探讨微机电混合陀螺仪的系统设计与仿真

时间:2022-10-06 08:40:58

探讨微机电混合陀螺仪的系统设计与仿真

摘要:本文以微机电混合陀螺仪装置为研究对象,从微机电混合陀螺仪装置基本工作原理分析、微机电混合陀螺仪装置接口电路设计分析以及微机电混合陀螺仪装置仿真分析这三个方面入手,围绕微机电混合陀螺仪的系统设计与仿真这一中心问题展开了较为详细的分析与阐述,希望能够引起相关人员的关注与重视。

关键词:微机电混合陀螺仪工作原理接口电路设计仿真分析

中图分类号:S611 文献标识码:A 文章编号:

大量的实践研究结果证实:陀螺能够在相当长的一段时间范围内保持既定方位的稳定性,并能够针对载体角位移程度以及角速度变化情况予以及时反映。基于这一特性,陀螺现阶段的大量应用于工业化建设的方方面面当中。同传统意义上的机电陀螺仪装置相比,一种基于微电子及集成智能化技术的微机电混合陀螺仪装置以其所特有的低成本、大批量生产以及尺寸小等诸多优势而备受各方工作人员的特别关注与重视。本文基于对微机电混合陀螺仪装置工作原理的分析,提出了一种接口电路的设计方式,并仿真验证其可行性。现对其做详细分析与说明。

一、微机电混合陀螺仪装置基本工作原理分析

在当前技术条件支持下,整个微机电混合陀螺仪装置的基本结构如下图所示(见图1)。由图中所示结构不难发现:在整个微机电混合陀螺仪装置处于正常运转状态的情况下,与之相对应的电机装置能够驱动陀螺仪装置与平衡环装置保持高速且稳定的旋转动作,从而产生较为明显的动量矩。在如图1右下角位置所示x/y方向出现角速度输入的情况下,转子自转轴势必会产生一定程度上的偏转。而相对于整个微机电混合陀螺仪装置而言,这种偏转将引起信号检测极板与陀螺转子相对应的电容参数出现明显变动。借助于电容信号检测将这部分电容参数予以完整提取,即可以获取在输入角速度既定状态下的转角大小参数。更为关键的一点在于:为确保陀螺转子在整个微机电混合陀螺仪装置的运行过程中能够始终保持为静态平衡状态,则应当以力矩反馈极板为在载体,将一定数值的静电力矩施加在陀螺转子之上。在陀螺转子接受这部分静电力矩的过程当中所产生的修正效应以及补偿效应能够辅助对输入角速度的测定作业。基于以上分析,在剔除二次谐波力矩作用力以及陀螺阻尼力矩作用力相对于微机电混合陀螺仪装置的运行影响情况下,其运动方程可以作如下表述:[(转子绕x/y轴转动惯量+平衡环绕x/y轴转动惯量/2)×(自转轴绕陀螺仪坐标系ox轴正向运动相对于驱动轴的角加速度)]+[陀螺仪角动量参数×自转轴绕陀螺仪坐标系oy轴正向运动相对于驱动轴的角速度]+[剩余刚度项×自转轴绕陀螺仪坐标系ox轴正向运动相对于驱动轴的转角角度]=作用于陀螺转子外置外力矩在坐标系ox轴上的分量参数-[(转子绕x/y轴转动惯量+平衡环绕x/y轴转动惯量/2)×陀螺仪相对于惯性空间角加速度在坐标系ox轴上的分量参数]-(陀螺仪角动量参数×陀螺仪相对于惯性空间角速度在坐标系oy轴上的分量参数)。通过对微机电混合陀螺仪装置运动方程的分析,可以对其进行简单定义,即微机电混合陀螺仪装置是一个能够同时针对x轴及y轴方向输入角速度进行测定的二自由度陀螺仪装置。

图1:微机电混合陀螺仪装置基本结构示意图

二、微机电混合陀螺仪装置接口电路设计分析

在整个微机电混合陀螺仪装置系统设计过程中,机电接口应当重点关注上检测电极、下检测电极以及转子、平衡环间的对应关系。在微机电混合陀螺仪装置进行信号检测的过程当中,能够通过对大小均等、频率均等高频载波信号的内环输入实现检测目的。在此种载波信号的施加作用之下,上下检测电极外环位置还同时受到村子啊平衡力矩作用力的微机电混合陀螺仪装置反馈电压当中。这部分施加电压与所输入高频载波信号均负载在同一电极当中,借助于此种方式能够实现整个机电接口位置直流偏置信号、常值电容信号、反馈电压信号以及检测电容信号的均衡性作业。基于以上分析需要认识到一点问题:在针对微机电混合陀螺仪装置进行系统设计的过程当中,若假定存在寄生电容,则在整个有关接口电路的设计过程当中需要重点关注一点:即在频率一定的载波信号施加并有效覆盖于微机电混合陀螺仪装置外环电极的状态下,中间公共点击所产生电位数值与所施加载波信号见的对应关系。此过程当中需要重视放大器反相输入端虚地数值的特性,获取差动电容传感器在反馈阻抗既定状态下的输出电压参数,基于以上分析所确定的微机电混合陀螺仪装置接口电路设计示意图基本如下图所示(见图2)。从图中相关结构不难发现:在微机电混合陀螺仪装置的正常运行状态下,通过对电容参数的实时控制与调节能够很好的提高信号灵敏性。

图2:微机电混合陀螺仪装置接口电路设计示意图

三、微机电混合陀螺仪装置仿真分析

本文所例举仿真试验在微机电混合陀螺仪装置保持开环状态下运行,其目的在于通过仿真实验分析并验证残余刚度相对于整个微机电混合陀螺仪运行系统的影响程度。具体的仿真方式如下:在保持微机电混合陀螺仪装置处于开环作业状态的情况下,假定充分加工后整个结构的残余刚度保持在0.22468mN·m/rad单位,并且剔除外力矩作用力以及角速度输入对残余刚度的影响问题。在此种假定情况作用之下,本文所构建的微机电混合陀螺仪装置运动方程中包括①.陀螺仪相对于惯性空间角速度在坐标系oy轴上的分量参数;②.陀螺仪相对于惯性空间角加速度在坐标系ox轴上的分量参数;③.作用于陀螺转子外置外力矩在坐标系ox轴上的分量参数在内的相关指标均表现为零值状态。在以上仿真前提下,陀螺转子自转轴绕陀螺仪坐标系ox轴正向相对于驱动轴的转角(以下定义为a)以及陀螺转子自转轴绕陀螺仪坐标系oy轴正向相对于驱动轴的转角(以下定义为b)的运动关系表现为下图(见图3)。从图中不难发现:在剩余刚度项保持在非零状态的情况下,a、b转角作相对调谐振动,这也就意味着转子自转轴在整个微机电混合陀螺仪装置中做进动运动。而在a、b转角呈现出完全调谐关系的情况下,以上两转角指标均表现为初值状态,也就意味着转子自转轴在整个微机电混合陀螺仪装置中能够保持原方位上的稳定状态。在此基础之上,借助于Matlab实现对微机电混合陀螺仪运行系统的仿真处理,通过对输入角速度参数的控制,所得到的仿真结果证实:在过渡平衡状态下,a、b转角基本表现为零值状态,确保了整个微机电混合陀螺仪装置闭环控制的有效性,仿真效果显著。

图3:微机电混合陀螺仪装置开环状态下转角运动规律示意图

(a)转角a运动规律示意图

(b)转角b运动规律示意图

参考文献:

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