微机电混合陀螺仪的系统设计与仿真

　　陀螺具有保持给定方位并能反映载体角位移或角速度的能力,所以在惯导系统等诸多领域获得广泛应用.相对传统机电陀螺仪,硅微机械陀螺仪具有尺寸小、重量轻、成本低和适宜大批量生产等优点,但是从目前的发展情况看,硅微机械陀螺仪还处于1~100(°) /h的中低精度阶段,要实现中高精度还需要一个较长的发展过程[1-3].而传统的机电陀螺仪,如动力调谐陀螺仪,其精度较高,零偏稳定性在0·001~1(°) /h,但其体积大、质量重、价格较高,且其加工、装配、调谐极其复杂.因此,市场应用迫切需求一种体积较小、价格较低,而性能指标与昂贵的机电陀螺仪相当的新型陀螺仪[4-6].微机电混合陀螺仪的研究正是为了满足这一应用需求.微机电混合陀螺仪最初是2003年由美国Jenkins等提出来的[7],目前,其理论研究在许多国家都有探讨.微机电混合陀螺仪设计原理采用传统的动力调谐方式,但信号检测和力矩反馈则采用硅微陀螺仪的电容检测和反馈方式.因此,该陀螺仪既具有实现传统动力调谐陀螺仪较高精度的潜力(其理论精度可达到0·005(°) /h),又具有硅微陀螺仪体积小、价格低等优点,其大小相当于动力调谐陀螺仪的1/5,具有很强的市场竞争力.

　　1　基本原理

　　微机电混合陀螺仪的结构如图1所示[8].陀螺转子和平衡环在电机的驱动下高速旋转,获得较大的动量矩,当有沿x /y方向的角速度输入时,转子自转轴发生偏转,导致陀螺转子与信号检测极板间电容发生改变,通过电容信号检测将变化电容提取出来就可以获得转角大小.为了使陀螺转子始终工作在静态平衡位置,通过力矩反馈极板对陀螺转子施加静电力矩,产生修正和补偿效应,并间接用以测量陀螺仪输入角速度.忽略陀螺阻尼力矩和二次谐波力矩等次要因素时,微机电混合陀螺仪的运动方程为[5]

　　式中,H为陀螺仪的角动量;J =Je+Ie/2,Je为转子绕x或y轴的转动惯量,Ie为平衡环绕x或y轴的转动惯量;ΔK =Kp-(Ie-Iz/2).φ2为剩余刚度项,Iz为平衡环绕z轴的转动惯量,.φ为驱动电机旋转角速度,Kp为内外纽杆刚度系数;β,.β,¨β和α,.α,¨α分别为陀螺转子自转轴绕陀螺仪壳体坐标系oxyz的ox轴和oy轴正向相对驱动轴的转角、角速度、角加速度;.y,¨y和.x,¨x分别为陀螺仪壳体相对惯性空间的运动角速度、角加速度在壳体坐标系oxyz的ox轴和oy的分量;Mx和My分别为作用于陀螺转子上的外力矩在陀螺仪壳体坐标系oxyz的ox,oy轴上的分量.由上述方程可知,微机电混合陀螺仪是一个二自由度陀螺仪,可以同时测量x /y方向的输入角速度.

　　2　接口电路