陀螺是一種用于角速度測(cè)量的慣性傳感器。從運(yùn)載體(如飛機(jī)、潛艇、導(dǎo)彈等)的慣性系統(tǒng)到消費(fèi)電子(如游戲手柄、手機(jī)等)中的角速度測(cè)量模塊都是以陀螺為核心元件。根據(jù)敏感機(jī)理,機(jī)械陀螺分為振動(dòng)陀螺和轉(zhuǎn)子式陀螺。微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-electro-mechanical systems,MEMS)振動(dòng)陀螺以價(jià)格低、體積小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)在精度要求不高的消費(fèi)電子產(chǎn)品中得到大量應(yīng)用。然而,MEMS振動(dòng)陀螺中不可避免的驅(qū)動(dòng)和感應(yīng)方向的機(jī)械串?dāng)_限制陀螺性能的進(jìn)一步提高,大部分MEMS振動(dòng)陀螺的偏置穩(wěn)定性遠(yuǎn)大于10°/h�；谶M(jìn)動(dòng)效應(yīng)的轉(zhuǎn)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(jī)理上講,由于轉(zhuǎn)子式陀螺轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速一般較高,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大,其檢測(cè)精度應(yīng)該好于振動(dòng)陀螺。大型液浮陀螺精度高但一般價(jià)格昂貴,應(yīng)用于軍事產(chǎn)品中的較多;MEMS懸浮陀螺由于存在懸浮結(jié)構(gòu),工藝復(fù)雜,不易于小型化,其應(yīng)用沒(méi)有得到普及。而且就MEMS懸浮陀螺的研究現(xiàn)狀來(lái)看,懸浮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性限制了陀螺精度的提高,并未有優(yōu)于MEMS振動(dòng)陀螺的偏置穩(wěn)定性表現(xiàn)。為了解決傳統(tǒng)MEMS懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺懸浮穩(wěn)定性差的問(wèn)題,提高轉(zhuǎn)子式微陀螺的精度,哈爾濱工業(yè)大學(xué)牽頭承擔(dān)了973計(jì)劃“微納慣性器件運(yùn)動(dòng)界面納米效應(yīng)基礎(chǔ)問(wèn)題研究”。在該計(jì)劃的支持下,提出了一種有水膜軸承支撐的球碟形轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子式微陀螺(以下簡(jiǎn)稱球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺)。在與MEMS陀螺相比增加體積(邊長(zhǎng)24 mm,厚度4.8 mm)的前提下,解決了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子式微陀螺轉(zhuǎn)子懸浮穩(wěn)定性差的問(wèn)題。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試及第三方(清華大學(xué))認(rèn)證,其偏置穩(wěn)定性達(dá)到0.5°/h,精度在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先水平。該陀螺樣機(jī)的研制是973計(jì)劃的重要組成部分。設(shè)計(jì)了基于低阻尼水膜軸承的陀螺驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用12極無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu),通過(guò)模態(tài)分析確定了陀螺的最高驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速,通過(guò)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩關(guān)于磁勢(shì)和驅(qū)動(dòng)角的解析表達(dá)式推導(dǎo)得出穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)的條件。設(shè)計(jì)了基于反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及該系統(tǒng)下的低功耗快速驅(qū)動(dòng)方案,使陀螺在額定驅(qū)動(dòng)功率的前提下獲得更高的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速以表現(xiàn)出更好的陀螺性能。為了使轉(zhuǎn)子獲得穩(wěn)定且低阻尼的支撐,在提高陀螺性能的同時(shí)盡量減小支撐對(duì)轉(zhuǎn)子的摩擦力矩帶來(lái)的驅(qū)動(dòng)功耗,在轉(zhuǎn)子球上制作了超疏水表面,并應(yīng)用了水膜軸承。提出了一種在不銹鋼轉(zhuǎn)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(dá)到167°,表現(xiàn)出良好的超疏水特性。實(shí)驗(yàn)表明在應(yīng)用水膜軸承的前提下,超疏水表面的制作使得在額定驅(qū)動(dòng)電流下,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速提高11%,陀螺效應(yīng)隨之增加。在確定驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的前提下,設(shè)計(jì)了球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)。研究了該陀螺基于磁力自平衡效應(yīng)的敏感機(jī)理,以該效應(yīng)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(lái)的控制不穩(wěn)定及反饋系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)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(dòng)力學(xué)方程,并進(jìn)一步研究了該陀螺的階躍響應(yīng)及沖擊響應(yīng)規(guī)律,對(duì)進(jìn)動(dòng)角檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。基于該陀螺采用的無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子徑向電極驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),文中分析了驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)對(duì)進(jìn)動(dòng)轉(zhuǎn)子的力矩作用,即驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)陀螺敏感機(jī)理的影響。