段承龙 李娟 胡永胜

摘  要：随着微机电惯性器件（MEMS）精度和性能的不断提高，以及惯性、组合导航算法的不断创新和改进，MEMS系统的精度和性能得到逐步的提升，获得越来越广泛的应用。文章主要研究内容为从工程实际出发，重点研究某型用于飞行控制系统的MEMS组件的高度集成化、一体化、小型化设计方法;该组件可提供数字化三轴角速率、加速度及姿态信息，优化了数字信号处理，进行数字滤波器设计，实现带宽配置，开展了MEMS组件动态特性试验，建立相应传递函数模型，试验证明组件满足高精度、高动态特性的使用需求。

关键词：MEMS;动态特性;传递函数;带宽

中图分类号：TP391 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）11-0094-03

Abstract： With the continuous improvement of the accuracy and performance of micro-electromechanical inertial devices （MEMS）， and the continuous innovation and improvement of inertial and integrated navigation algorithms， the accuracy and performance of MEMS systems have been gradually improved， and they have become more and more widely used. The main research content of this article is from the engineering reality， focusing on the highly integrated， and miniaturized design method of a certain type of MEMS component for flight control system. This component can provide digital three-axis angular rate， acceleration and attitude information. The digital signal processing was optimized， the digital filter was designed， the bandwidth was configured， the dynamic characteristics test of the MEMS component was carried out， and the corresponding transfer function model was established. The test proved that the component meets the requirements of high precision and high dynamic characteristics.

Keywords： MEMS; dynamic characteristics; transfer function; bandwidth

未来战术、战略武器对惯性导航和飞行控制的需求：启动时间短、低功耗、动态范围大、抗强冲击和振动、中高等精度、较小的体积和重量、使用维护简便、性能保证期长等[1][2][5]。提高MEMS（Micro-Electronic Mechanical System）惯性系统本身的集成度，选用在体积和成本上具有优势的MEMS仪表、采用高集成度的嵌入式计算机技术，可以实现捷聯惯性系统的小型化;充分吸取国际上组合化、一体化、模块化的先进经验，使产品更加适合于战术、战略武器的需求[2][3][6]。

用集成电路取代分立元件，模块化实现复杂的硬件与软件设计等技术，均有利于提高系统的可靠性、测试性、可维修性和精度，扩大应用，降低成本[7]。按照上述思路，采用MEMS陀螺、加表构建微机械惯性测量装置，对MEMS惯性敏感器件呈现出的系统误差进行实时深度综合补偿，并在正式型号上进行验证。

本文主要阐述如下内容：

（1）分析MEMS系统的基本特点和小型化设计的关键技术，阐述结构小型化设计技术、导航计算机小型化设计技术。

（2）为使系统满足振动、冲击、高低温（-55℃～70℃）等环境试验条件要求，开展了MEMS系统的环境适应性设计，包括严酷高低温环境中的静态测量精度、振动模态下的动态特性、振动环境中的噪声等，信号具有抗高频噪声干扰能力，即保证振荡模态下飞控系统在高更新率下具有足够的相位储备和幅值储备，保证系统不出现抖动等问题。

（3）针对飞控系统反馈控制的需求，开展动态特性试验，把组件信号作为对象进行建模，优化信号测量精度、提高实时性、减小延时系数。以满足高机动性，提高操纵特性，即“动则灵，静则稳”。

1 MEMS组件构成

MEMS组件中包括接口板、解算板、电源板和MEMS陀螺、加速度计等主要模块，长宽高为130mm*75mm*84mm，重量：0.75kg，嵌入式导航计算机（双核异步架构：DSP+FPGA）完成模拟、数字信号的处理，对外提供数字化（串行422、ARINC429）俯仰、横滚、航向三轴角速率、前向、侧向、法向三轴加速度、俯仰、横滚姿态信息，电路设计采用模块化技术，实现供电及内、外部信号交联，小型化结构设计考虑利于散热及符合机械强度要求的设计，MEMS陀螺、加表正交性安装，尺寸无干涉，便于拆装。

2 数字信号处理

2.1 DSP+FPGA架构

嵌入式导航计算机采用DSP和FPGA架构，实现信号的处理和交互，系统包含完整的自檢测、数据同步及通信、解算、程序存储等功能，综合FPGA的接口处理与DSP的运算能力，其中FPGA进行逻辑、时序、中断控制、数字信号同步及收发，多线程并发执行;DSP进行惯性导航算法、惯性器件深度补偿处理，为单线程顺序执行，外部与接收设备FCC通讯，根据实际的解算周期和处理时间确定合适的DSP中断周期、FPGA进行数字通信优化，有利于减小数字信号延时，提高数据更新率，改善动态响应和数据传输准确性。

对于飞控系统来说，角速率信号在工作频段的幅频响应需满足无较大超调、衰减慢，相频响应较小滞后。

2.2 数字信号优化

HB6096信号发送速率设置为100K，根据实际发送的信号量个数（组件可提供：12个，多自由度测量信号）和位数（如32位），确定实际发送时间，延时可以精确测量，DSP解算周期为0.35ms，包括读取、计算、写入数据的时间，外部通信周期为5ms（200Hz），DSP中断周期选为1ms或者5ms均可满足要求。

