微型半球谐振陀螺检测与控制系统研究

发布时间：2020-07-11 15:30

【摘要】：微机电(MEMS)陀螺具有体积小、功耗低、成本低、可集成化等优点,可嵌入电子、信息与智能控制系统中,使得系统体积和成本大幅下降,整体性能显著提升,因此其在现代军事领域中具有广泛的应用前景。其中,微型半球谐振陀螺(μHRG)因其高对称性、高品质因数(Q)及较好的抗冲击能力等特点,获得了广泛的关注,并被认为是MEMS陀螺突破至导航级性能的关键技术之一。但目前已有的微型半球谐振陀螺在性能上仍然存在一些不足,因此对其测控技术的研究具有重大的意义。鉴于上述背景,本文对微型半球谐振陀螺的检测与控制系统进行了深入研究,设计出一种基于FPGA的双闭环测控系统,并给出了该系统的等效模型、仿真分析以及实验结果。首先,介绍微型半球谐振陀螺的工作模态和角速度检测原理,说明了刚度不对称、阻尼不对称产生的原因及其对系统造成的影响,并简单介绍了微型半球谐振陀螺的机械结构,尺寸以及工艺流程。其次,提出基于陀螺包络模型的双闭环系统分析方法。在驱动环路部分,通过推导出的包络模型,着重分析了计算驱动环路的稳定时间、过冲幅度以及过冲时间等时域参数;检测环路则基于陀螺包络模型对环路稳定性、带宽等进行了详细的分析,并完成了仿真验证。最后完成电路系统实现并进行实验验证。利用虚拟科氏力法对陀螺开闭环的幅频响应进行测试,系统工作带宽由开环时的0.128Hz扩展为3.4Hz。在±150°/s量程下,测得陀螺的标度因子为2.25mV/°/s,标度因子非线性度为0.081%。零偏稳定性和零偏不稳定性分别为62.3°/h和21.8°/h,角度随机游走为3.1°/√h。该实验结果表明,本文所设计的测控电路成功完成了微型半球谐振陀螺的功能验证,其性能参数达到了理论设计目标,为高性能微型半球谐振陀螺仪的研制提供了有力的技术支撑。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN96
【图文】：

半球谐振陀螺,环形电极,北大

各高校研究机构也纷纷投入科研力量，为我国惯性领域做出了巨大的贡献。逡逑２０１５年，东南大学提出一种将吹制玻璃工艺和化学发泡法相结合的微半球制造逡逑工艺［３１］，研制出了三维酒杯状的微半球谐振器，如图１．５所示。该谐振器表面光滑度逡逑高，且具有较好的对称性。逡逑１邋丨逦＜ｌＪ邋；■逡逑图１．５东南大学研制的微型半球谐振子逡逑中北大学于２０１６年提出了一种基于吹塑成型的微型半球谐振子的制备方法，同逡逑时为了获得较大的电极有效传导面积，并保证球壳与电极之间的间隙均匀，提出了环逡逑形玻璃电极结构［３２］，如图１．６所示。逡逑环形电篌逡逑引线kr逡逑魏霉逡逑图１．６中北大学研制的环形电极微玻璃半球谐振陀螺逡逑国防科技大学于２０１８年提出了一种基于熔融石英材料的带Ｔ型质量块的微型半逡逑球谐振陀螺［３３］。与加州大学欧文分校类似，国防科技大学采用了平面外电极技术用逡逑于陀螺的驱动与检测，见图１．７。该陀螺通过在边缘添加Ｔ型质量块，增大了传导面逡逑积，提高了陀螺的驱动和检测效率。测试结果表明，该陀螺的酒杯模态谐振频率为６．９ｋ，逡逑

半球谐振子,东南大学

模态图,半球谐振陀螺,国防科技大学,模态

【参考文献】