Như đã phân tích trong mục 3.5.1 thiết kế ràng buộc hai góc trên và góc dưới (góc A và B) chỉ dao động theo trục Y nhờ các chốt cố định của hệ dầm treo hình quả trám. Hai góc còn lại C và D được kết nối với hai khung kích thích.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến đề xuất này như sau: Khi đưa tín hiệu kích thích có cùng biên độ và ngược pha nhau vào hệ tụ răng lược kích thích của hai cảm biến hai bên sẽ làm cho hai khung kích thích dao động cùng biên độ và ngược pha nhau. Đồng thời, khi bị quay với vận tốc góc ω nào đó sẽ xuất hiện dao động theo phương cảm ứng của hai khung cảm ứng nằm trong hai cảm biến đo vận tốc góc hai bên nhưng cũng ngược pha nhau. Nhờ hệ dầm treo này mà dao động của hai khung kích thích luôn được bù cho nhau. Cụ thể, nếu xuất hiện hai tín hiệu kích thích có cùng biên độ nhưng không hoàn toàn lệch pha nhau 180o, hệ dầm treo này vẫn cho phép hai khung kích thích dao động với cùng biên độ và lệch pha nhau 1800 như bình thường. Điều này giống với nguyên lý hoạt động của mạch khuếch đại vi sai điện tử có nguồn dòng không đổi như đã được trình bày trong mục 3.1.2 “Trường hợp ở đầu vào nhận tín hiệu vi sai sẽ điều khiển hai Transistor hoạt động ngược
giảm nhờ nguồn dòng không đổi I. Như vậy, nguồn dòng không có tác dụng hồi tiếp âm đối với tín hiệu vi sai và như thế độ lợi của mạch khuếch đại vi sai không đổi và vẫn được tính bằng công thức: A = ΔVo/ΔVi = constant”. Ngoài ra, các thành phần dao động đồng pha bị loại bỏ hoàn toàn và dao động ngược pha được khuếch đại. Trong trường hợp đặc biệt, tín hiệu kích thích chỉ đặt vào khung kích thích của cảm biến bên trái hoặc bên phải thì nhờ hệ dầm treo và tính chất đối xứng của toàn cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc kiểu Tuning Fork đề xuất vẫn hoạt động bình thường. Tuy nhiên, trong tình huống này thì biên độ dao động của hai khung kích thích sẽ nhỏ hơn so với trường hợp kích thích cả hai bên.
Trong thiết kế mới này độ cứng của toàn bộ hệ dầm treo/ lò xo của cấu trúc theo phương kích thích/trục X là KdTFG = 1700 N/m. Kích thước tổng thể của toàn cấu trúc là 4000 µm × 1900 µm với độ dày là 30 µm. Vật liệu sử dụng trong thiết kế và mô phỏng là Polysilicon và không khí. Trong đó các cảm biến và dầm treo làm bằng Polysilicon, môi trường xung quanh và khoảng trống còn lại là không khí.
Như đã đề cập trong mục 3.1.2, TFG đề xuất nâng cao độ nhạy và loại bỏ đáng kể nhiễu đồng pha theo cả hai phương dao động kích thích và cảm ứng. Vì vậy, để chỉ ra sự tương đồng giữa mạch khuếch đại vi sai điện tử có nguồn dòng không đổi và cấu trúc TFG đề xuất cần cho thấy 2 cảm biến đo vận tốc góc hai bên của TFG đề xuất tương đương với 2 mạch khuếch đại Emitter chung BJT và hệ lò xo liên kết hình quả trám tương đương với nguồn dòng không đổi trong mạch khuếch đại vi sai điện tử. Sự tương đồng được thể hiện ở nhiều khía cạnh và kết quả khác nhau. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này chỉ dừng lại ở việc: 1) chứng minh hệ lò xo liên kết hình quả trám có thể bù được độ lệch pha của hai tín hiệu kích thích đầu vào. Nghĩa là khi hai tín hiệu kích thích đặt vào hai khung kích thích của hai cảm biến đo vận tốc góc hai bên lệch pha nhau đến một giá trị cụ thể nào đó thì dao động cơ học của hai cảm biến đo vận tốc góc vẫn đồng pha và cùng biên độ (vẫn đảm bảo như lúc hai tín hiệu kích thích không lệch pha nhau 2) chứng minh cấu trúc đề xuất có khả năng giảm đáng kể nhiễu/tín hiệu đồng pha tác động vào hai khung dao động.
3.6. Kết quả và thảo luận
Trước khi chứng minh TFG đề xuất có khả năng bù lệch pha cho hai tín hiệu kích thích đầu vào, ba cấu trúc TFG đã được tạo nên với sự khác nhau về độ cứng của hệ lò xo treo hình quả trám. Mục đích của việc tạo ra ba cấu trúc đó là để tìm ra giá trị lệch pha cụ thể của hai tín hiệu kích thích mà cấu trúc có thể bù được.
