液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺靜電伺服技術(shù)研究.pdf

1、本論文提出的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺利用懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺的工作原理，又不同于磁懸浮和靜電懸浮微陀螺。它采用磁驅(qū)動(dòng)使其在液體腔體中高速旋轉(zhuǎn)。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于可以利用轉(zhuǎn)子在液體中的浮力來(lái)減少所需的靜電電壓。此外，雖然和真空相比，轉(zhuǎn)子在液體中所受到的阻力會(huì)較大一些，但是其穩(wěn)定性更好。同時(shí)利用超疏減阻技術(shù)能夠減少轉(zhuǎn)子所受到的阻力。在此基礎(chǔ)上結(jié)合靜電伺服技術(shù)，有效提高陀螺精度和工作性能。所以本論文從靜電伺服系統(tǒng)入手，利用有限元分析軟件仿真，模擬整個(gè)系統(tǒng)的

2、工作情況，分析優(yōu)化陀螺結(jié)構(gòu)。
　　首先，對(duì)各類(lèi)懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺做簡(jiǎn)單概述，并對(duì)本論文所涉及的液浮轉(zhuǎn)子式微陀螺靜電伺服系統(tǒng)的工作原理、控制電路、圓盤(pán)轉(zhuǎn)子的流動(dòng)性做了詳細(xì)介紹，并列出靜電伺服系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖。在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有一定了解之后，不難看出，圓盤(pán)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和控制電極結(jié)構(gòu)對(duì)靜電伺服系統(tǒng)起著重要作用和影響。
　　其次，為了得到更高的陀螺精度和更穩(wěn)定的懸浮系統(tǒng)，本論文計(jì)算并仿真轉(zhuǎn)子半徑和轉(zhuǎn)子高度、工作角速度以及轉(zhuǎn)子角動(dòng)量的關(guān)系，得

3、到最優(yōu)的轉(zhuǎn)子半徑尺寸，本論文采取的轉(zhuǎn)子半徑尺寸為7.5mm。除此之外，還重點(diǎn)對(duì)控制電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，公共電極半徑和轉(zhuǎn)子半徑的比值為0.33時(shí)，轉(zhuǎn)子所受到的靜電力矩達(dá)到最大。同時(shí)，對(duì)控制電極采用圓角處理，降低擊穿的可能性，達(dá)到優(yōu)化控制電極的目的。
　　最后，針對(duì)轉(zhuǎn)子及控制電極優(yōu)化后結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)控制器，達(dá)到靜電伺服的效果。本論文首先利用超前-滯后PID算法，該算法的特點(diǎn)是利用低通濾波器，可以有效濾除高頻噪聲，提高PID控制器的性能。通過(guò)

4、有限元分析，控制器的超調(diào)量達(dá)到7％，調(diào)整時(shí)間為5.3s。但是，該算法無(wú)法滿(mǎn)足懸浮系統(tǒng)的非線(xiàn)性，存在不穩(wěn)定性。所以本論文又應(yīng)用了模糊PID控制算法，結(jié)合Simulink進(jìn)行靜電伺服系統(tǒng)仿真。通過(guò)仿真結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模糊PID控制器能夠更好地、有效地適合微陀螺的非線(xiàn)性及其復(fù)雜性。能夠快速調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子，使其回到平衡位置，調(diào)整時(shí)間為0.52s，超調(diào)量為6.4%，對(duì)比之前的超前-滯后PID控制器，該控制器在使轉(zhuǎn)子快速回到平衡位置后能夠保持零位，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定