磁力自平衡效应转子式微陀螺设计及检测方法研究

发布时间：2020-10-25 20:32

　　 陀螺是一种用于角速度测量的惯性传感器。从运载体(如飞机、潜艇、导弹等)的惯性系统到消费电子(如游戏手柄、手机等)中的角速度测量模块都是以陀螺为核心元件。根据敏感机理,机械陀螺分为振动陀螺和转子式陀螺。微机电系统(Micro-electro-mechanical systems,MEMS)振动陀螺以价格低、体积小、能耗低等优点在精度要求不高的消费电子产品中得到大量应用。然而,MEMS振动陀螺中不可避免的驱动和感应方向的机械串扰限制陀螺性能的进一步提高,大部分MEMS振动陀螺的偏置稳定性远大于10°/h。基于进动效应的转子式陀螺主要包括大型液浮陀螺和MEMS悬浮陀螺(磁悬浮陀螺、静电悬浮陀螺)。从机理上讲,由于转子式陀螺转子的驱动转速一般较高,转子的转动惯量较大,其检测精度应该好于振动陀螺。大型液浮陀螺精度高但一般价格昂贵,应用于军事产品中的较多;MEMS悬浮陀螺由于存在悬浮结构,工艺复杂,不易于小型化,其应用没有得到普及。而且就MEMS悬浮陀螺的研究现状来看,悬浮结构的稳定性限制了陀螺精度的提高,并未有优于MEMS振动陀螺的偏置稳定性表现。为了解决传统MEMS悬浮转子式微陀螺悬浮稳定性差的问题,提高转子式微陀螺的精度,哈尔滨工业大学牵头承担了973计划“微纳惯性器件运动界面纳米效应基础问题研究”。在该计划的支持下,提出了一种有水膜轴承支撑的球碟形转子的转子式微陀螺(以下简称球碟转子式微陀螺)。在与MEMS陀螺相比增加体积(边长24 mm,厚度4.8 mm)的前提下,解决了传统转子式微陀螺转子悬浮稳定性差的问题。经实验测试及第三方(清华大学)认证,其偏置稳定性达到0.5°/h,精度在国内处于领先水平。该陀螺样机的研制是973计划的重要组成部分。设计了基于低阻尼水膜轴承的陀螺驱动系统。该系统采用12极无刷直流电机结构,通过模态分析确定了陀螺的最高驱动转速,通过驱动转矩关于磁势和驱动角的解析表达式推导得出稳定驱动的条件。设计了基于反电动势检测的闭环驱动系统及该系统下的低功耗快速驱动方案,使陀螺在额定驱动功率的前提下获得更高的驱动转速以表现出更好的陀螺性能。为了使转子获得稳定且低阻尼的支撑,在提高陀螺性能的同时尽量减小支撑对转子的摩擦力矩带来的驱动功耗,在转子球上制作了超疏水表面,并应用了水膜轴承。提出了一种在不锈钢转子球上制作超疏水表面的方法,制作的超疏水表面接触角达到167°,表现出良好的超疏水特性。实验表明在应用水膜轴承的前提下,超疏水表面的制作使得在额定驱动电流下,驱动转速提高11%,陀螺效应随之增加。在确定驱动结构的前提下,设计了球碟转子式微陀螺的整体机械结构。研究了该陀螺基于磁力自平衡效应的敏感机理,以该效应产生的磁力矩平衡科里奥利力矩,避免了传统电磁反馈系统可能带来的控制不稳定及反馈系统与驱动系统的相互磁干扰。建立了以磁力自平衡系数为弹性系数的陀螺动力学方程,并进一步研究了该陀螺的阶跃响应及冲击响应规律,对进动角检测系统的设计有指导意义。基于该陀螺采用的无刷直流电机转子径向电极驱动结构,文中分析了驱动磁场对进动转子的力矩作用,即驱动系统对陀螺敏感机理的影响。提出了基于差分电容的陀螺转子进动角检测方法。通过理论分析和建模仿真研究转子进动产生的差分电容与电极板尺寸参数、电极板与转子间距的关系,并以此为指导设计了差分电容结构。针对差分电容检测存在的非线性问题,提出了基于多支持向量回归机的非线性校正算法,并通过基于有序加权平均算子的数据融合减小非线性校正中分段拟合的分段区间之间过渡区域的拟合误差。设计了检测系统,分析了系统噪声源并提出了相应的减噪措施。通过实验测试了陀螺性能,其测量偏差的均值和标准差分别是-0.0055°/s、0.0295°/s,分辨率高于0.1°/s,偏置稳定性达到0.5°/h。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP212
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 课题来源及研究目的和意义
    1.2 陀螺研究现状及分析
        1.2.1 机械陀螺的发展
        1.2.2 微机械陀螺研究现状
    1.3 液态轴承研究现状
    1.4 论文的研究内容和组织结构
第2章 双自由度陀螺特性研究及基于艾伦方差的误差分析
    2.1 引言
    2.2 刚体定点转动力学相关知识
        2.2.1 坐标系及转动力学重要概念
        2.2.2 刚体定点转动的欧拉动力学方程
    2.3 双自由度陀螺的基本特性
    2.4 双自由度陀螺的动力学特性
        2.4.1 惯性参考系下的动力学方程
        2.4.2 动参考系下的动力学方程
    2.5 基于艾伦方差的误差分析
    2.6 本章小结
第3章 基于低阻尼水膜轴承的陀螺驱动方案研究
    3.1 引言
    3.2 驱动模型及模态分析
        3.2.1 驱动模型
        3.2.2 模态分析
    3.3 驱动线圈产生的磁势及转矩
    3.4 驱动电路设计
    3.5 利用反电动势信号的闭环驱动
        3.5.1 反电动势信号的测量
        3.5.2 转子的低功耗驱动
    3.6 基于转子球超疏水表面制备的水膜轴承设计
        3.6.1 超疏水减阻理论
        3.6.2 转子球上超疏水表面的制备
        3.6.3 水膜轴承的力学作用
    3.7 驱动性能评价
    3.8 本章小结
第4章 基于磁力自平衡效应的陀螺敏感机理研究
    4.1 引言
    4.2 球碟转子式微陀螺的结构
        4.2.1 陀螺的机械结构
        4.2.2 陀螺关键部件的加工及整体装配
    4.3 基于双自由度陀螺动力学模型的陀螺响应规律研究
        4.3.1 双自由度陀螺在典型力矩作用下的响应规律
        4.3.2 阻尼及弹性力矩对双自由度陀螺响应规律的影响
    4.4 磁力自平衡效应研究
        4.4.1 磁路相关知识
        4.4.2 陀螺转子的磁回复力矩特性研究
    4.5 陀螺敏感机理研究
    4.6 驱动力矩对进动转子的作用
    4.7 本章小结
第5章 基于差分电容的进动角检测系统设计
    5.1 引言
    5.2 利用差分电容的进动角检测
    5.3 基于支持向量回归的非线性校正
    5.4 检测电路设计及系统误差分析
        5.4.1 检测电路设计
        5.4.2 机械误差噪声分析
        5.4.3 检测电路噪声分析
    5.5 陀螺系统参数辨识
    5.6 陀螺性能测试
    5.7 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的学术论文及其它成果
致谢
个人简历

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 周伟;包建东;丁良华;;传感器标定的非线性校正研究[J];测试技术学报;2013年04期

2 杜昌雷;张怀武;张晓涛;钟智勇;;一种新型薄片转子磁悬浮陀螺的结构设计与分析[J];磁性材料及器件;2010年02期

本文编号：2855921