Để thu được độ dịch chuyển biên độ lớn nhất khi dao động của các khung kích thích và khung cảm ứng của hai cảm biến đo vận tốc góc thì cần tìm được tần số phù hợp nhất để đưa vào phương trình tín hiệu kích thích. Tần số này chính là tần số dao động riêng theo phương kích thích của từng cấu trúc TFG và được xác định thông qua phương pháp phân tích phần tử hữu hạn trong Comsol Multiphysics 4.4 đã được trình bày trong mục 3.2.
Một số kết quả phân tích phần tử hữu hạn của cảm biến đo vận tốc góc được chỉ ra trong Hình 3. 16 và một số tần số dao động riêng của nó được liệt kê trong Bảng 3. 2. Để tránh gây hiểu nhầm ý nghĩa của đại lượng, tác giả luận án xin lưu ý dấu “.” biểu thị trong các hình vẽ từ Hình 3. 16 đến Hình 3. 19 được hiểu là dấu phẩy thập phân “,” vì đây là phần mềm quốc tế. Ví dụ tần số dao động riêng Eigenfrequency = 13544.7 (Hz) được hiểu là 13544,7 (Hz) hoặc 13,5447 (Khz).
(a)
(c)
(d)
Hình 3. 16 Một số mode dao động của cảm biến đo vận tốc góc: Mode kích thích (a); các mode khác (b-d)
Trong mô phỏng này xây dựng 3 cấu trúc TFG khác nhau ở độ cứng của dầm treo. Cụ thể là khác nhau về độ cao của dầm R6 trong hệ dầm treo hình quả trám (Hình 3. 14). Độ cao của R6 lần lượt là 6µm, 4µm, 12µm tương ứng với cấu trúc TFG 1, 2 và 3. Ngoài ra, các thông số còn lại của cả 3 TFG giống nhau.
Một số kết quả phân tích phần tử hữu hạn của ba cấu trúc lần lượt được trình bày trong các Hình 3. 17 đến Hình 3. 19. Các mode dao động tổng hợp được từ các kết quả phân tích của 3 TFG được liệt kê trong Bảng 3. 4.
(b)
(d)
Hình 3. 17 Một số mode dao động của cấu trúc TFG 1: Mode kích thích (a); các mode khác (b-d)
(b)
(d)
Hình 3. 18 Một số mode dao động của cấu trúc TFG 2: Mode kích thích (a); các mode khác (b-d)
(b)
(d)
Hình 3. 19 Một số mode dao động của cấu trúc TFG 3: Mode kích thích (a); các mode khác (b-d)
Bảng 3. 4 Kết quả phân tích tần số dao động riêng liên quan đến phương kích thích của 3 cấu trúc Mode dao động Tần số (Hz) Cấu trúc 1 (HR6 = 6µm) Cấu trúc 2 (HR6 = 4µm) Cấu trúc 3 (HR6 = 12µm) 1 - Dao động kích thích 21397,9 21184,7 21751,2 2 - Dao động không mong muốn 44446,8 44227,6 44801,3 3 - Dao động không mong muốn 63436,5 63427,9 63447,1 4 - Dao động không mong muốn 65032,2 65020,9 65049,6
Trong 4 tần số dao động riêng tương ứng với 4 mode dao động của từng cấu trúc trong Bảng 3. 4 chỉ có tần số dao động riêng thứ nhất (dao động kích thích) là tần số mong muốn. Nó được sử dụng để đưa vào tín hiệu kích thích nhằm thu được biên độ dịch chuyển lớn nhất của hai khung kích thích. Tần số này còn gọi là tần số
cộng hưởng theo phương kích thích. Hình 3. 20 chỉ ra tần số cộng hưởng của của cấu trúc 1 (21397,9 Hz) biểu diễn dưới dạng chuẩn hóa.
Hình 3. 20 Tần số cộng hưởng theo phương kích thích của cấu trúc 1
Trong suốt quá trình mô phỏng, các cấu trúc đều sử dụng chung một kiểu chia lưới: “Physics-controlled mesh” với kích thước phần tử: “Extremely coarse”. Các cấu trúc được thiết kế bằng vật liệu Polysilicon và được nhúng trong không khí.
Hai tín hiệu kích thích đặt vào hai hệ tụ răng lược kích thích của hai cảm biến đo vận tốc góc hai bên của TFG đề xuất có công thức:
N (3.27) N (3.28) Trong đó: Tín hiệu f1 được đặt vào 8 khung răng lược kích thích của cảm biến đo vận tốc góc bên trái và tín hiệu f2 được đặt vào 8 khung răng lược kích thích của cảm biến đo vận tốc góc bên phải hoặc ngược lại.
