球碟转子式微陀螺驱动关键技术研究

摘要

陀螺仪是一种能够精确测量物体角运动的传感器，在航空、航天、资源勘探、武器制导等领域被广泛应用。基于微机电系统(MEMS， Micro-Electro Mechanical Systems）工艺的振动式微陀螺具有体积小、重量轻、功耗低等优点，在消费电子和战术武器等领域得到了广泛的应用。振动式微陀螺往复运动的工作原理决定了其质量块线速度较低，限制了器件性能的提高。近年来，人们希望通过研制转子式微陀螺来提高质量块的线速度，以提高器件的性能。但由于转子的旋转稳定性难以控制，其性能指标还不如振动式微陀螺。针对这一问题，我们提出了一种基于液浮支撑的球碟转子式微陀螺。该器件具有体积小、重量轻、成本低的特点，并有望实现更高的精度。由于该器件的结构与工作原理均与现有的转子式陀螺存在很大差异，现有的理论模型已无法支撑新器件的设计和优化过程。为此，本文围绕新器件的旋转驱动问题进行了理论分析和优化设计，实现了该器件的高速稳定驱动，并通过实验进行了验证。
　　本研究主要内容包括：⑴提出了球碟转子式微陀螺新结构并阐述了其工作原理。根据麦克斯韦电磁理论分析了该器件的磁场分布情况，建立了球碟转子式微陀螺的驱动模型，并在此基础上对气隙长度和定子外环宽度进行了优化设计。结合驱动模型，以麦克斯韦张量法为理论基础，得到了该陀螺驱动转矩与转子旋转位置的解析关系。建立了转子所受电磁转矩与驱动电流、转子旋转位置之间的关系，并通过实验进行了验证，为微陀螺驱动系统的设计和优化提供了理论基础。⑵提出了一种适用于球碟转子式微陀螺的高速、稳定电磁驱动方法。通过研究微陀螺稳态旋转过程中的力矩平衡关系，结合磁路分析和驱动系统结构和驱动策略的优化，解决了传统转子式微陀螺驱动力矩过小，无法克服液浮支撑结构阻力矩的问题。在此基础上，根据磁场储能原理分析了器件工作过程中的电磁转矩波动的来源，并以此为依据对机械结构和驱动策略进行了优化设计，降低了电磁转矩波动。实现了微陀螺的高速、稳定驱动。⑶提出了一种适用于球碟转子式微陀螺的低功耗驱动和快速启动方法。基于麦克斯韦电磁场理论分析了转子运转过程中产生的反电动势信号，实现了转子瞬时旋转位置的判定，并根据转子的位置动态设定启动过程的角加速度和稳态运行过程中的驱动滞后角，从而实现启动过程的自适应加速和稳态运行过程的功耗控制。有效地缩短了器件的启动时间，并降低了系统的稳态功耗。⑷对液浮支撑球碟转子式微陀螺进行了研制和性能测试，验证了驱动模型的正确性和驱动方法的有效性。测试结果表明，球碟转子式微陀螺的转速控制误差小于0.03‰；在转速为10000rpm时，经过驱动方法优化，器件的稳态功耗降低了89.86%，总功耗小于0.5W。器件的加速时间缩短了34.00%，其启动时间小于3.25s。微陀螺的灵敏度为98.3mV/(°/s)、分辨率为0.1°/s、线性度为0.85% FS、偏置稳定性为0.5°/h。若能进一步提高机械部件的加工精度和磁路的性能，该器件的性能仍有很大的提升空间。

目录

第 1章绪论

1.1课题背景

1.2国内外研究现状

1.3现有研究中存在的问题

1.4研究的目的和意义

1.5本文的主要研究内容

第2章 球碟转子式微陀螺驱动模型研究

2.1引言

2.2球碟转子式微陀螺的结构与工作原理

2.3球碟转子式微陀螺驱动模型建立与分析

2.4球碟转子式微陀螺驱动特性研究

2.5本章小结

第 3章球碟转子式微陀螺高速稳定驱动方法研究

3.1引言

3.2微陀螺旋转驱动原理分析

3.3微陀螺绕组特性分析与结构优化

3.4微陀螺驱动方式分析与优化

3.5驱动过程中的电磁转矩波动分析

3.6本章小结

第4章 球碟转子式微陀螺低功耗与快速启动方法研究

4.1引言

4.2稳态功耗来源分析

4.3球碟转子式微陀螺闭环控制方法研究

4.4球碟转子式微陀螺低功耗驱动方法

4.5球碟转子式微陀螺的快速启动方法

4.6本章小结

第5章 球碟转子式微陀螺制作与测试分析

5.1引言

5.2球碟转子式微陀螺的设计

5.3球碟转子式微陀螺的实现

5.4转子式微陀螺的测试与分析

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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