雙質(zhì)量硅微陀螺儀自適應控制技術研究.pdf

1、硅微陀螺儀是一種測量轉動角速度的新型慣性傳感器，與傳統(tǒng)的機電類陀螺和光電類陀螺相比，具有體積小、成本低、重量輕、可靠性高等優(yōu)點，在軍民兩用領域有著重要的使用價值和廣闊的應用前景?；谀壳暗脑O計和加工水平，國內(nèi)硅微陀螺儀的研究進展相對較慢，主要以單質(zhì)量的結構樣機為主。單質(zhì)量硅微陀螺儀容易受到軸向加速度的干擾，環(huán)境適應性差。從工程使用的實際角度考慮，提高硅微陀螺儀可靠性方法之一是設計雙質(zhì)量的結構消除共模干擾。由于機械加工的非理想因素，雙質(zhì)量

2、硅微陀螺儀兩驅(qū)動模態(tài)和檢測模態(tài)的結構參數(shù)難以一致，與設計結果有一定誤差，引起結構不對稱和靜電耦合等，嚴重影響了陀螺的工作性能。因此，采用特定的控制方法，有效消除各種寄生效應和誤差，是提高雙質(zhì)量硅微陀螺儀性能和可靠性的關鍵技術之一。
　　論文以提高硅微陀螺儀性能和可靠性為目的，以本實驗室研制的雙質(zhì)量硅微陀螺儀為研究對象，運用自適應控制技術對雙質(zhì)量硅微陀螺儀測控系統(tǒng)進行了深入的分析和研究。論文的主要工作概括為以下幾個方面:
　　

3、(1)對目前國內(nèi)外雙質(zhì)量硅微陀螺儀的結構設計和系統(tǒng)控制方法進行了概述，分析了各自的優(yōu)缺點。
　　(2)系統(tǒng)地研究了雙質(zhì)量硅微陀螺儀的同頻同幅反向驅(qū)動和差分檢測工作機理。分析了兩驅(qū)動模態(tài)的振動幅度、頻率和相位的不一致以及驅(qū)動和敏感模態(tài)的不匹配對陀螺儀檢測靈敏度和工作帶寬的影響，探討了不同的差分檢測方法對消除軸向加速度的實際效果。
　　(3)設計了雙質(zhì)量硅微陀螺儀的自適應閉環(huán)驅(qū)動電路。為滿足雙質(zhì)量硅微陀螺儀同頻同幅反向驅(qū)動條件，

4、在比較分析硅微陀螺儀基于鎖相環(huán)閉環(huán)驅(qū)動和自激驅(qū)動的基礎上，提出的自適應閉環(huán)驅(qū)動是一種相位和增益控制解耦的新型驅(qū)動方案。通過自適應調(diào)諧，使陀螺儀驅(qū)動模態(tài)諧振于給定的信號頻率，同時引入自動增益控制環(huán)節(jié)，使振動幅值維持恒定。仿真和實驗結果表明，該自適應驅(qū)動方法能夠?qū)崿F(xiàn)陀螺儀兩驅(qū)動模態(tài)的同頻同幅反向驅(qū)動，且能保持很高的頻率和幅度穩(wěn)定性。
　　(4)設計了雙質(zhì)量硅微陀螺儀的自適應閉環(huán)檢測電路。為有效提取角速度信息和抑制正交誤差干擾，基于經(jīng)典

5、的硅微加速度計力平衡反饋理論，分析比較了硅微陀螺儀交流校正閉環(huán)檢測方法和“解調(diào)-直流校正-再調(diào)制”閉環(huán)檢測方法的優(yōu)缺點，在此基礎上設計了一種新型力平衡自適應閉環(huán)檢測方案。該方案的整個工作過程主要是提取和控制包絡信號，克服了交流校正閉環(huán)檢測電路的不穩(wěn)定性和“解調(diào)-直流校正-再調(diào)制”閉環(huán)檢測方法的復雜性，在抑制正交誤差的同時，通過同步相敏解調(diào)提取角速度信號。
　　(5)研究了雙質(zhì)量硅微陀螺儀標度因數(shù)的自適應調(diào)整方法。在自適應閉環(huán)驅(qū)動電

6、路和閉環(huán)檢測電路之間設計了硅微陀螺儀標度因數(shù)的自適應調(diào)整環(huán)路，該環(huán)路通過提取角速度信號自動調(diào)整驅(qū)動環(huán)路中幅度控制參考電壓，來改變驅(qū)動振動位移幅度，進而調(diào)整系統(tǒng)的標度因數(shù)。
　　(6)測試了雙質(zhì)量硅微陀螺儀驅(qū)動模態(tài)各振型的幅頻響應特性，為系統(tǒng)的控制參數(shù)設計提供依據(jù)。給出了雙質(zhì)量硅微陀螺儀自適應閉環(huán)驅(qū)動和閉環(huán)檢測的實驗結果，結果表明陀螺儀兩個驅(qū)動模態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)同頻同幅反向振動，達到了較高的驅(qū)動頻率和幅度穩(wěn)定性。通過施加軸向加速度干擾實驗