御ループを使用した力平衡制御システムの動作及び自動利得制御ループを使用した力平衡制御方法を説明する。 Hereinafter, the operation of the force balance control system using the automatic gain control loop of the present invention and the force balance control method using the automatic gain control loop will be described with reference to FIG.
まず、角速度計の感知軸及び駆動軸が同一な共振周波数を有しない場合には同一共振周波数を有するように共振周波数を調整する前処理過程を遂行する（Ｓ１０、Ｓ１１）。 First, when the sensing shaft and the drive shaft of the angular velocity meter do not have the same resonance frequency, a pre-processing process for adjusting the resonance frequency so as to have the same resonance frequency is performed (S10, S11).
次に、角速度が角速度計に入力されると、角速度計に具備された感知軸の微細変位を検出する（Ｓ２０）。 Next, when the angular velocity is input to the angular velocity meter, a fine displacement of the sensing axis provided in the angular velocity meter is detected (S20).
微細変位が検出されると、前記検出された微細変位による変位信号を基に質量体の速度信号を生成する（Ｓ３０）。 When the minute displacement is detected, a velocity signal of the mass body is generated based on the displacement signal due to the detected minute displacement (S30).
この速度信号は、前記変位信号を微分した微分信号である。 This speed signal is a differential signal obtained by differentiating the displacement signal.
次に、前記速度信号と同一な位相、周波数及び単一利得を有する正弦波信号を生成する過程（Ｓ４０）と、前記角速度計が一定の振幅で振動するための制御信号を生成する過程（Ｓ５１、Ｓ５２、Ｓ５３）が成り立つ。 Next, a process of generating a sine wave signal having the same phase, frequency and unity gain as the speed signal (S40), and a process of generating a control signal for the angular velocity meter to vibrate with a constant amplitude (S51). , S52, S53).
ここで、前記角速度計が一定の振幅で振動するための制御信号を生成する過程を具体的に説明すると、まず、前記速度信号の高周波包絡線信号を検出する（Ｓ５１）。また、それと共に前記角速度計に印加された角速度量に関係なく一定の大きさの感知軸振動を誘導する基準信号を生成する（Ｓ５２）。 Here, the process of generating a control signal for causing the angular velocity meter to vibrate with a constant amplitude will be described in detail. First, a high-frequency envelope signal of the velocity signal is detected (S51). At the same time, a reference signal for inducing a sense axis vibration having a constant magnitude irrespective of the amount of angular velocity applied to the angular velocity meter is generated (S52).
次に、前記検出された包絡線信号と前記基準信号を使用して、前記角速度計が一定の振幅で振動するための制御信号を生成する（Ｓ５３）。 Next, using the detected envelope signal and the reference signal, a control signal for causing the angular velocity meter to vibrate with a constant amplitude is generated (S53).
前記二つの信号を使用して制御信号を生成することを具体的に説明すると、一旦、前記包絡線信号と前記基準信号間の差異値を求める。 The generation of a control signal using the two signals will be specifically described. A difference value between the envelope signal and the reference signal is once obtained.
次に、前記差異値に対して積分演算を行なった後、所定の利得値を掛ける過程と前記差異値に対して積分せずに所定の利得値を掛ける過程が同時に成立する。 Next, after the integration operation is performed on the difference value, a process of multiplying the difference value by a predetermined gain value and a process of multiplying the difference value by a predetermined gain value without integration are simultaneously established.
そのように求められた前記二つの過程の結果値を加えて、制御信号を生成する。 A control signal is generated by adding the result values of the two processes thus obtained.
次に、前記速度信号と同一な位相、周波数及び単一利得を有する正弦波信号と前記制御信号を掛け算して振幅変調信号を生成する（Ｓ６０）。 Next, an amplitude-modulated signal is generated by multiplying the control signal by a sine wave signal having the same phase, frequency and unity gain as the speed signal (S60).
