雙質(zhì)量硅微陀螺儀自適應(yīng)控制技術(shù)研究.pdf

1、硅微陀螺儀是一種測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的新型慣性傳感器，與傳統(tǒng)的機(jī)電類陀螺和光電類陀螺相比，具有體積小、成本低、重量輕、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在軍民兩用領(lǐng)域有著重要的使用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。基于目前的設(shè)計(jì)和加工水平，國(guó)內(nèi)硅微陀螺儀的研究進(jìn)展相對(duì)較慢，主要以單質(zhì)量的結(jié)構(gòu)樣機(jī)為主。單質(zhì)量硅微陀螺儀容易受到軸向加速度的干擾，環(huán)境適應(yīng)性差。從工程使用的實(shí)際角度考慮，提高硅微陀螺儀可靠性方法之一是設(shè)計(jì)雙質(zhì)量的結(jié)構(gòu)消除共模干擾。由于機(jī)械加工的非理想因素，雙質(zhì)量

2、硅微陀螺儀兩驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)的結(jié)構(gòu)參數(shù)難以一致，與設(shè)計(jì)結(jié)果有一定誤差，引起結(jié)構(gòu)不對(duì)稱和靜電耦合等，嚴(yán)重影響了陀螺的工作性能。因此，采用特定的控制方法，有效消除各種寄生效應(yīng)和誤差，是提高雙質(zhì)量硅微陀螺儀性能和可靠性的關(guān)鍵技術(shù)之一。
　　論文以提高硅微陀螺儀性能和可靠性為目的，以本實(shí)驗(yàn)室研制的雙質(zhì)量硅微陀螺儀為研究對(duì)象，運(yùn)用自適應(yīng)控制技術(shù)對(duì)雙質(zhì)量硅微陀螺儀測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了深入的分析和研究。論文的主要工作概括為以下幾個(gè)方面:
　　

3、(1)對(duì)目前國(guó)內(nèi)外雙質(zhì)量硅微陀螺儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制方法進(jìn)行了概述，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
　　(2)系統(tǒng)地研究了雙質(zhì)量硅微陀螺儀的同頻同幅反向驅(qū)動(dòng)和差分檢測(cè)工作機(jī)理。分析了兩驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)幅度、頻率和相位的不一致以及驅(qū)動(dòng)和敏感模態(tài)的不匹配對(duì)陀螺儀檢測(cè)靈敏度和工作帶寬的影響，探討了不同的差分檢測(cè)方法對(duì)消除軸向加速度的實(shí)際效果。
　　(3)設(shè)計(jì)了雙質(zhì)量硅微陀螺儀的自適應(yīng)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路。為滿足雙質(zhì)量硅微陀螺儀同頻同幅反向驅(qū)動(dòng)條件，

4、在比較分析硅微陀螺儀基于鎖相環(huán)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)和自激驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，提出的自適應(yīng)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)是一種相位和增益控制解耦的新型驅(qū)動(dòng)方案。通過自適應(yīng)調(diào)諧，使陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振于給定的信號(hào)頻率，同時(shí)引入自動(dòng)增益控制環(huán)節(jié)，使振動(dòng)幅值維持恒定。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該自適應(yīng)驅(qū)動(dòng)方法能夠?qū)崿F(xiàn)陀螺儀兩驅(qū)動(dòng)模態(tài)的同頻同幅反向驅(qū)動(dòng)，且能保持很高的頻率和幅度穩(wěn)定性。
　　(4)設(shè)計(jì)了雙質(zhì)量硅微陀螺儀的自適應(yīng)閉環(huán)檢測(cè)電路。為有效提取角速度信息和抑制正交誤差干擾，基于經(jīng)典

5、的硅微加速度計(jì)力平衡反饋理論，分析比較了硅微陀螺儀交流校正閉環(huán)檢測(cè)方法和“解調(diào)-直流校正-再調(diào)制”閉環(huán)檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型力平衡自適應(yīng)閉環(huán)檢測(cè)方案。該方案的整個(gè)工作過程主要是提取和控制包絡(luò)信號(hào)，克服了交流校正閉環(huán)檢測(cè)電路的不穩(wěn)定性和“解調(diào)-直流校正-再調(diào)制”閉環(huán)檢測(cè)方法的復(fù)雜性，在抑制正交誤差的同時(shí)，通過同步相敏解調(diào)提取角速度信號(hào)。
　　(5)研究了雙質(zhì)量硅微陀螺儀標(biāo)度因數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整方法。在自適應(yīng)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電

6、路和閉環(huán)檢測(cè)電路之間設(shè)計(jì)了硅微陀螺儀標(biāo)度因數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整環(huán)路，該環(huán)路通過提取角速度信號(hào)自動(dòng)調(diào)整驅(qū)動(dòng)環(huán)路中幅度控制參考電壓，來改變驅(qū)動(dòng)振動(dòng)位移幅度，進(jìn)而調(diào)整系統(tǒng)的標(biāo)度因數(shù)。
　　(6)測(cè)試了雙質(zhì)量硅微陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)各振型的幅頻響應(yīng)特性，為系統(tǒng)的控制參數(shù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。給出了雙質(zhì)量硅微陀螺儀自適應(yīng)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)和閉環(huán)檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明陀螺儀兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)同頻同幅反向振動(dòng)，達(dá)到了較高的驅(qū)動(dòng)頻率和幅度穩(wěn)定性。通過施加軸向加速度干擾實(shí)驗(yàn)