摘要
모드 주파수 불일치 상태에서 힘 평형(FTR) 모드 마이크로전기기계 자이로스코프의 측정 대역폭 제한 및 전통적인 비례 적분(PI) 제어가 안정 여유와 대역폭 향상을 동시에 달성하기 어려운 문제를 해결하기 위해 대역폭 메커니즘 분석 및 성능 개선 연구를 수행하였다. 먼저 FTR 속도 측정 대역폭 특성을 나타내는 등가 단위 음성 피드백 주파수 영역 모델을 구축하여 제어기 설계 및 매개변수 조정을 수행하였다. 이를 기반으로 PI 제어 하 개방 루프 차단 주파수 상승 제한 및 이로 인해 발생하는 안정 여유 저하의 내재적 메커니즘을 밝혀냈다. 나아가 비례 적분 공진(PIR) 제어기를 도입하여 모드 주파수 차 근처에서 진폭 및 위상 성형을 통해 공진 피크를 억제하고 개방 루프 차단 주파수를 향상시켰다. 최종적으로 4질량 블록 MEMS 자이로스코프 원리 시제품과 각진동대 플랫폼에서 실험 검증을 수행하였다. 시뮬레이션 및 실험 결과, PIR 제어기 도입 후 힘 평형 제어 루프의 이득 여유는 6.03 dB, 위상 여유는 59.5°, 개방 루프 차단 주파수는 25.1 Hz로 측정 대역폭이 125 Hz까지 향상되었음을 나타냈다. 이는 PI 제어 하 약 35 Hz 대역폭 대비 약 3.5배 향상된 것이며, 대역 내 진폭 주파수 응답이 더 평탄해지고 동적 응답 능력이 크게 강화되었다. 척도 계수 및 영점 오프셋 지표는 기본적으로 일치하였다. PIR 제어기는 모드 주파수 차 근처에서 공진 성형을 도입하여 PI 제어의 대역폭 병목 현상을 효과적으로 돌파하고, 합리적 안정 여유와 정적 성능을 유지하면서 FTR 측정 대역폭을 크게 확장하여 광대역 동적 측정 및 복잡한 작업 환경에 대한 공학적 참고를 제공한다.
关键词
마이크로전기기계 자이로스코프; 힘 평형 모드; 비례 적분 공진 제어기; 대역폭 확장; 진폭 주파수 특성
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