陀螺是一種用于角速度測量的慣性傳感器。從運載體(如飛機、潛艇、導彈等)的慣性系統(tǒng)到消費電子(如游戲手柄、手機等)中的角速度測量模塊都是以陀螺為核心元件。根據(jù)敏感機理,機械陀螺分為振動陀螺和轉子式陀螺。微機電系統(tǒng)(Micro-electro-mechanical systems,MEMS)振動陀螺以價格低、體積小、能耗低等優(yōu)點在精度要求不高的消費電子產(chǎn)品中得到大量應用。然而,MEMS振動陀螺中不可避免的驅動和感應方向的機械串擾限制陀螺性能的進一步提高,大部分MEMS振動陀螺的偏置穩(wěn)定性遠大于10°/h�；谶M動效應的轉子式陀螺主要包括大型液浮陀螺和MEMS懸浮陀螺(磁懸浮陀螺、靜電懸浮陀螺)。從機理上講,由于轉子式陀螺轉子的驅動轉速一般較高,轉子的轉動慣量較大,其檢測精度應該好于振動陀螺。大型液浮陀螺精度高但一般價格昂貴,應用于軍事產(chǎn)品中的較多;MEMS懸浮陀螺由于存在懸浮結構,工藝復雜,不易于小型化,其應用沒有得到普及。而且就MEMS懸浮陀螺的研究現(xiàn)狀來看,懸浮結構的穩(wěn)定性限制了陀螺精度的提高,并未有優(yōu)于MEMS振動陀螺的偏置穩(wěn)定性表現(xiàn)。為了解決傳統(tǒng)MEMS懸浮轉子式微陀螺懸浮穩(wěn)定性差的問題,提高轉子式微陀螺的精度,哈爾濱工業(yè)大學牽頭承擔了973計劃“微納慣性器件運動界面納米效應基礎問題研究”。在該計劃的支持下,提出了一種有水膜軸承支撐的球碟形轉子的轉子式微陀螺(以下簡稱球碟轉子式微陀螺)。在與MEMS陀螺相比增加體積(邊長24 mm,厚度4.8 mm)的前提下,解決了傳統(tǒng)轉子式微陀螺轉子懸浮穩(wěn)定性差的問題。經(jīng)實驗測試及第三方(清華大學)認證,其偏置穩(wěn)定性達到0.5°/h,精度在國內(nèi)處于領先水平。該陀螺樣機的研制是973計劃的重要組成部分。設計了基于低阻尼水膜軸承的陀螺驅動系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用12極無刷直流電機結構,通過模態(tài)分析確定了陀螺的最高驅動轉速,通過驅動轉矩關于磁勢和驅動角的解析表達式推導得出穩(wěn)定驅動的條件。設計了基于反電動勢檢測的閉環(huán)驅動系統(tǒng)及該系統(tǒng)下的低功耗快速驅動方案,使陀螺在額定驅動功率的前提下獲得更高的驅動轉速以表現(xiàn)出更好的陀螺性能。為了使轉子獲得穩(wěn)定且低阻尼的支撐,在提高陀螺性能的同時盡量減小支撐對轉子的摩擦力矩帶來的驅動功耗,在轉子球上制作了超疏水表面,并應用了水膜軸承。提出了一種在不銹鋼轉子球上制作超疏水表面的方法,制作的超疏水表面接觸角達到167°,表現(xiàn)出良好的超疏水特性。實驗表明在應用水膜軸承的前提下,超疏水表面的制作使得在額定驅動電流下,驅動轉速提高11%,陀螺效應隨之增加。在確定驅動結構的前提下,設計了球碟轉子式微陀螺的整體機械結構。研究了該陀螺基于磁力自平衡效應的敏感機理,以該效應產(chǎn)生的磁力矩平衡科里奧利力矩,避免了傳統(tǒng)電磁反饋系統(tǒng)可能帶來的控制不穩(wěn)定及反饋系統(tǒng)與驅動系統(tǒng)的相互磁干擾。建立了以磁力自平衡系數(shù)為彈性系數(shù)的陀螺動力學方程,并進一步研究了該陀螺的階躍響應及沖擊響應規(guī)律,對進動角檢測系統(tǒng)的設計有指導意義�；谠撏勇莶捎玫臒o刷直流電機轉子徑向電極驅動結構,文中分析了驅動磁場對進動轉子的力矩作用,即驅動系統(tǒng)對陀螺敏感機理的影響。提出了基于差分電容的陀螺轉子進動角檢測方法。通過理論分析和建模仿真研究轉子進動產(chǎn)生的差分電容與電極板尺寸參數(shù)、電極板與轉子間距的關系,并以此為指導設計了差分電容結構。針對差分電容檢測存在的非線性問題,提出了基于多支持向量回歸機的非線性校正算法,并通過基于有序加權平均算子的數(shù)據(jù)融合減小非線性校正中分段擬合的分段區(qū)間之間過渡區(qū)域的擬合誤差。設計了檢測系統(tǒng),分析了系統(tǒng)噪聲源并提出了相應的減噪措施。通過實驗測試了陀螺性能,其測量偏差的均值和標準差分別是-0.0055°/s、0.0295°/s,分辨率高于0.1°/s,偏置穩(wěn)定性達到0.5°/h。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TP212
