本文選題：轉(zhuǎn)子式微陀螺 + 電磁驅(qū)動(dòng)　； 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：陀螺儀是一種能夠精確測(cè)量物體角運(yùn)動(dòng)的傳感器,在航空、航天、資源勘探、武器制導(dǎo)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用�；谖C(jī)電系統(tǒng)(MEMS,Micro-Electro Mechanical Systems)工藝的振動(dòng)式微陀螺具有體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn),在消費(fèi)電子和戰(zhàn)術(shù)武器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。振動(dòng)式微陀螺往復(fù)運(yùn)動(dòng)的工作原理決定了其質(zhì)量塊線速度較低,限制了器件性能的提高。近年來(lái),人們希望通過(guò)研制轉(zhuǎn)子式微陀螺來(lái)提高質(zhì)量塊的線速度,以提高器件的性能。但由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性難以控制,其性能指標(biāo)還不如振動(dòng)式微陀螺。針對(duì)這一問(wèn)題,我們提出了一種基于液浮支撐的球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺。該器件具有體積小、重量輕、成本低的特點(diǎn),并有望實(shí)現(xiàn)更高的精度。由于該器件的結(jié)構(gòu)與工作原理均與現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子式陀螺存在很大差異,現(xiàn)有的理論模型已無(wú)法支撐新器件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程。為此,本文圍繞新器件的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了理論分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了該器件的高速穩(wěn)定驅(qū)動(dòng),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。提出了球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺新結(jié)構(gòu)并闡述了其工作原理。根據(jù)麥克斯韋電磁理論分析了該器件的磁場(chǎng)分布情況,建立了球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺的驅(qū)動(dòng)模型,并在此基礎(chǔ)上對(duì)氣隙長(zhǎng)度和定子外環(huán)寬度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)合驅(qū)動(dòng)模型,以麥克斯韋張量法為理論基礎(chǔ),得到了該陀螺驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置的解析關(guān)系。建立了轉(zhuǎn)子所受電磁轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)電流、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)位置之間的關(guān)系,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,為微陀螺驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。提出了一種適用于球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺的高速、穩(wěn)定電磁驅(qū)動(dòng)方法。通過(guò)研究微陀螺穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的力矩平衡關(guān)系,結(jié)合磁路分析和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)策略的優(yōu)化,解決了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子式微陀螺驅(qū)動(dòng)力矩過(guò)小,無(wú)法克服液浮支撐結(jié)構(gòu)阻力矩的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)磁場(chǎng)儲(chǔ)能原理分析了器件工作過(guò)程中的電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的來(lái)源,并以此為依據(jù)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)策略進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),降低了電磁轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。實(shí)現(xiàn)了微陀螺的高速、穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)。提出了一種適用于球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺的低功耗驅(qū)動(dòng)和快速啟動(dòng)方法。基于麥克斯韋電磁場(chǎng)理論分析了轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào),實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)位置的判定,并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置動(dòng)態(tài)設(shè)定啟動(dòng)過(guò)程的角加速度和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)滯后角,從而實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)過(guò)程的自適應(yīng)加速和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過(guò)程的功耗控制。有效地縮短了器件的啟動(dòng)時(shí)間,并降低了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)功耗。在上述研究的基礎(chǔ)上,對(duì)液浮支撐球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺進(jìn)行了研制和性能測(cè)試,驗(yàn)證了驅(qū)動(dòng)模型的正確性和驅(qū)動(dòng)方法的有效性。測(cè)試結(jié)果表明,球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺的轉(zhuǎn)速控制誤差小于0.03‰;在轉(zhuǎn)速為10000rpm時(shí),經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)方法優(yōu)化,器件的穩(wěn)態(tài)功耗降低了89.86%,總功耗小于0.5W。器件的加速時(shí)間縮短了34.00%,其啟動(dòng)時(shí)間小于3.25s。微陀螺的靈敏度為98.3m V/(°/s)、分辨率為0.1°/s、線性度為0.85%FS、偏置穩(wěn)定性為0.5°/h。若能進(jìn)一步提高機(jī)械部件的加工精度和磁路的性能,該器件的性能仍有很大的提升空間。
[Abstract]:This paper presents a new structure of micro - gyroscope with small volume , light weight and low power consumption , which is based on Maxwell ' s electromagnetic theory . The rotating speed control error of the ball - disc rotor type micro - gyroscope is less than 0.03 鈥，

本文編號(hào)：1820304