微机械石英音叉陀螺驱动稳定控制技术

论文摘要

微机械陀螺是一种新型的微机械振动角速度传感器,由于具有体积小、重量轻、功耗低、抗过载能力强、能适用于较为恶劣的工作环境等优点,微机械陀螺逐渐在军事领域和商业应用方面显示了广阔的前景。但微机械陀螺精度低,属于中低精度陀螺,适应不了更高要求的场合,因此提高精度成为研究微机械陀螺的关键问题。石英音叉陀螺是微机械陀螺的一种,主要由陀螺表头、驱动电路和检测电路三部分组成。本文以微石英音叉陀螺为研究对象,求出了陀螺的等效参数,确定了陀螺的最佳工作点,实现了陀螺的锁相环驱动方法,提高了陀螺敏感输出信号的稳定性,主要内容如下:1.分析了陀螺的等效电路,推出等效电路中串联支路电流等效于叉指的机械振动线速度,介绍了导纳圆及其在求解陀螺谐振频率点中的应用;2.分析了陀螺实际应用电路中采样电阻的电容特性对求解陀螺谐振频率点的影响;理论证明了采样电阻的电容特性使陀螺相频曲线发生移动,该移动使实际求得的陀螺的三个谐振频率点之间的关系与理论值之间的关系不相符;介绍了基于Householder变换的最小二乘法;设计了基于LabVIEW的扫频试验平台并对陀螺进行扫频;针对考虑和不考虑采样电阻的等效电容两种情况建立了陀螺在连接电路中的两种模型,根据扫频数据利用基于Householder变换的最小二乘法求出了陀螺两组等效参数,利用等效参数进行仿真并与实际结果进行比较得到结论:采样电阻的电容特性使陀螺的相频曲线发生移动,必须考虑采样电阻的等效电容才能较准确地求解陀螺的等效参数,这是文章的创新点之一;3.根据陀螺的等效参数分别从陀螺的驱动端和敏感端确定了陀螺的最佳工作点。从驱动端看,陀螺在不同频率点处有不同的性能,通过理论分析得出串联谐振频率点处叉指振动受频率抖动影响最小的结论,串联谐振频率点为最佳工作点;从敏感端看,当陀螺有相同的外界角速度输入时敏感输出幅值最大点对应的陀螺灵敏度最大,为陀螺的最佳工作点。通过陀螺的等效参数求出了灵敏度最大处的频率点,该点与陀螺的串联谐振频率点一致,因此,串联谐振频率点为陀螺的最佳工作点,从驱动端和敏感端确定陀螺的最佳工作点是文章的创新点之二;4.分析了方波驱动在陀螺驱动中的不足:方波中的高频成分通过陀螺的各种耦合对陀螺敏感输出有影响,给出了方波驱动时等效静态电容的微分作用对陀螺驱动端、敏感端检测信号的影响结果。设计了基于LabVIEW的锁相环驱动控制和基于锁定放大器的锁相环驱动控制,分别用两种驱动控制方式使陀螺工作在不同的谐振频率点,通过比较看出两种控制方法中串联谐振频率点处敏感信号最稳定,基于LabVIEW的锁相环控制和基于锁定放大器的锁相环控制20分钟内陀螺敏感输出信号的标准差分别为: 6.167353e-005v,6.596771e-005v。但基于锁定放大器的锁相环控制采样率明显高于基于LabVIEW的锁相环控制,因此,相比之下石英音叉陀螺较理想的驱动方法为基于锁定放大器的锁相环控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.1.1 选题背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的主要内容和结构安排
• 第二章 石英音叉陀螺的基本原理
• 2.1 石英音叉陀螺的原理
• 2.2 石英音叉陀螺的灵敏度
• 2.3 本章小结
• 第三章 石英音叉陀螺等效参数的测量
• 3.1 石英音叉陀螺的等效电路与导纳圆
• 3.1.1 石英音叉陀螺的等效电路
• 3.1.2 导纳圆
• 3.2 石英音叉陀螺实际连接电路的分析
• 3.2.1 石英音叉陀螺连接电路的分析
• 3.2.2 石英音叉陀螺谐振频率点的实测结果
• 3.3 最小二乘法及病态方程求解
• 3.4 石英音叉陀螺的扫频试验
• 3.4.1 试验设备
• 3.4.2 基于LabVIEW的扫频试验平台设计
• 3.5 石英音叉陀螺等效参数求解及仿真分析
• 3.5.1 考虑采样电阻的电容特性建模求解陀螺等效参数
• 3.5.2 不考虑采样电阻的电容特性建模求解陀螺等效参数
• 3.6 本章小结
• 第四章 石英音叉陀螺最佳谐振频率点的确定
• 4.1 驱动端确定陀螺的最佳谐振频率点
• 4.2 敏感端确定陀螺的最佳谐振频率点
• 4.3 本章小结
• 第五章 石英音叉陀螺控制方法的实现及试验结果
• 5.1 石英音叉陀螺方波驱动的分析
• 5.1.1 方波驱动原理
• 5.1.2 耦合影响
• 5.2 基于LabVIEW的石英音叉陀螺锁相环控制的设计
• 5.3 基于锁定放大器的石英音叉陀螺锁相环控制的实现
• 5.3.1 锁相环原理
• 5.3.2 基于锁定放大器的锁相环控制方法的实现
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论及展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文