利用总线分析仪进行测试，每发送一个数占用0.3ms，共需4ms。

对低延时特性要求高的信号，以三轴角速率为例，应通过FPGA优先发送;应减小中断周期，DSP中断周期1ms为佳，减小相应数据的相位滞后，对提高系统的实时性大有裨益。

2.3 噪声特性

系统输出时域上离散的数字信号，通过运行于DSP的低通滤波器设置，使得输出信号噪声水平降低，在振动频谱下分析，信号表现出良好的稳定性，说明扫频结果，利用FFT变换计算100Hz以上能量占56.53%。

2.4 延时分析

2.4.1 时序分析法

全数字系统的通信，以429为例，异步通信回路、通信周期与信号的延时正相关，分析信号的通信路径，可以确定大致的延时，DSP与FPGA为异步通信，若为5ms DSP中断周期，则延时约为12ms，若DSP中断周期为1ms，则延时约为5ms，FPGA以高更新率完成数据的更新，大大减小了延时。

2.4.2 试验测试法

通过试验方法，能够精确的测试得出信号的延时及幅频特性，通过调整滤波器设置，满足特定场景的应用需求（即较高的实时性，较小的稳态误差）。

3 动态特性测试

3.1 测试方法

测试架构如图1。

所需设备：角振动台（0.03～60度每秒范围可调，频率范围0～200Hz）、频响仪、D/A转换设备、采集设备。

频域特性反映的是信号的动态特性，指输入量随时间变化时信号的响应特性。

频率响应试验方法：

频响仪提供扫频指令信号，指令驱动角振动台，产生变频率角速率信号1，MEMS组件响应该正谐信号2，利用信号转换板分别转换为模拟信号3、4，选用多通道动态信号采集仪或者利用频响仪同时采集信号3和4，对比两路信号，利用FFT变换，分析MEMS组件角速率的动态特性。

分别采集10°/s、20°/s激励幅值（正谐波）下各频率点（0.1、1、2、5、8、9、10、11、12、15、18、20、25、30、35）的输出。

注：角振动台的动态特性须准确已知，经过校准后可用于特定相关信号的动态特性分析。

3.2 频域校正

通过频率校正（幅值、相位补偿），能够改变对象的频率特性，改变阻尼特性，减小超调，减小相位延迟。Z域校正函数设计如下：

3.3 频域辨识

将飞行控制系统所需角速率信号作为对象进行分析，通过系统辨识，等效为相应的传递函数模型，有助于复杂控制率设计。

从组件的设计机理上看，系统存在一定时滞，无时变环节，可等效为低阶模型。

通过幅频确定传递系数，运用Pade近似时滞环节，用最小二乘法对相频数据进行处理，确定对象的传递函数模型。根据S1中非零特征值确定系统阶次为2。

结果如公式（2）：

经数据分析，组件频率响应一致性良好。

在对应的低频段（20rad/s以内），幅值无超调，在整个频段，相位线性变化，见图2。

4 测试结果

按照全温线性插值补偿的方式处理角速率信号，进行角速率精度测试，在不同的温度下，在-300°/s～300°/s范围内每隔10°/s进行一个速率点的测试，与基准信号的误差符合要求。

对比给定信号与采集信号之间的精度，经分析，在全量程内误差控制在0.03°/s以内，线性度良好。

经分析，MEMS的动态特性等效为典型二阶过阻尼环节，阻尼比大于1，有良好的阻尼特性：

（1）幅频特性自然衰减，滤波器配置不同，带宽不同，在20hz内衰减慢。

（2）相频特性与延时相关，为了获得较小时延的系统，可以设计最优数字系统（较小中断周期，总线数据及时更新），优化异步信号通信，20Hz内相位滞后（下降90°为准）满足控制系统的需求。

5 结论

高度集成化、一体化、小型化技术实现的MEMS组件应用于飞行控制系统，提供角速率信号和其他惯性信息，满足高精度、高动态特性的需求;进行数字滤波器设计，根据使用需求进行幅频和相频的设定和优化，实现了频率校正;提出了数字信号优化方法减小时延，本文中所采用的动态特性测试方法可以高效建立对象传递函数模型，确定传感器的幅值和相位特性。

参考文献：

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[2]Jansson M， Wahlberg B. A linear regression approach to state-space subspace system identification[J].Signal Processing，199

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[3]Iqbal U， Georgy J， Abdelfatah W F， etal. Pseudo-ranges error correction in partial GPS outages for a nonlinear tightly coupled integrated system[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems，2013，14（3）：1510-1525.

[4]黄金鑫，刘樾.惯性器件动态测试技术探讨[J].测控技术，

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[5]李光春，苏沛东，严平.基于双轴旋转框架捷联惯性组件快速标定方法研究[J].测控技术，2015，34（8）：56-62.

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