硅微機(jī)械陀螺儀靜電補(bǔ)償與控制技術(shù)研究和實(shí)驗(yàn).pdf

1、硅微機(jī)械陀螺儀是MEMS技術(shù)在慣性儀表領(lǐng)域的一個重要應(yīng)用，具有體積小、重量輕、成本低、可批量生產(chǎn)、抗沖擊性能好等優(yōu)點(diǎn)，在國民經(jīng)濟(jì)和國防軍事領(lǐng)域均有重要的使用價值和廣泛的應(yīng)用前景。盡管近十幾年硅微機(jī)械陀螺儀的精度顯著提升，但由于各種因素的限制，其靜態(tài)和動態(tài)性能依然無法滿足中高精度領(lǐng)域的要求，這些因素主要包括:加工誤差引起的陀螺輸出信號的惡化及漂移;陀螺結(jié)構(gòu)機(jī)械靈敏度和陀螺儀帶寬的矛盾;檢測模態(tài)動態(tài)性能需進(jìn)一步提升等。在靜態(tài)情況下，陀螺儀輸

2、出信號主要表現(xiàn)為漂移和噪聲，因此，抑制漂移和噪聲、增大陀螺機(jī)械靈敏度是提高陀螺靜態(tài)性能的必然途徑。此外，拓展窄頻差陀螺工作帶寬，提高其動態(tài)性能是發(fā)展高精度陀螺的必由之路。
　　本文以提高硅微機(jī)械陀螺儀靜態(tài)和動態(tài)性能為目的，在現(xiàn)有加工工藝基礎(chǔ)上對陀螺靜電補(bǔ)償與控制技術(shù)進(jìn)行了深入研究和分析，主要研究內(nèi)容包括:
　　(1)表頭機(jī)械和電氣模型建立和分析
　　在simulink環(huán)境中建立了含有理想狀態(tài)驅(qū)動和檢測模塊，驅(qū)動自激振蕩

3、模塊，耦合剛度和耦合阻尼機(jī)構(gòu)，機(jī)械熱噪聲模塊，正交剛度校正機(jī)構(gòu)，檢測力反饋機(jī)構(gòu)，頻率調(diào)諧機(jī)構(gòu)等部分的陀螺結(jié)構(gòu)相關(guān)模型，并以此為基礎(chǔ)先后進(jìn)行了驅(qū)動閉環(huán)回路，正交校正回路，檢測閉環(huán)回路，頻率調(diào)諧回路等子系統(tǒng)的分析和仿真，各項結(jié)果均證明了本文提出的表頭機(jī)械模型的準(zhǔn)確性。此外，結(jié)合微結(jié)構(gòu)的等效電氣模型分析了高信噪比接口電路。
　　(2)正交校正技術(shù)研究和優(yōu)化
　　分析了正交誤差的產(chǎn)生原因及其表現(xiàn)形式，并量化了其對陀螺輸出信號的不利影

4、響。針對正交信號、正交力和正交耦合剛度采用了電荷注入法、正交力校正法和正交耦合剛度校正法，分別進(jìn)行了系統(tǒng)穩(wěn)定性分析和系統(tǒng)仿真，并根據(jù)雙質(zhì)量結(jié)構(gòu)提出了獨(dú)立校正方式。實(shí)驗(yàn)表明正交耦合剛度法優(yōu)于其他兩種方法，并證明該方法可有效減小陀螺輸出的漂移趨勢。
　　(3)雙質(zhì)量陀螺檢測模態(tài)工作模型研究及實(shí)驗(yàn)
　　通過理論分析得到雙質(zhì)量結(jié)構(gòu)中檢測模態(tài)實(shí)際工作模型是由反相和同相模態(tài)以各自權(quán)重疊加而成。提出了可精確測試陀螺檢測模態(tài)特性的力反饋梳齒

5、激勵法，以該方法為基礎(chǔ)對檢測模態(tài)進(jìn)行測試，結(jié)果與理論分析結(jié)果相吻合。為后續(xù)設(shè)計檢測開環(huán)回路和閉環(huán)控制器奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。
　　(4)檢測閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計及帶寬拓展
　　在檢測模態(tài)工作模型的基礎(chǔ)上，研究了開環(huán)檢測方法，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了檢測開環(huán)方法的可行性和正確性，且開環(huán)狀態(tài)下的帶寬由陀螺驅(qū)動和檢測工作模態(tài)頻差決定。隨后，提出了基于偶極子補(bǔ)償控制器和比例-積分相位超前控制器(PIPLC)的檢測閉環(huán)方案，仿真結(jié)果顯示PIPLC有更

6、好的帶內(nèi)平坦度和帶寬特性。對由PIPLC組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明了反饋力有效平衡了哥氏力，抑制了檢測位移，拓展了帶寬，提高了動態(tài)特性，與仿真結(jié)果吻合。
　　(5)頻率調(diào)諧技術(shù)研究及仿真
　　通過分析頻差和正交信號相位之間的關(guān)系，提出了頻率自動調(diào)諧方案:當(dāng)模態(tài)匹配時，正交信號由原來的與驅(qū)動位移同相跳變至相位差為90°左右，且在窄頻差范圍內(nèi)(±10Hz以內(nèi))正交信號中驅(qū)動位移同相分量值唯一，指出調(diào)諧狀態(tài)時應(yīng)使檢測反

7、相模態(tài)頻率略低于驅(qū)動模態(tài)以便拓展帶寬。系統(tǒng)仿真結(jié)果顯示系統(tǒng)工作后，頻差很快穩(wěn)定在設(shè)定值附近，達(dá)到了預(yù)期目的。
　　(6)性能測試及分析
　　分別對陀螺的檢測開環(huán)正交開環(huán)、檢測開環(huán)正交閉環(huán)和檢測閉環(huán)正交閉環(huán)狀態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)測試。測試結(jié)果顯示三種狀態(tài)下的陀螺零位值、零偏穩(wěn)定性和帶寬分別為4.772°/s，540°/h，10Hz;1.747°/s，24.05°/h，12Hz;-1.521°/s，7.12°/h，104Hz。采用正交校