微型半球諧振陀螺儀設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u15544微型半球諧振陀螺儀設(shè)計(jì)案例 1181751.1微半球諧振子結(jié)構(gòu)與模態(tài)分析 1151741.2微半球諧振陀螺驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析 4114061.2.1鎖相環(huán)設(shè)計(jì) 561551.2.2幅度控制模塊設(shè)計(jì) 6231741.3微半球諧振陀螺檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析 7微半球諧振子結(jié)構(gòu)與模態(tài)分析 在微半球諧振子結(jié)構(gòu)的最初探索之中都套用了半球諧振子的基本結(jié)構(gòu)，本文就對(duì)幾個(gè)基本結(jié)構(gòu)在同等材料和相同維度的尺寸下進(jìn)行模態(tài)分析，進(jìn)一步選出最優(yōu)的半球諧振子結(jié)構(gòu)。微半球諧振子最關(guān)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(wú)外沿的半球殼以及不到90度的半球殼，對(duì)于它的支撐桿有三種經(jīng)典的方案，半球殼下、半球殼內(nèi)和穿過(guò)半球殼。再分別將它們結(jié)合起來(lái)，對(duì)微半球諧振子在ANSYS中進(jìn)行模態(tài)分析[1,19]。圖3.1結(jié)構(gòu)a圖3.2結(jié)構(gòu)b圖3.3結(jié)構(gòu)c圖3.4結(jié)構(gòu)d圖3.5結(jié)構(gòu)e表3.1驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)對(duì)比驅(qū)動(dòng)模態(tài)頻率（Hz）檢測(cè)模態(tài)頻率（Hz）頻率裂解（Hz）結(jié)構(gòu)a155271556538結(jié)構(gòu)b154171547460結(jié)構(gòu)c150871516073結(jié)構(gòu)d432164329175結(jié)構(gòu)e2541025997587表3.2干擾模態(tài)對(duì)比驅(qū)動(dòng)模態(tài)頻率（Hz）三階模態(tài)頻率（Hz）和驅(qū)動(dòng)模態(tài)頻差（Hz）結(jié)構(gòu)a155273948323956結(jié)構(gòu)b154173871423297結(jié)構(gòu)c150873257317486結(jié)構(gòu)d43216140943結(jié)構(gòu)e254105967934269表3.3結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)材料名稱密度楊氏模量泊松比Si2.33g/cm3170Gpa0.3 首先，顯而易見(jiàn)的是結(jié)構(gòu)a到c的球殼改變不大，那么就先將c作為代表來(lái)和de一起分析球殼結(jié)構(gòu)的利弊。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)e的頻率裂解過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)模態(tài)的振動(dòng)響應(yīng)很小，不利于作為陀螺儀的諧振結(jié)構(gòu)。再看結(jié)構(gòu)c和d的干擾模態(tài)，結(jié)構(gòu)d距離干擾模態(tài)很大，可以說(shuō)不可能激發(fā)出三階的諧振模態(tài)，但在模態(tài)分析的過(guò)程中如圖3.4所示，我們可以看到由于球殼有外沿，導(dǎo)致更容易出現(xiàn)相對(duì)于支撐桿的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，這對(duì)陀螺儀的穩(wěn)定工作來(lái)說(shuō)有著致命的影響。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)c的驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率要比結(jié)構(gòu)d低接近100%，這意味著采取結(jié)構(gòu)c這樣的諧振結(jié)構(gòu)可以更節(jié)約能量。也就是會(huì)更簡(jiǎn)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(lái)看，想要實(shí)現(xiàn)半球殼加外沿的大批量生產(chǎn)的技術(shù)難度是非常高的。 回去來(lái)看支撐桿的結(jié)構(gòu)改變對(duì)數(shù)據(jù)的影響，我們可以看到在采取結(jié)構(gòu)a的數(shù)據(jù)都要略優(yōu)于其他兩個(gè)結(jié)構(gòu)。不管是頻率裂解還是與干擾模態(tài)的頻差都要好與結(jié)構(gòu)b和結(jié)構(gòu)c。因此設(shè)計(jì)一個(gè)微半球諧振陀螺的諧振子，本文會(huì)采用如結(jié)構(gòu)a這樣的結(jié)構(gòu)。 對(duì)于微半球諧振陀螺的電容裝配問(wèn)題，為了配合本文后續(xù)的驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，陀螺儀的電極裝配為8個(gè)。分別在0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°。其中0°和180°的電極作用是驅(qū)動(dòng)陀螺儀起振并維持陀螺儀的驅(qū)動(dòng)模態(tài)穩(wěn)定。