振幅変調信号が生成されると、変動した質量体の変位を一定に維持するように前記振幅変調信号を前記角速度計１１０の感知軸駆動部１１２に印加する（Ｓ７０）。
When the amplitude modulation signal is generated, the amplitude modulation signal is applied to the sensing
このように感知軸駆動部に印加された電圧信号は、コリオリの力によって変動した質量体の振動幅を一定に維持させる力平衡フィードバック制御を遂行するようになる。 As described above, the voltage signal applied to the sensing axis driving unit performs force balance feedback control for maintaining the vibration width of the mass body changed by the Coriolis force constant.
以後、角速度計に角速度が入力されると、角速度計に具備された感知軸の微細変位を検出する過程から反覆して行なう（Ｓ８０）。 Thereafter, when the angular velocity is input to the angular velocity meter, the process is repeated from the process of detecting the fine displacement of the sensing axis provided in the angular velocity meter (S80).
一方、図６は、本発明の力平衡制御システムを使用した角速度入力による制御信号（振動信号）を出力したグラフで、図に示すように、０．０５秒に１０ｄｅｇ／ｓｅｃの角速度が入力される時、制御器を通じて出力される制御信号は、１０ｍｓｅｃの上昇時間特性を有して入力角速度信号を追従することが分かる。 On the other hand, FIG. 6 is a graph that outputs a control signal (vibration signal) by an angular velocity input using the force balance control system of the present invention. As shown in the figure, an angular velocity of 10 deg / sec is input in 0.05 seconds. It can be seen that the control signal output through the controller follows the input angular velocity signal with a rise time characteristic of 10 msec.
図７は、本発明の力平衡制御システムを使用した角速度入力による角速度信号（変位信号）を出力したグラフで、図に示すように、０．０５秒に１０ｄｅｇ／ｓｅｃの大きさの角速度が入力される時、同一振幅を維持することが分かり、約２０ｍｓｅｃ以内で定常状態に収斂速度を示している。 FIG. 7 is a graph that outputs an angular velocity signal (displacement signal) by an angular velocity input using the force balance control system of the present invention. As shown in the figure, an angular velocity of 10 deg / sec is input in 0.05 seconds. , It is found that the same amplitude is maintained, showing a convergence rate in steady state within about 20 msec.
図８は、本発明の力平衡制御システムに適用される角速度計を使用して角速度の入力信号と出力信号を示すグラフで、ａは約１００ｄｅｇ／ｓｅｃ、１Ｈｚの正弦波角速度入力信号を示し、ａ’はそれによる出力信号であり、角速度が入力されても信号の歪曲なしに同一波形を出力することが分かる。 FIG. 8 is a graph showing an angular velocity input signal and an output signal using an angular velocity meter applied to the force balance control system of the present invention, where a is a sinusoidal angular velocity input signal of about 100 deg / sec, 1 Hz, a ′ is an output signal thereby, and it can be seen that even if an angular velocity is inputted, the same waveform is outputted without distortion of the signal.
以上で本発明の技術的事項を例示するための好ましい実施例と係わって説明して図示したが、本発明は、このように図示され、説明されたとおりの構成及び作用にのみ限られるのではなく、技術的思想の範疇を逸脱することなしに、本発明に対して多数の変更及び修正が可能であることを当業者たちはよく理解することができるだろう。したがって、そのようなすべての適切な変更及び修正と均等物も本発明の範囲に属すると見なされなければならない。 Although the present invention has been described and illustrated in connection with a preferred embodiment for illustrating the technical matters of the present invention, the present invention is not limited to the configuration and operation as illustrated and described in this way. In addition, those skilled in the art will appreciate that numerous changes and modifications can be made to the present invention without departing from the scope of the technical idea. Accordingly, all such suitable changes and modifications and equivalents should also be considered within the scope of the present invention.