提出了基于差分電容的陀螺轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)角檢測(cè)方法。通過(guò)理論分析和建模仿真研究轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生的差分電容與電極板尺寸參數(shù)、電極板與轉(zhuǎn)子間距的關(guān)系,并以此為指導(dǎo)設(shè)計(jì)了差分電容結(jié)構(gòu)。針對(duì)差分電容檢測(cè)存在的非線性問(wèn)題,提出了基于多支持向量回歸機(jī)的非線性校正算法,并通過(guò)基于有序加權(quán)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(guò)渡區(qū)域的擬合誤差。設(shè)計(jì)了檢測(cè)系統(tǒng),分析了系統(tǒng)噪聲源并提出了相應(yīng)的減噪措施。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了陀螺性能,其測(cè)量偏差的均值和標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到0.5°/h。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)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(lái)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(jī)械陀螺的發(fā)展
        1.2.2 微機(jī)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?jī)?nèi)容和組織結(jié)構(gòu)
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(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)相關(guān)知識(shí)
        2.2.1 坐標(biāo)系及轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)重要概念
        2.2.2 剛體定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的歐拉動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)特性
        2.4.1 慣性參考系下的動(dòng)力學(xué)方程
        2.4.2 動(dòng)參考系下的動(dòng)力學(xué)方程
    2.5 基于艾倫方差的誤差分析
    2.6 本章小結(jié)
第3章 基于低阻尼水膜軸承的陀螺驅(qū)動(dòng)方案研究
    3.1 引言
    3.2 驅(qū)動(dòng)模型及模態(tài)分析
        3.2.1 驅(qū)動(dòng)模型
        3.2.2 模態(tài)分析
    3.3 驅(qū)動(dòng)線圈產(chǎn)生的磁勢(shì)及轉(zhuǎn)矩
    3.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
    3.5 利用反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的閉環(huán)驅(qū)動(dòng)
        3.5.1 反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的測(cè)量
        3.5.2 轉(zhuǎn)子的低功耗驅(qū)動(dòng)
    3.6 基于轉(zhuǎn)子球超疏水表面制備的水膜軸承設(shè)計(jì)
        3.6.1 超疏水減阻理論
        3.6.2 轉(zhuǎn)子球上超疏水表面的制備
        3.6.3 水膜軸承的力學(xué)作用
    3.7 驅(qū)動(dòng)性能評(píng)價(jià)
    3.8 本章小結(jié)
第4章 基于磁力自平衡效應(yīng)的陀螺敏感機(jī)理研究
    4.1 引言
    4.2 球碟轉(zhuǎn)子式微陀螺的結(jié)構(gòu)
        4.2.1 陀螺的機(jī)械結(jié)構(gòu)
        4.2.2 陀螺關(guān)鍵部件的加工及整體裝配
    4.3 基于雙自由度陀螺動(dòng)力學(xué)模型的陀螺響應(yīng)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(yīng)規(guī)律
        4.3.2 阻尼及彈性力矩對(duì)雙自由度陀螺響應(yīng)規(guī)律的影響
    4.4 磁力自平衡效應(yīng)研究
        4.4.1 磁路相關(guān)知識(shí)
        4.4.2 陀螺轉(zhuǎn)子的磁回復(fù)力矩特性研究
    4.5 陀螺敏感機(jī)理研究
    4.6 驅(qū)動(dòng)力矩對(duì)進(jìn)動(dòng)轉(zhuǎn)子的作用
    4.7 本章小結(jié)
第5章 基于差分電容的進(jìn)動(dòng)角檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    5.1 引言
    5.2 利用差分電容的進(jìn)動(dòng)角檢測(cè)
    5.3 基于支持向量回歸的非線性校正
    5.4 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)及系統(tǒng)誤差分析
        5.4.1 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
        5.4.2 機(jī)械誤差噪聲分析
        5.4.3 檢測(cè)電路噪聲分析
    5.5 陀螺系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)
    5.6 陀螺性能測(cè)試
    5.7 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及其它成果
致謝
個(gè)人簡(jiǎn)歷

【參考文獻(xiàn)】

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1 周偉;包建東;丁良華;;傳感器標(biāo)定的非線性校正研究[J];測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào);2013年04期

2 杜昌雷;張懷武;張曉濤;鐘智勇;;一種新型薄片轉(zhuǎn)子磁懸浮陀螺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J];磁性材料及器件;2010年02期

本文編號(hào)：2855921