那么90°和270°的電極作用就是檢測(cè)陀螺儀驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)情況，轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并實(shí)時(shí)反饋加以控制。45°和225°的電極作用就是抑制檢測(cè)軸的振動(dòng)，維持陀螺儀振動(dòng)波形的穩(wěn)定。135°和315°的電極作用自然就是檢測(cè)檢測(cè)模態(tài)的振動(dòng)情況，并反饋檢測(cè)軸振動(dòng)信號(hào)同時(shí)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(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析 陀螺儀的驅(qū)動(dòng)方案分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種，雖然開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)很容易實(shí)現(xiàn)，可以很簡(jiǎn)單的使陀螺儀起振并振動(dòng)在諧振頻率，但這種方案不能保證后續(xù)的振動(dòng)的穩(wěn)定，有一些較輕微的擾動(dòng)就會(huì)對(duì)陀螺儀的工作產(chǎn)生很大的影響，相比之下，雖然閉環(huán)驅(qū)動(dòng)模態(tài)的陀螺儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)相對(duì)復(fù)雜，但能夠保證陀螺儀工作在穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下，本文設(shè)計(jì)的方案選定為閉環(huán)驅(qū)動(dòng)環(huán)路[17,18]。圖3.7驅(qū)動(dòng)回路控制示意圖 通過(guò)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(qū)動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)速度呈線性關(guān)系，在式（2-7）可以看到位移函數(shù)的導(dǎo)數(shù)就是速度，科氏力和驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振幅和振動(dòng)頻率還有角速度的乘積成正比。那么為了維持科氏力信號(hào)和角速度信號(hào)之間穩(wěn)定的線性關(guān)系，就需要使驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率為定值。同時(shí)根據(jù)第二章的動(dòng)力學(xué)方程的分析，可以得知要使得驅(qū)動(dòng)模態(tài)振幅最大就要使陀螺振動(dòng)在他的諧振頻率上，即陀螺做受迫振動(dòng)的外力和驅(qū)動(dòng)模態(tài)諧振頻率相同。那么通過(guò)分析得出為了陀螺正常工作，需要讓它的驅(qū)動(dòng)模態(tài)在其諧振頻率上以固定幅度進(jìn)行振蕩。 在本文中為了解決信號(hào)的控制問(wèn)題，決定采用鎖相環(huán)模塊和幅度控制模塊來(lái)對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)。先簡(jiǎn)述驅(qū)動(dòng)框圖，驅(qū)動(dòng)模態(tài)產(chǎn)生振蕩后，從而引起電容變化檢測(cè)到電壓信號(hào)。電壓信號(hào)進(jìn)入到鎖相環(huán)（PLL）模塊，將信號(hào)的頻率穩(wěn)定下來(lái)，之后進(jìn)入到幅度控制模塊，在頻率穩(wěn)定的前提下，通過(guò)和設(shè)定的幅度參考值進(jìn)行比較來(lái)穩(wěn)定振動(dòng)的幅度，從而得到頻率和幅度都穩(wěn)定的電壓信號(hào)，再轉(zhuǎn)換到力信號(hào)驅(qū)動(dòng)陀螺。鎖相環(huán)設(shè)計(jì) 為了保證陀螺工作時(shí)具有更完美的性能，需要使其穩(wěn)定工作在驅(qū)動(dòng)模態(tài)的固有頻率下，此時(shí)需要對(duì)其實(shí)時(shí)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，從其中提取出頻率和相位信號(hào)進(jìn)行鎖相環(huán)的負(fù)反饋控制，使得陀螺儀可以一直跟蹤驅(qū)動(dòng)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(jié)構(gòu)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(hào)，保留下相位信息通過(guò)壓控振蕩器根據(jù)輸入信號(hào)調(diào)整輸出信號(hào)的頻率和相位。圖3.8鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)圖 設(shè)輸入信號(hào)Vin=Acos(t+)，其中A為驅(qū)動(dòng)軸振動(dòng)的幅度。VCO輸出信號(hào)為V0=sin(0t)。二者相乘之后產(chǎn)生相位誤差信號(hào)：V1 其中，=0- 在經(jīng)過(guò)LPF之后得到直流電壓信號(hào)：v2 電壓信號(hào)到此就提取出了信號(hào)的相位差，再通過(guò)VCO（電壓控制振蕩器）由于V2而改變振蕩頻率，使VCO輸出信號(hào)和鑒相器輸入信號(hào)的頻率相位相等，達(dá)到信號(hào)頻率和相位被鎖定穩(wěn)定下來(lái)的效果。至此就可以保證通過(guò)鎖相環(huán)路的控制使驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率穩(wěn)定在驅(qū)動(dòng)模態(tài)的諧振頻率上，接下來(lái)要去解決信號(hào)中的另一個(gè)關(guān)鍵元素，幅度信號(hào)的穩(wěn)定。