Quá trình thực hiện mô phỏng kết quả được thực hiện một cách độc lập với từng cấu trúc. Do vậy, lần thực hiện mô phỏng của cấu trúc nào thì tần số f trong hai công thức (3.27) và (3.28) được thay thế bởi tần số cộng hưởng theo hướng kích thích của cấu trúc đó (xem trong Bảng 3. 4). Ví dụ, khi mô phỏng cấu trúc 3 thì tần số f trong hai công thức (3.27) và (3.28) là 21751,2 Hz. Theo nguyên lý hoạt động
thông thường của TFG thì hai tín hiệu kích thích f1 và f2 luôn ngược pha nhau. Nếu gọi φ là độ lệch pha giữa hai tín hiệu kích thích thì theo nguyên lý chung của TFG φ
= 180o.
Tuy nhiên, trong nghiên cứu này tín hiệu kích thích f1 được giữ nguyên và f2
được thay đổi bởi các giá trị khác nhau của φ trong mỗi lần tính toán và mô phỏng một cấu trúc cụ thể. Ví dụ: φ = 180o, 179,5o, 179o, 178,5o, 178o, 177,5o vv.
Mục đích của việc thay đổi độ lệch φ của hai tín hiệu kích thích là để quan sát độ lệch pha rung cơ học của hai khung kích thích nhằm đánh giá được khả năng bù lệch pha của các cấu trúc TFG đề xuất khi có độ lệch pha giữa hai tín hiệu kích thích.
Với các tham số và lựa chọn như trên, nghiên cứu thu được một số kết quả như sau:
Hình 3. 21 chỉ ra biên dạng dịch chuyển của cấu trúc TFG 1 tại thời điểm t = 5e-4 s (Hình 3. 21a) và t = 5,12e-4 s (Hình 3. 21b) thông qua mô phỏng bằng phần mềm Comsol Multiphysics. Kết quả từ các hình vẽ này chỉ ra rằng các rung động cơ học của hai khung kích thích được khớp nối rất tốt. Đồng thời sự chuyển dịch năng lượng và biến dạng cơ học cũng rất phù hợp với thực tế.
(b)
Hình 3. 21Biên dạng dịch chuyển của TFG 1 tại hai thời điểm khác nhau
Bảng 3. 5 chỉ ra mối quan hệ giữa độ lệch pha của hai tín hiệu kích thích φ và độ lệch pha rung cơ học của hai khung kích thích φ1 trong các lần mô phỏng của 3 cấu trúc TFG đề xuất. Những kết quả này được vẽ trong Hình 3. 22.
Bảng 3. 5 Mối quan hệ giữa φ và φ1 (độ)
φ 1
φ Cấu trúc 1 (TFG 1) Cấu trúc 2 (TFG 2) Cấu trúc 3 (TFG 3)
180°/0° 0 0 0 179,5°/0,5° 0 0 0 179°/1° 0 0 0 178,5°/1,5° 0 0 0 178°/2° 0 0 0 177,5°/2,5° 0 0 0 177°/3° 0 3,5 0 176,5°/3,5° 0 7,0 0 176°/4° 3,9 15 0 175,5°/4,5° 18,2 x 15,6
Hình 3. 22 Mối quan hệ giữa độ lệch pha rung cơ học của hai khung kích thích và độ lệch pha điện của hai tín hiệu kích thích
Các kết quả trong Bảng 3. 5 và Hình 3. 22 chỉ ra rằng rung động cơ học của hai khung kích thích được khớp nối rất tốt khi độ lệch pha của hai tín hiệu kích thích lần lượt 3,5o, 2,5o và 4o tương ứng với cấu trúc 1, 2 và 3. Các rung động cơ học của hai khung kích thích sẽ không được bù khi độ lệch pha của hai tín hiệu kích thích lần lượt lớn hơn 3,5o, 2,5o và 4o tương ứng với cấu trúc 1, 2 và 3. Bù lệch pha ở đây được hiểu là khi hai tín hiệu kích thích có sự lệch pha nhất định thì nó vẫn làm cho hai khung kích thích dao động với cùng một mức biên độ và lệch pha nhau 180o. Vì vậy, khi không bù lệch pha sẽ dẫn đến chuyển động của hai khung kích thích không cùng biên độ hoặc không lệch pha đúng bằng 180o
hoặc cả hai.
Dựa vào 3 kết quả trên, ta có thể thấy rằng cấu trúc TFG 3 là cấu trúc có khả năng bù lệch pha cho hai tín hiệu kích thích là lớn nhất (lên tới 4o). Tuy nhiên, đổi lại tần số dao động riêng cũng lớn hơn và biên độ dịch chuyển của các khung dao động cũng nhỏ hơn.
