【微型半球諧振陀螺儀設計案例3600字】

微型半球諧振陀螺儀設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u15544微型半球諧振陀螺儀設計案例 1181751.1微半球諧振子結構與模態(tài)分析 1151741.2微半球諧振陀螺驅動系統(tǒng)設計和分析 4114061.2.1鎖相環(huán)設計 561551.2.2幅度控制模塊設計 6231741.3微半球諧振陀螺檢測系統(tǒng)設計和分析 7微半球諧振子結構與模態(tài)分析 在微半球諧振子結構的最初探索之中都套用了半球諧振子的基本結構，本文就對幾個基本結構在同等材料和相同維度的尺寸下進行模態(tài)分析，進一步選出最優(yōu)的半球諧振子結構。微半球諧振子最關鍵的敏感單元即為半球殼，這次選用了有外沿的半球殼和無外沿的半球殼以及不到90度的半球殼，對于它的支撐桿有三種經典的方案，半球殼下、半球殼內和穿過半球殼。再分別將它們結合起來，對微半球諧振子在ANSYS中進行模態(tài)分析[1,19]。圖3.1結構a圖3.2結構b圖3.3結構c圖3.4結構d圖3.5結構e表3.1驅動和檢測模態(tài)對比驅動模態(tài)頻率（Hz）檢測模態(tài)頻率（Hz）頻率裂解（Hz）結構a155271556538結構b154171547460結構c150871516073結構d432164329175結構e2541025997587表3.2干擾模態(tài)對比驅動模態(tài)頻率（Hz）三階模態(tài)頻率（Hz）和驅動模態(tài)頻差（Hz）結構a155273948323956結構b154173871423297結構c150873257317486結構d43216140943結構e254105967934269表3.3結構參數球殼厚度球殼半徑支撐桿半徑支撐桿高度2m500m50m50m、500m、1000m表3.4材料參數材料名稱密度楊氏模量泊松比Si2.33g/cm3170Gpa0.3 首先，顯而易見的是結構a到c的球殼改變不大，那么就先將c作為代表來和de一起分析球殼結構的利弊。結構c和d的頻率裂解都很小，相比之下頻率d的頻率更加集中。而結構e的頻率裂解過大，會導致檢測模態(tài)的振動響應很小，不利于作為陀螺儀的諧振結構。再看結構c和d的干擾模態(tài)，結構d距離干擾模態(tài)很大，可以說不可能激發(fā)出三階的諧振模態(tài)，但在模態(tài)分析的過程中如圖3.4所示，我們可以看到由于球殼有外沿，導致更容易出現相對于支撐桿的簡諧運動，這對陀螺儀的穩(wěn)定工作來說有著致命的影響。同時可以發(fā)現，結構c的驅動模態(tài)諧振頻率要比結構d低接近100%，這意味著采取結構c這樣的諧振結構可以更節(jié)約能量。也就是會更簡單的繼發(fā)出陀螺的工作模態(tài)。并且從制造工藝的角度來看，想要實現半球殼加外沿的大批量生產的技術難度是非常高的。 回去來看支撐桿的結構改變對數據的影響，我們可以看到在采取結構a的數據都要略優(yōu)于其他兩個結構。不管是頻率裂解還是與干擾模態(tài)的頻差都要好與結構b和結構c。因此設計一個微半球諧振陀螺的諧振子，本文會采用如結構a這樣的結構。 對于微半球諧振陀螺的電容裝配問題，為了配合本文后續(xù)的驅動和檢測系統(tǒng)的設計，陀螺儀的電極裝配為8個。分別在0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°。