Analysis of mathematical model for micromechanical vibratory wheel gyroscope

By the sketch of structure of MVWG,the working laws of this kind of gyroscope we re explained.To the aid of Euler′s Dynamics Equation,a mathematical model of the gyroscope was constructed,and then by the basic working laws of MVWG the model was simplified.Under the conditions of the three axial direction rotations and general rotation,the mathematical model was resolved.And finally by the solutions, the working laws of the gyroscope, the working disparity among all sorts of gyrations and the influences from the gyrations in the axial directions were analysed.

馈通对硅微机械陀螺零偏影响及其抑制研究

硅微机械陀螺仪激励电极及读出电极间存在寄生电容,进而在读出信号中引入与其同频同相的馈通干扰信号。针对此现象,采用时域法对馈通干扰下力平衡模式的零偏特性进行理论推导,通过Simulink仿真及实验对结论进行验证。研究表明:馈通干扰导致力平衡模式驱动力一定时,陀螺零偏随模态频差改变发生变化。随后根据硅微机械陀螺仪静电力生成原理,设计一种采用半频谐振信号检测环路力平衡的控制系统,并通过实验验证了陀螺零偏在90 Hz模态频差变化范围内波动不超过0.17%,馈通对零偏的影响得到有效抑制。

基于相位控制的硅微机械陀螺驱动控制技术

全面分析、研究并实现了一种基于相位控制的硅微机械陀螺(Silicon micromechanical gyroscope,SMG)驱动控制技术.分析了硅微陀螺驱动模态的动力学特性,阐述了相位控制方案的基本原理;在此基础上建立了控制环路,采用自激振荡理论分析了其稳定性;建立了环路的相位模型,引入特异因子实现相位控制误差到频率差(工作频率与驱动模态谐振频率之差)的转换;建立了对应于相位控制环路的频率模型,当环路滤波器为一阶模型时,与传递函数为二阶的信号跟踪锁相环(Phase locked loop,PLL)不同,总的闭环模型仅为一阶;最后基于FPGA平台,采用线性鉴相方式设计了数字化相位控制环路,并结合幅值控制实现了双闭环驱动控制电路.测试结果表明,该方案可实现硅微陀螺驱动端的高精度控制.

基于激励-校准法的硅微陀螺仪模态匹配控制电路研究

提出了一种基于激励-校准法的硅微陀螺仪实时模态匹配控制电路,利用了检测模态的幅度响应信号关于其谐振频率对称的特点,采用双边激励信号激励检测模态,通过比较双边信号的响应幅度大小来获得相应的调谐电压,实现模态匹配。介绍了静电负刚度调谐原理;然后设计了基于激励-校准法的硅微陀螺仪实时模态匹配控制方案,并分析了该法的误差来源;在Simulink环境下搭建了模态匹配控制电路模型,验证了该方案的可行性;最后,设计了基于FPGA的自动模态匹配控制电路。实验结果表明,相比于模态不匹配情况,模态匹配后的陀螺仪零偏稳定性系数由1.69°/h降低到0.42°/h,静态性能提升了4.02倍;角度随机游走系数由槡0.046°/h降低到槡0.019 5°/h,静态性能提升了2.36倍。

振动轮式硅微陀螺仪检测轴的闭环特性

研究了振动轮式硅微陀螺仪敏感结构的谐振特性,重点进行了检测轴的闭环控制系统分析和测试。通过对不同气压条件下检测轴谐振特性的研究及驱动轴和检测轴谐振频率匹配的试验,分析了静电力反馈控制系统中的变刚度问题,进行了硅微陀螺仪检测轴的闭环控制系统设计,给出了检测轴闭环控制系统的原理框图和传递函数,同时分析了闭环条件下驱动轴回路和检测轴回路各部分的相位关系以及正交分量的消除方法。试验结果表明闲环控制提高了硅微陀螺仪的精度指标。

硅微机械振动轮陀螺仪的机理研究

本文针对Ｄｒａｐｅｒ 实验室公布的硅微机械振动轮陀螺仪的设计方案，给出了它的非线性动力学方程和运动规律，分析了该陀螺仪壳体绕空间任意轴匀速旋转时干扰力矩所引起的漂移率，给出了比通常线性化处理后得到的角速率测量关系式更为精确的测量表达式。

硅微振动陀螺的理论分析

应用欧拉动力学基本方程，对双框架结构的硅微型振动陀螺进行了理论分析，给出了完整的陀螺动力学方程，并且从灵敏度和驱动技术的角度对这种陀螺的机理作了探讨。

内框驱动双框架式硅微角振动陀螺仪的微分方程模型

详细介绍了内框驱动双框架式硅微角振动陀螺仪的工作原理,给出了内框驱动双框架式硅微角振动陀螺仪的工作原理图和结构示意图.应用刚体转动的欧拉动力学方程,通过严格的力学分析和严密的数学验算,推导出内框驱动双框架式硅微角振动陀螺仪的基座与外框架之间的夹角θ和内框架与外框架之间的夹角的关系的一个微分方程模型.

