球碟转子式微陀螺敏感特性研究

发布时间：2017-12-19 16:07

  本文关键词：球碟转子式微陀螺敏感特性研究　出处：《哈尔滨工业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：陀螺仪是惯性导航等领域中不可或缺的重要元件,广泛应用于武器、船只、飞行器等系统。基于微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)的哥氏效应振动陀螺体积小、价格低,在消费级产品以及战术级武器系统中得到了广泛应用,但是由于振动工作方式导致的质量块线速度难以提高等因素的限制,其性能难以进一步提升。而可以获得更高转子线速度的现有转子式微陀螺由于存在较大的相对加工误差以及难以保证转子旋转稳定性等问题,其性能尚不如MEMS振动陀螺。为提高微陀螺性能,我们提出了一种球碟转子式微陀螺,该陀螺具有体积小、成本低、结构简单等优点,并具有高精度潜力。该陀螺在结构和工作原理上与现有转子式陀螺具有明显的差异,现有理论模型不适用于对该陀螺的分析与优化。为此本文围绕该陀螺的敏感结构进行了相关的建模、分析与优化等理论研究,并在此基础上研制了陀螺原理样机。本文提出了球碟转子式微陀螺新结构并研究了其工作原理,陀螺的球碟转子结构、永磁转子直接驱动以及液浮支撑等特点使其在结构和工作原理上都与现有陀螺明显不同。根据陀螺结构的对称性特点,采用差分电容结构来实现转子偏转角度的检测。建立了差分检测电容与转子偏转角度以及结构尺寸参数之间的数学模型,并在此基础上研究了陀螺敏感结构的静态敏感特性与结构参数的关系,实现了陀螺敏感结构尺寸参数的优化设计。建立了球碟转子式微陀螺动力学模型并研究了其动态特性与动态响应,确定了转子偏转角运动与输入角速度之间的关系以及结构灵敏度等指标与结构参数之间的关系。研究发现由于转子受到来自驱动结构的磁力等效的弹性约束,使得陀螺具有自平衡效应,可以在开环状态下工作。对这种磁力等效弹性效应的原理与特性进行了深入研究,并通过有限元仿真方法获取了系统弹性系数的近似值。在此基础上研究了磁弹性系数与陀螺结构尺寸参数之间的关系,并提出了调节阻尼系数的方法,最终实现了陀螺由显著欠阻尼到临界阻尼状态的精细调节,有效的改善了陀螺系统的动态特性。由于机械误差是影响陀螺精度的重要因素,本文研究了球碟转子式微陀螺噪声与主要机械误差之间的关系,得到了机械误差对陀螺噪声的影响规律。机械误差不仅使系统产生了驱动同频率噪声和章动频率噪声,而且破坏了差分检测结构的匹配性,增大了系统随机噪声。研究发现,转子碟同心度误差、转子球与碟的装配误差、转子充磁方向误差对于陀螺噪声影响最大,需要进行严格控制和修调。其中转子碟同心度误差严重影响转子旋转的稳定性,需要对转子进行平衡调节,然而球碟转子尺寸小且没有定轴结构,无法利用现有的常规平衡调节设备进行平衡调节,为此本文提出了通过显微镜测量和标记转子的同心度误差并进行定量磨削的转子平衡调节新方法,实验结果表明该方法可以显著提高陀螺转子的转动稳定性以及器件性能。根据上述研究结果,设计并研制了陀螺原理样机,对其进行的动态响应测试结果验证了陀螺动力学模型的正确性。运用陀螺敏感特性研究成果,对陀螺结构参数进行了优化设计。对优化前后陀螺样品的稳态测试表明:结构参数优化后敏感结构灵敏度提升至原有的21倍,而非线性则由原有的5.4%降低至0.85%,该结果验证了陀螺静态特性研究的正确性。结构优化后陀螺的实测分辨率由原有的0.17o/s改善为0.1o/s,偏置稳定性也由优化前的近50°/h改善为约0.5°/h,且通过提高加工精度和工作转速以及实现闭环检测等方法陀螺性能将有更大的提升空间。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN96

【参考文献】

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本文编号：1308555