本発明は、汎用振動型角速度計または慣性センサー、圧力センサー、温度センサーなどの多様なセンサーなどに拡張可能であり、センサーの動的領域、帯域幅、線形性などの性能向上をはかることができ、センサーが使用される多様な産業分野で活用することができる。 The present invention can be extended to various types of sensors such as a general-purpose vibration type angular velocity meter or inertial sensor, pressure sensor, temperature sensor, etc., and can improve performance such as the dynamic region, bandwidth, and linearity of the sensor. The sensor can be used in various industrial fields.
１１０：角速度計
１２０：電荷増幅器
１３０：微分器
１４０：単位利得基準周波数出力器
１５０：整流器
１６０：ローパスフィルター
１７０：基準値入力器
１８０：制御器
１９０：掛け算器
110: angular velocity meter 120: charge amplifier 130: differentiator 140: unit gain reference frequency output device 150: rectifier 160: low-pass filter 170: reference value input device 180: controller 190: multiplier
Claims (20)
入力される角速度量による質量体の変位信号を検出して前記質量体の変位を調整する角速度計と、
前記角速度計から検出された変位信号を電圧信号に変換して出力する電荷増幅器と、
前記電荷増幅器から電圧信号として出力される変位信号を基に質量体の速度信号を出力する微分器と、
前記微分器から出力された速度信号と同一な位相、周波数及び単一利得を有する正弦波信号を出力する単位利得基準周波数出力器と、
前記角速度計に印加された角速度量に関係なく一定の大きさの感知軸振動を誘導する基準信号を生成する基準値入力器と、
前記基準値入力器から出力された基準信号を使用して、前記角速度計が一定の振幅で振動するための制御信号を出力する制御器と、
前記単位利得基準周波数出力器から出力される正弦波信号と前記制御器から出力された制御信号の掛け算を行なった後、演算された電圧信号を前記角速度計に印加する掛け算器と
を備えることを特徴とする自動利得制御ループを使用した力平衡制御システム。 A force balance control system using an automatic gain control loop,
An angular velocity meter that detects a displacement signal of the mass body according to an input angular velocity amount and adjusts the displacement of the mass body;
A charge amplifier that converts the displacement signal detected from the angular velocity meter into a voltage signal and outputs the voltage signal;
A differentiator that outputs a velocity signal of a mass body based on a displacement signal output as a voltage signal from the charge amplifier;
A unit gain reference frequency output device for outputting a sine wave signal having the same phase, frequency and unity gain as the velocity signal output from the differentiator;
A reference value input device for generating a reference signal for inducing a sense axis vibration having a constant magnitude irrespective of the amount of angular velocity applied to the angular velocity meter;
A controller for outputting a control signal for the angular velocity meter to vibrate with a constant amplitude using the reference signal output from the reference value input device;
A multiplier for applying the calculated voltage signal to the angular velocity meter after multiplying the sine wave signal output from the unit gain reference frequency output device and the control signal output from the controller. Force balance control system using the featured automatic gain control loop.
入力される角速度量による質量体の変位信号を検出する感知軸出力部と、
前記質量体の変位を調整する感知軸駆動部と
を含む、請求項１記載の自動利得制御ループを使用した力平衡制御システム。 The angular velocity meter is
A sensing axis output unit for detecting a displacement signal of the mass body according to the input angular velocity amount;
The force balance control system using the automatic gain control loop according to claim 1, further comprising: a sensing axis driving unit that adjusts a displacement of the mass body.
入力信号を高い利得率で増幅する利得部と、
前記入力信号と同一な位相を有する矩形波信号を出力するリミッターと、
前記角速度計の共振周波数に該当する周波数を中心周波数に有する帯域通過フィルターと
を含むことを特徴とする、請求項１記載の自動利得制御ループを使用した力平衡制御システム。 The unit gain reference frequency output unit is
A gain section for amplifying the input signal with a high gain factor;
A limiter that outputs a rectangular wave signal having the same phase as the input signal;
The force balance control system using an automatic gain control loop according to claim 1, further comprising: a band pass filter having a frequency corresponding to a resonance frequency of the angular velocity meter as a center frequency.