幅度控制模塊設(shè)計(jì) 穩(wěn)定工作在給定的穩(wěn)幅振動(dòng)條件下是為了保證陀螺儀正常工作和指標(biāo)的正常。但是振幅經(jīng)常會(huì)由于外界的影響出現(xiàn)各種偏差，此時(shí)添加一個(gè)幅度控制模塊來(lái)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(shè)計(jì)出來(lái)的負(fù)反饋電路。在幅度控制模塊工作時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)信號(hào)的幅度變化同時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)反饋調(diào)節(jié)。 在鎖相環(huán)模塊正常工作的時(shí)候，鎖相環(huán)模塊會(huì)跟蹤驅(qū)動(dòng)軸的振動(dòng)頻率，為了維持信號(hào)的振動(dòng)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(duì)象變?yōu)榉取Ｔ谡駝?dòng)幅度超過(guò)參考信號(hào)時(shí)，與Ref做差結(jié)果為負(fù)，經(jīng)過(guò)PI控制器后信號(hào)幅度減小，若振動(dòng)幅度小于Ref，做差后結(jié)果為正，經(jīng)過(guò)控制器后信號(hào)幅度增加，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺儀振動(dòng)模態(tài)振幅的維穩(wěn)控制。簡(jiǎn)要框圖如圖3.9所示。圖3.9幅度控制模塊結(jié)構(gòu)圖 鑒幅器和鑒相器類似，都采用模擬乘法器就可以實(shí)現(xiàn)。假設(shè)輸入的兩個(gè)信號(hào)為In1=Asin（1t），In2=sin（2t）。經(jīng)過(guò)乘法運(yùn)算后可以得到：ln1圖3.10相敏乘法器幅度解調(diào) 再通過(guò)低通濾波器濾除高頻信號(hào)后，得到輸出信號(hào)為Out=0.5*A（cos（1t-2t））。觀察當(dāng)輸入信號(hào)的相位一致時(shí)，即1=2時(shí)，可以得到輸出信號(hào)即為所求幅度A的0.5倍，由此可以發(fā)現(xiàn)通過(guò)模擬乘法器可以成功解調(diào)出原信號(hào)的幅度。這也是幅度控制回路中最關(guān)鍵的一步。 圖3.9中的Ref是驅(qū)動(dòng)振幅的設(shè)定值。幅度控制模塊可以被看做是一個(gè)完整的閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。在當(dāng)Ref值確定后，通過(guò)幅度控制模塊我們可以保證信號(hào)的幅度一直跟蹤Ref值并保持恒定，由于陀螺儀驅(qū)動(dòng)軸響應(yīng)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(dòng)啟動(dòng)速度。PI控制器的參數(shù)設(shè)定會(huì)在后續(xù)Matlab/Simulink的仿真之中通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)定出來(lái)。微半球諧振陀螺檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析 對(duì)于陀螺儀的檢測(cè)方案如第二章所描述的，通常分為兩種。開(kāi)環(huán)檢測(cè)和閉環(huán)檢測(cè)兩種檢測(cè)模式。那么本文選擇設(shè)計(jì)一種閉環(huán)檢測(cè)的系統(tǒng)，首先來(lái)闡述一下開(kāi)環(huán)檢測(cè)模式下陀螺儀會(huì)存在的一些弊端。開(kāi)環(huán)檢測(cè)模式下的陀螺儀檢測(cè)角速度的方式需要用到更多的電容，對(duì)陀螺儀的裝配來(lái)說(shuō)是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。同時(shí)這種檢測(cè)方案需要使陀螺儀的振動(dòng)波形產(chǎn)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，這種波形的進(jìn)動(dòng)也會(huì)對(duì)陀螺儀諧振結(jié)構(gòu)造成傷害。對(duì)于信號(hào)處理的方面來(lái)說(shuō)，由于波形的位置是進(jìn)動(dòng)的，也就是說(shuō)是不確定的，那么在解調(diào)時(shí)需要更多的信號(hào)處理階段，會(huì)更復(fù)雜。但開(kāi)環(huán)檢測(cè)方案也有優(yōu)點(diǎn)，這種方案下可以使陀螺儀直接測(cè)量模態(tài)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，有更大的測(cè)量動(dòng)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(cè)方式來(lái)對(duì)陀螺儀的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)[16,23,24]。 本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)回路如圖3.11所示。陀螺工作時(shí)，由于檢測(cè)軸受到由角速度和驅(qū)動(dòng)模態(tài)的振動(dòng)合成所引起的科氏力的影響，是檢測(cè)軸的電容端發(fā)生變化。通過(guò)電容檢測(cè)將此電容變化變?yōu)殡妷盒盘?hào)，利用鎖相環(huán)模塊提供的參考