Hình 3. 23 chỉ ra biên độ dịch chuyển và hình dạng tín hiệu của khung kích thích trong cảm biến đo vận tốc góc bên trái. Khung kích thích trong cảm biến đo
vận tốc góc bên phải có cùng biên độ dịch chuyển nhưng ngược pha 180o (không được chỉ ra ở đây). Kết quả mô phỏng này và các kết quả tiếp theo về mối liên hệ giữa vận tốc góc ω và độ dịch chuyển của khung cảm ứng thu được thông qua việc sử dụng cấu trúc TFG 1. Nhìn vào Hình 3. 23 có thể thấy rằng trong khoảng thời gian 2,8 × 10-3 s, biên độ dao động của khung kích thích tăng dần từ 0 đến 1,9 µm (từ 0 đến 0,9 × 10-3 s). Sau đó, biên độ ổn định xung quanh giá trị 1,9 µm (từ 1,7 µm đến 2,1 µm). Nguyên nhân của việc biên độ chưa thực sự ổn định là do sự chưa hoàn hảo của cấu trúc trong thiết kế.
Hình 3. 23 Độ dịch chuyển của khung kích thích trong TFG đề xuất
Để xác định được biên độ dịch chuyển của khung cảm ứng (còn gọi là khối gia trọng cảm ứng), trong nghiên cứu này vận tốc góc ω lần lượt được thay đổi bằng dạng tín hiệu hình sin (Hình 3. 24a); tín hiệu hình tam giác (Hình 3. 25a) và tín hiệu hình thang (Hình 3. 26a) trong khi tín hiệu kích thích không thay đổi như được chỉ ra trong công thức (3.27) và (3.28). Biên độ dao động/dịch chuyển của khung cảm ứng tương ứng với các tín hiệu ω ở trên lần lượt được chỉ ra trong các Hình 3. 24b, Hình 3. 25b, Hình 3. 26b.
(a)
(b)
Hình 3. 24 Độ dịch chuyển cơ học của khung cảm ứng (b) khi có vận tốc góc hình sin (a)
(a)
(b)
Hình 3. 25 Độ dịch chuyển cơ học của khung cảm ứng (b) khi có vận tốc góc hình tam giác (a)
(a)
(b)
Hình 3. 26 Độ dịch chuyển cơ học của khung cảm ứng (b) khi có vận tốc góc hình thang (a)
Dựa vào các kết quả trong các hình từ Hình 3. 23 đến Hình 3. 26, ta thấy rằng cấu trúc TFG đề xuất có đáp ứng đầu ra khá nhạy cụ thể là biên độ dao động của khung kích thích và khung cảm ứng khá cao và ổn định.
Các kết quả thể hiện mối quan hệ giữa độ lệch pha rung cơ học của hai khung kích thích và độ lệch pha điện của hai tín hiệu kích thích và tín hiệu lối ra của cảm biến cho thấy cấu trúc cảm biến đã loại bớt được các thành phần tín hiệu đồng pha. Tuy vậy, để định lượng được thông số nhiễu đồng pha CMRR thì nghiên cứu sinh cần phải có nhiều khảo sát thêm. Trong khuôn khổ của luận án này, nghiên cứu sinh giới hạn nghiên cứu và khảo sát đại lượng CMRR ở kết quả mô phỏng như trình bày ở trên. Trong thời gian tới, nếu có điều kiện, nghiên cứu sinh và nhóm nghiên cứu sẽ thiết lập các hệ đo để khảo sát bằng thực nghiệm thông số CMRR con quay đề xuất.
3.7. Kết luận
Trong chương này tác giả của luận án đã đưa ra các cơ sở lý thuyết và đi đến thiết kế, mô phỏng một cảm biến đo vận tốc góc kiểu vi sai. Thiết kế có các hệ tụ răng lược dùng để kích thích bằng tín hiệu điện. Thiết kế đã thể hiện được tính ưu việt của hệ lò xo liên kết hình quả trám giữa hai cảm biến. Kết quả mô phỏng đã chứng minh TFG đề xuất ngoài khả năng loại bỏ đáng kể tín hiệu/nhiễu đồng pha, còn có khả năng bù lệch pha cho hai tín hiệu kích thích đầu vào khi giá trị lệch pha lần lượt 3,5o, 2,5o, 4o tương ứng với cấu trúc TFG 1, 2 và 3.
Kết quả nghiên cứu có liên quan đến các nội dung trong chương này của luận án đã được công bố trong 02 công trình thứ (6) và (7) trong danh mục các công trình nghiên cứu khoa học.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Với đề tài: “Thiết kế và xây dựng hệ thống dẫn đường tích hợp INS/GPS trên cơ sở linh kiện vi cơ điện tử dùng cho các phương tiện giao thông đường bộ” nghiên cứu sinh đã xây dựng hệ dẫn đường mong muốn bằng cách sử dụng một hệ tích hợp INS/GPS thương mại sẵn có và cải tiến nó. Việc cải tiến được thực hiện bằng hai