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原文传递双自由度硅微振动陀螺仪测控技术研究

论文题名：	双自由度硅微振动陀螺仪测控技术研究
关键词：	硅微振动陀螺仪;谐振器;弱信号检测;闭环控制;高斯控制器;卡尔曼滤波器
摘要：	硅微惯性器件作为一种重要的微机电系统(MEMS)，在国民经济和国防军事领域具有广泛的使用价值和应用前景。为此，世界强国在过去的十几年中投入了大量人力和物力进行深入研究，并取得较为显著的进展。本论文在广泛研究国内外微惯性器件最新技术的基础上，提出了一种结构新颖的双自由度硅微振动陀螺仪，并对它的工作机理、恒频恒幅驱动技术、微弱信号检测方法和力反馈闭环控制技术作了深入研究。具体归纳如下： 1．双自由度硅微振动陀螺仪的工作机理。从陀螺仪基本理论出发，提出了一种结构新颖的双自由度硅微振动陀螺仪，并分析了它的结构与工作机理；建立了它的动力学模型：设计了它的新结构，并完成了试验样品制作。研究表明，该振动陀螺仪存在三个主要的工作模态：驱动工作模态、x轴敏感输出模态和y轴敏感输出模态；驱动工作模态和敏感输出模态均是衰减振动和简谐振动的复合运动，模态振动频率都由驱动信号频率决定：当驱动信号频率与驱动模态、敏感模态固有频率一致时，驱动模态和敏感模态均处于谐振状态，此时系统输出信号最强。该振动陀螺仪存在交叉耦合运动。为了消除这种运动的影响，论文提出了陀螺仪结构设计准则。通过对称结构优化设计，从根本上消除了该振动陀螺仪的运动耦合，实现了陀螺仪x轴敏感运动和y轴敏感运动的相互独立，其运动特性与单自由度振动陀螺仪基本相同，这为陀螺仪实现闭环控制打下基础。从该振动陀螺仪运动方程出发，研究了运动物体角加速度引起的陀螺仪误差信号和运动物体角速度引起的陀螺仪误差信号的频率特性和相位特性，提出了以相敏解调和滤波技术为核心的信号处理办法，基本上消除了这两类误差对陀螺仪性能的影响。 2．双自由度硅微振动陀螺仪的驱动技术。从双自由度硅微振动陀螺仪运动方程出发，提出了该振动陀螺仪性能在很大程度上取决于陀螺仪驱动模态工作状况的观点。为了保证陀螺仪恒频恒幅驱动振动，论文研究了两种陀螺仪驱动控制方法以实现驱动运动恒频恒幅。一种是基于频率锁相控制(PLL)技术和幅度反馈控制(AGC)技术的恒频恒幅控制方法，另一种是自激振荡方法，并设计了相应的电子线路。 3.双自由度硅微振动陀螺仪的输出信号检测技术。研究了采用电容式信号器检测硅微振动陀螺仪敏感输出角位移的方法，提出了消除或减小边缘效应、杂散电容和分布电容的措施。研究了三种电容检测转换电路。第一种是低阻抗反相电荷放大电路，第二种是高阻抗同相电荷放大电路，最后一种是反馈电荷放大电路。在此基础上，提出了一种实用的、带有高通性质的电容检测前置放大电路。同时分析了陀螺仪热噪声特性和前置放大电路噪声特性，提出了相应的降噪措施。以频域信号的窄带化技术和时域信号的平均处理两种方法为基础，将相干检测和同步积分相结合，充分抑制陀螺仪前放输出噪声，进一步提高系统交流放大增益，相应减小直流放大增益以抑制直流漂移对检测输出信号的影响。在此基础上，设计了同步积分器和相敏解调器为核心的同步检测电路，并制作了电子检测线路。 4.双自由度硅微振动陀螺仪的反馈控制技术。在研究硅微振动陀螺仪系统噪声和量测噪声的基础上，运用状态反馈设计思想，将二次型高斯控制方法应用于双自由度硅微振动陀螺仪闭环控制中，设计了陀螺仪二次型最优控制系统；引入卡尔曼滤波器进行系统状态变量输出估计，同时滤除系统过程噪声和量测噪声，保证系统具有一定的鲁棒性；运用matlab系统，进行了系统频域和时域仿真。
作者：	苏岩
专业：	精密仪器及机械
导师：	周百令
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2001
正文语种：	中文