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 課題來源及研究目的和意義
    1.2 陀螺研究現(xiàn)狀及分析
        1.2.1 機械陀螺的發(fā)展
        1.2.2 微機械陀螺研究現(xiàn)狀
    1.3 液態(tài)軸承研究現(xiàn)狀
    1.4 論文的研究內(nèi)容和組織結構
第2章 雙自由度陀螺特性研究及基于艾倫方差的誤差分析
    2.1 引言
    2.2 剛體定點轉動力學相關知識
        2.2.1 坐標系及轉動力學重要概念
        2.2.2 剛體定點轉動的歐拉動力學方程
    2.3 雙自由度陀螺的基本特性
    2.4 雙自由度陀螺的動力學特性
        2.4.1 慣性參考系下的動力學方程
        2.4.2 動參考系下的動力學方程
    2.5 基于艾倫方差的誤差分析
    2.6 本章小結
第3章 基于低阻尼水膜軸承的陀螺驅動方案研究
    3.1 引言
    3.2 驅動模型及模態(tài)分析
        3.2.1 驅動模型
        3.2.2 模態(tài)分析
    3.3 驅動線圈產(chǎn)生的磁勢及轉矩
    3.4 驅動電路設計
    3.5 利用反電動勢信號的閉環(huán)驅動
        3.5.1 反電動勢信號的測量
        3.5.2 轉子的低功耗驅動
    3.6 基于轉子球超疏水表面制備的水膜軸承設計
        3.6.1 超疏水減阻理論
        3.6.2 轉子球上超疏水表面的制備
        3.6.3 水膜軸承的力學作用
    3.7 驅動性能評價
    3.8 本章小結
第4章 基于磁力自平衡效應的陀螺敏感機理研究
    4.1 引言
    4.2 球碟轉子式微陀螺的結構
        4.2.1 陀螺的機械結構
        4.2.2 陀螺關鍵部件的加工及整體裝配
    4.3 基于雙自由度陀螺動力學模型的陀螺響應規(guī)律研究
        4.3.1 雙自由度陀螺在典型力矩作用下的響應規(guī)律
        4.3.2 阻尼及彈性力矩對雙自由度陀螺響應規(guī)律的影響
    4.4 磁力自平衡效應研究
        4.4.1 磁路相關知識
        4.4.2 陀螺轉子的磁回復力矩特性研究
    4.5 陀螺敏感機理研究
    4.6 驅動力矩對進動轉子的作用
    4.7 本章小結
第5章 基于差分電容的進動角檢測系統(tǒng)設計
    5.1 引言
    5.2 利用差分電容的進動角檢測
    5.3 基于支持向量回歸的非線性校正
    5.4 檢測電路設計及系統(tǒng)誤差分析
        5.4.1 檢測電路設計
        5.4.2 機械誤差噪聲分析
        5.4.3 檢測電路噪聲分析
    5.5 陀螺系統(tǒng)參數(shù)辨識
    5.6 陀螺性能測試
    5.7 本章小結
結論
參考文獻
攻讀博士學位期間發(fā)表的學術論文及其它成果
致謝
個人簡歷

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 周偉;包建東;丁良華;;傳感器標定的非線性校正研究[J];測試技術學報;2013年04期

2 杜昌雷;張懷武;張曉濤;鐘智勇;;一種新型薄片轉子磁懸浮陀螺的結構設計與分析[J];磁性材料及器件;2010年02期

本文編號：2855921