微半球諧振陀螺是慣性技術領域的研究熱點。基于科氏振動效應原理的微半球陀螺相對其他的陀螺有許多優(yōu)勢。微半球陀螺結構簡單,抗干擾能力強,并且在斷電后仍能工作一段時間。同時,微半球陀螺以體積小、功耗低、啟動時間短、可靠性高等優(yōu)點受到極大關注。但是,微半球陀螺的研究過程會遇到諸多問題,國內高精度的微半球陀螺的研制面臨巨大挑戰(zhàn)。本文旨在從微陀螺儀的基本原理入手,對采用壓電材料研制的微半球陀螺進行仿真和分析,再從機械域的理論分析過渡到電域的理論分析來研究壓電微陀螺的新型等效電路,從而解決傳統(tǒng)等效電路在描述實際壓電微陀螺工作狀態(tài)時誤差較大的問題。在微陀螺理論研究的基礎上,設計出微半球陀螺的控制與檢測的力平衡電路方案,搭建微陀螺的電路系統(tǒng),完成微半球陀螺的性能測試,并且進一步設計實現了微半球陀螺的數字鎖相環(huán)回路和數字自動增益控制回路,為微陀螺的測控電路領域的研究提供參考和支持。
【學位單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TP212;TN70
【部分圖文】：

微加工技術的發(fā)展促進了微陀螺在靈敏度和零偏穩(wěn)定性等性能的良好表現，同時微陀螺性能的提高也離不開高性能的完備的電路系統(tǒng)的支持，下面將會簡單的介紹國內外研究電路的現狀，從而能夠得到啟發(fā)，為本課題的電路設計服務。研究現狀將從模擬測控電路、數字測控電路以及數字電路的關鍵技術研究三個方面來介紹，其中的數字電路的技術研究包括溫度補償、正交補償和模態(tài)匹配等關鍵性技術。1.2.1 模擬測控電路在 2008 年，韓國國立首爾大學采用的是模擬的控制電路[4]，如圖 1-1 所示。針對振動微陀螺儀設計了兩個環(huán)路，圖中下方的電路是用于驅動模式下的自動增益控制（AGC）環(huán)路，上方的電路是檢測模態(tài)的控制電路。AGC 環(huán)路由電荷放大器、模擬微分器、包含有低通濾波器的檢波電路、電壓增益控制和乘法器組成。其中，電荷放大器是利用施加在固定電極上的直流差分電壓的電荷積分電路來實現差分檢測。等效差分電路是由一階高通濾波器實現。

上海交通大學碩士學位論文后通過比例積分（PI）控制器來最小化誤差信號。PI 控制器的輸出信號連續(xù)調整VGA 的增益，使得驅動模態(tài)的振蕩幅度保持在期望的水平。當達到穩(wěn)定的驅動模態(tài)振動時，系統(tǒng)就可以實現角速率測量。該電路的開環(huán)檢測機制比較簡單，前置放大電路輸出差分信號，通過驅動模態(tài)的振蕩載波信號進行解調，并使用低通濾波得到一個直流輸出，該信號與輸入的角度成比例關系。

北京大學搭建了AGC-PI的模擬控制電路[6]，如圖1-3所示。這個MEMS陀螺的信號處理系統(tǒng)主要包括兩個部分：驅動模態(tài)下的含有 PI 控制的 AGC 回路和檢測模態(tài)下的解調電路。整個控制電路是基于純模擬電路。振動速度的信號是通過微分器在電容電壓轉換后獲得的。AGC 控制環(huán)路的主要部分是幅值檢測，由低通濾波器，PID 控制器和模擬乘法器組成。由 AGC 控制器輸出的交流分量通過緩沖器和反相器電路形成兩個反相信號，再增加固定的直流偏置信號，以形成驅動信號，該驅動信號直接施加在驅動梳齒的電極上。在模擬電路中，整流器、低通濾波器和 PID 控制器是由運算放大器和一些基本的電容、電阻和二極管搭建實現的。PID 控制器可以通過使用單一的運算放大器或多個運算放大器的形式實現。前者的優(yōu)點在于元件較少，但控制參數相互耦合，不能單獨調節(jié)，后者具有獨立的 PID 控制特性，可以獨立進行優(yōu)化。
【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

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相關博士學位論文 前2條

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本文編號：2845586