其中0°和180°的電極作用是驅動陀螺儀起振并維持陀螺儀的驅動模態(tài)穩(wěn)定。那么90°和270°的電極作用就是檢測陀螺儀驅動模態(tài)的振動情況，轉化為電壓信號并實時反饋加以控制。45°和225°的電極作用就是抑制檢測軸的振動，維持陀螺儀振動波形的穩(wěn)定。135°和315°的電極作用自然就是檢測檢測模態(tài)的振動情況，并反饋檢測軸振動信號同時加以閉環(huán)控制。圖3.6微半球諧振陀螺電容分布微半球諧振陀螺驅動系統(tǒng)設計和分析 陀螺儀的驅動方案分為開環(huán)和閉環(huán)兩種，雖然開環(huán)驅動很容易實現，可以很簡單的使陀螺儀起振并振動在諧振頻率，但這種方案不能保證后續(xù)的振動的穩(wěn)定，有一些較輕微的擾動就會對陀螺儀的工作產生很大的影響，相比之下，雖然閉環(huán)驅動模態(tài)的陀螺儀系統(tǒng)設計會相對復雜，但能夠保證陀螺儀工作在穩(wěn)定的驅動狀態(tài)下，本文設計的方案選定為閉環(huán)驅動環(huán)路[17,18]。圖3.7驅動回路控制示意圖 通過上一章陀螺儀的工作原理分析中式（2-1）可以看到科氏力的大小和驅動模態(tài)的振動速度呈線性關系，在式（2-7）可以看到位移函數的導數就是速度，科氏力和驅動模態(tài)的振幅和振動頻率還有角速度的乘積成正比。那么為了維持科氏力信號和角速度信號之間穩(wěn)定的線性關系，就需要使驅動模態(tài)的振動幅度和振動頻率為定值。同時根據第二章的動力學方程的分析，可以得知要使得驅動模態(tài)振幅最大就要使陀螺振動在他的諧振頻率上，即陀螺做受迫振動的外力和驅動模態(tài)諧振頻率相同。那么通過分析得出為了陀螺正常工作，需要讓它的驅動模態(tài)在其諧振頻率上以固定幅度進行振蕩。 在本文中為了解決信號的控制問題，決定采用鎖相環(huán)模塊和幅度控制模塊來對其進行設計。先簡述驅動框圖，驅動模態(tài)產生振蕩后，從而引起電容變化檢測到電壓信號。電壓信號進入到鎖相環(huán)（PLL）模塊，將信號的頻率穩(wěn)定下來，之后進入到幅度控制模塊，在頻率穩(wěn)定的前提下，通過和設定的幅度參考值進行比較來穩(wěn)定振動的幅度，從而得到頻率和幅度都穩(wěn)定的電壓信號，再轉換到力信號驅動陀螺。鎖相環(huán)設計 為了保證陀螺工作時具有更完美的性能，需要使其穩(wěn)定工作在驅動模態(tài)的固有頻率下，此時需要對其實時的工作狀態(tài)進行監(jiān)控，從其中提取出頻率和相位信號進行鎖相環(huán)的負反饋控制，使得陀螺儀可以一直跟蹤驅動模態(tài)自激振蕩的固有頻率，保持最佳諧振工作狀態(tài)[8,9]。 鎖相環(huán)模塊結構如圖3.8所示，其中鑒相器模塊采用乘法鑒相器獲得相位信息，之后用低通濾波器去除高頻信號，保留下相位信息通過壓控振蕩器根據輸入信號調整輸出信號的頻率和相位。圖3.8鎖相環(huán)結構圖 設輸入信號Vin=Acos(t+)，其中A為驅動軸振動的幅度。VCO輸出信號為V0=sin(0t)。二者相乘之后產生相位誤差信號：V1 其中，=0- 在經過LPF之后得到直流電壓信號：v2 電壓信號到此就提取出了信號的相位差，再通過VCO（電壓控制振蕩器）由于V2而改變振蕩頻率，使VCO輸出信號和鑒相器輸入信號的頻率相位相等，達到信號頻率和相位被鎖定穩(wěn)定下來的效果。