前記微分器から出力された速度信号を半波整流する整流器と、
前記整流器から半波整流された信号を包絡線信号として出力するローパスフィルターと
をさらに備える、請求項１記載の自動利得制御ループを使用した力平衡制御システム。 A force balance control system using the automatic gain control loop,
A rectifier for half-wave rectifying the speed signal output from the differentiator;
The force balance control system using an automatic gain control loop according to claim 1, further comprising: a low-pass filter that outputs a half-wave rectified signal from the rectifier as an envelope signal.
前記ローパスフィルターから出力された包絡線信号と前記基準値入力器から生成された基準信号間の差異値に対して積分演算を遂行する積分部と、
前記差異値に対して利得値を掛ける比例利得部と、
前記積分部によって積分演算された積分値に対して利得値を掛ける積分利得部と
を含むことを特徴とする、請求項１３記載の自動利得制御ループを使用した力平衡制御システム。 The controller is
An integration unit that performs an integration operation on a difference value between an envelope signal output from the low-pass filter and a reference signal generated from the reference value input unit;
A proportional gain section for multiplying the difference value by a gain value;
The force balance control system using an automatic gain control loop according to claim 13, further comprising: an integral gain unit that multiplies the integral value obtained by the integral operation by the integral unit by a gain value.
角速度計に具備された感知軸の微細変位を検出する第１工程と、
前記検出された微細変位による変位信号を基に質量体の速度信号を生成する第２工程と、
前記速度信号と同一な位相、周波数及び単一利得を有する正弦波信号を生成して、前記角速度計が一定の振幅で振動するための制御信号を生成する第３工程と、
前記正弦波信号と前記制御信号の掛け算を行なって振幅変調信号を生成する第４工程と、
変動した質量体の変位を一定に維持するように前記振幅変調信号を前記角速度計に印加する第５工程と
を備える、自動利得制御ループを使用した力平衡制御方法。 A force balance control method using an automatic gain control loop,
A first step of detecting a fine displacement of a sensing axis provided in the angular velocity meter;
A second step of generating a velocity signal of the mass body based on the displacement signal due to the detected fine displacement;
A third step of generating a sine wave signal having the same phase, frequency and unity gain as the speed signal, and generating a control signal for the angular velocity meter to vibrate with a constant amplitude;
A fourth step of multiplying the sine wave signal and the control signal to generate an amplitude modulated signal;
And a fifth step of applying the amplitude modulation signal to the angular velocity meter so as to maintain a constant displacement of the mass body that fluctuates. A force balance control method using an automatic gain control loop.
前記速度信号の高周波包絡線信号を検出する第１過程と、
前記角速度計に印加された角速度量に関係なく一定の大きさの感知軸振動を誘導する基準信号を生成する第２過程と、
前記第１過程で検出された包絡線信号と前記基準信号を使用して、前記角速度計が一定の振幅で振動するための制御信号を生成する第３過程と
を含む、請求項１５記載の自動利得制御ループを使用した力平衡制御方法。 The step of generating the control signal of the third step is
A first step of detecting a high frequency envelope signal of the velocity signal;
A second step of generating a reference signal for inducing a sense axis vibration having a constant magnitude irrespective of the amount of angular velocity applied to the angular velocity meter;
16. A third step of generating a control signal for causing the angular velocity meter to vibrate with a constant amplitude using the envelope signal detected in the first step and the reference signal. Force balance control method using gain control loop.
前記包絡線信号と前記基準信号間の差異値に対して積分演算を行なった後、所定の利得値を掛ける積分利得過程と、
前記包絡線信号と前記基準信号間の差異値に対して所定の利得値を掛ける比例利得過程と
を含む、請求項１９記載の自動利得制御ループを使用した力平衡制御方法。 The third step is
An integral gain process of multiplying the difference value between the envelope signal and the reference signal by a predetermined gain value after performing an integral operation;
20. A force balance control method using an automatic gain control loop according to claim 19, further comprising: a proportional gain process of multiplying a difference value between the envelope signal and the reference signal by a predetermined gain value.
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