硅微型机械振动陀螺的制备

详细介绍了双框架结构的硅微型机械振动陀螺的工作原理及工艺，设计并试制出了挠性轴厚度为０．８μｍ的三种不同尺寸的双框架结构的硅微型机械振动陀螺的样品，其机械结构的主要尺寸误差可控制在１０％以内。

硅微z轴谐振陀螺仪负电刚度效应分析及实验验证

介绍了在开环工作状态下硅微z轴谐振陀螺仪由于加工工艺缺陷所导致的误差机理。为减小陀螺仪初始电容差和抑制正交耦合误差,提出了一种闭环控制检测策略。重点分析了其力矩反馈器的电刚度效应并给出其线性数学模型表示式。通过对硅微z轴陀螺仪敏感模态的反馈力与谐振频率的关系分析,间接得出了在敏感方向上电负刚度与力矩器所施电压的内在联系,并在实验上进一步验证电刚度效应。这将为下一步闭环控制方案的设计奠定重要基础。

壳体加速度对硅微角振动陀螺仪性能的影响

分析了壳体加速度对硅微角振动陀螺仪性能的影响，导出并分析了不平衡摆性误差和正交不平衡误差。

音叉式硅微机械振动陀螺仪的粘滞阻尼研究

粘滞阻尼的研究对硅微机械振动陀螺仪的设计至关重要 .而品质因数的大小反映了阻尼特性 .本文首先理论分析了硅微型机械振动陀螺仪粘滞阻尼的耗能 ,然后根据耗能分析给出了驱动结构和敏感结构的品质因数 .

基于FPGA的硅微机械陀螺特性曲线可重构测试

设计了一套基于FPGA(Field Programmable Gate Array)的硅微机械陀螺特性曲线可重构测试系统,能够同时测试出硅微机械陀螺的驱动频率特性以及驱动模态到敏感模态的正交耦合特性。基于SOPC(System On a Programmable Chip)嵌入式软件编写程序,采用扫频方法从驱动激励端输入一系列由低频到高频的正弦激励信号,在驱动检测端输出,可以扫描出驱动模态的频率特性曲线,同时在敏感检测端输出,可以扫描出驱动模态到敏感模态的正交耦合特性曲线。根据驱动模态的频率特性曲线,能够测量出驱动模态在谐振频率点的相位特性(代表了整个环路的真实相移),据此能够使闭环控制回路精确工作在谐振频率点。此外,改变SOPC嵌入式软件程序,也可以直接实现闭环驱动控制与敏感解调输出,而不需要额外的硬件开销。

新颖角振动微硅陀螺的设计

在分析原有双框架式角振动微硅陀螺的基础上，提出了一种新颖的微硅陀螺，给出了工作原理、运动方程及设计尺寸，并分析了新颖陀螺提高灵敏度的途径。

硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪的模型分析

通过硅微型梳状线振动驱动式陀螺仪的结构示意图,介绍了该陀螺仪的工作特点.利用牵连运动的加速度合成定理和牛顿力学定律,通过力学分析和数学演算得到了该陀螺仪的活动质量的加速度表达式,并给出了该陀螺仪的数学模型.在陀螺仪做各坐标轴方向的转动和作一般转动的情况下,对数学模型进行了求解,最后利用方程的解分析了陀螺仪是如何工作的、各种情况下该陀螺仪工作的差别、各坐标轴方向的转动对陀螺仪工作的不同影响.

硅微Z轴谐振陀螺仪闭环伺服控制系统设计

根据自行设计的硅微Z轴谐振陀螺仪的工作原理,提出了闭环伺服控制系统模型,在对开环检测模型分析的基础上设计了闭环伺服控制系统,并用Matlab软件对闭环伺服系统的频域和时域特性进行了仿真分析,选取了合适的校正环节及优化参数,使系统有较高的稳定裕度和较好的动态特性。通过实验调试实现了初始检测电容差引起的信号以及正交信号的反馈抑制控制,达到了较高的控制精度。

硅微机械振动轮陀螺仪动力学

捻地了硅微机振动轮陀螺仪的动力学方程，给出了它的运动规律，分析了载体绕空间任意轴匀速旋转时干扰力矩所引起的漂移率。

振动轮式微机械陀螺仪微分方程模型及解的存在惟一性

通过振动轮式微机械陀螺仪的结构示意图,详细介绍了该陀螺仪的工作特点.利用欧拉动力学方程给出了该陀螺仪的数学模型.利用常微分方程组解的存在性定理,讨论了解的存在惟一性,并利用振动轮式微机械陀螺仪的基本工作特点对该微分方程模型进行了简化.

框架式硅微陀螺仪的数学模型及工作状况分析

介绍了框架式硅微角振动陀螺仪的工作原理,给出了框架式硅微角振动陀螺仪的工作原理图和结构示意图。利用刚体转动的欧拉动力学方程,经过严格的力学分析和严密的数学演算,推导了框架式硅微角振动陀螺仪工作时,陀螺仪的基座与外框架之间的夹角θ和内框架、外框架之间夹角的关系的一个微分方程模型。并对该数学模型进行了简化,得到了近似解,最后利用近似解分析了框架式硅微角振动陀螺仪的基本工作规律。

微型振动陀螺仪驱动电路的设计与优化

微陀螺驱动电压的频率和幅值稳定性是影响微陀螺工作性能的重要因素.针对微型振动陀螺仪的驱动电路设计问题,采用DSP的脉宽调制(PWM)功能发出正弦波,并采用闭环推挽式驱动控制方式,实现了驱动电压频率和幅值的高稳定性.同时对驱动电路中的带通滤波电路采用了最优化设计方法使得所设计的电路比原来的电路的带宽下降了50%.