至此就可以保證通過鎖相環(huán)路的控制使驅動信號的頻率穩(wěn)定在驅動模態(tài)的諧振頻率上，接下來要去解決信號中的另一個關鍵元素，幅度信號的穩(wěn)定。幅度控制模塊設計 穩(wěn)定工作在給定的穩(wěn)幅振動條件下是為了保證陀螺儀正常工作和指標的正常。但是振幅經常會由于外界的影響出現各種偏差，此時添加一個幅度控制模塊來維持穩(wěn)定的意義就很重要。幅度控制模塊也是一種采用閉環(huán)思路設計出來的負反饋電路。在幅度控制模塊工作時通過實時監(jiān)測動態(tài)信號的幅度變化同時進行動態(tài)反饋調節(jié)。 在鎖相環(huán)模塊正常工作的時候，鎖相環(huán)模塊會跟蹤驅動軸的振動頻率，為了維持信號的振動幅度的穩(wěn)定，添加了幅度控制模塊，原理和鎖相環(huán)類似，只是控制的對象變?yōu)榉?。在振動幅度超過參考信號時，與Ref做差結果為負，經過PI控制器后信號幅度減小，若振動幅度小于Ref，做差后結果為正，經過控制器后信號幅度增加，從而實現對陀螺儀振動模態(tài)振幅的維穩(wěn)控制。簡要框圖如圖3.9所示。圖3.9幅度控制模塊結構圖 鑒幅器和鑒相器類似，都采用模擬乘法器就可以實現。假設輸入的兩個信號為In1=Asin（1t），In2=sin（2t）。經過乘法運算后可以得到：ln1圖3.10相敏乘法器幅度解調 再通過低通濾波器濾除高頻信號后，得到輸出信號為Out=0.5*A（cos（1t-2t））。觀察當輸入信號的相位一致時，即1=2時，可以得到輸出信號即為所求幅度A的0.5倍，由此可以發(fā)現通過模擬乘法器可以成功解調出原信號的幅度。這也是幅度控制回路中最關鍵的一步。 圖3.9中的Ref是驅動振幅的設定值。幅度控制模塊可以被看做是一個完整的閉環(huán)負反饋系統(tǒng)。在當Ref值確定后，通過幅度控制模塊我們可以保證信號的幅度一直跟蹤Ref值并保持恒定，由于陀螺儀驅動軸響應的速度較慢，因此在幅度控制模塊中加入PI控制器，提高該環(huán)路的振動啟動速度。PI控制器的參數設定會在后續(xù)Matlab/Simulink的仿真之中通過實驗設定出來。微半球諧振陀螺檢測系統(tǒng)設計和分析 對于陀螺儀的檢測方案如第二章所描述的，通常分為兩種。開環(huán)檢測和閉環(huán)檢測兩種檢測模式。那么本文選擇設計一種閉環(huán)檢測的系統(tǒng)，首先來闡述一下開環(huán)檢測模式下陀螺儀會存在的一些弊端。開環(huán)檢測模式下的陀螺儀檢測角速度的方式需要用到更多的電容，對陀螺儀的裝配來說是一個不小的挑戰(zhàn)。同時這種檢測方案需要使陀螺儀的振動波形產生一定角度的偏轉，這種波形的進動也會對陀螺儀諧振結構造成傷害。對于信號處理的方面來說，由于波形的位置是進動的，也就是說是不確定的，那么在解調時需要更多的信號處理階段，會更復雜。但開環(huán)檢測方案也有優(yōu)點，這種方案下可以使陀螺儀直接測量模態(tài)的轉動角度，有更大的測量動態(tài)范圍。但綜合考量后，選擇使用更為穩(wěn)定的力反饋檢測方式來對陀螺儀的檢測系統(tǒng)進行設計[16,23,24]。 本文設計的檢測回路如圖3.11所示。陀螺工作時，由于檢測軸受到由角速度和驅動模態(tài)的振動合成所引起的科氏力的影響，是檢測軸的電容端發(fā)生變化。通過電容檢測將此電容變化變?yōu)殡妷盒盘?，利用鎖相環(huán)模塊提供的參考