悬浮转子式微机械陀螺仪的研究进展

介绍了一种不同于振动式微机械陀螺仪的新型微机电系统陀螺一悬浮转子式微机械陀螺仪,并就国内外关于磁悬浮转子微陀螺和静电悬浮转子微陀螺研究的各种结构及其工作原理、工艺和性能特点进行了概述,以展示这一新颖微陀螺的研究现状和发展趋势。     

微机械陀螺仪的新进展及发展趋势

微机械陀螺仪是陀螺技术和微电子机械系统(MEMS)技术结合产生的新一代惯性器件。根据其工作原理和采用材料的不同,微机械陀螺可分为硅基微机械振动陀螺(Si-MVGs)、微机械压电振动陀螺(PVGs)和悬浮转子式微机械陀螺等。该文介绍了微机械陀螺仪的主要参数指标和应用,对硅基微机械振动陀螺(Si-MVGs)、微机械压电振动陀螺(PVGs)和悬浮转子式微机械陀螺的最新研究进展作了综合性报道,讨论了微机械陀螺未来的发展趋势。     

静电驱动电容式微机械陀螺寄生Coriolis力的建模与分析

在静电驱动电容式微机械陀螺传感器结构的基础上,对寄生Coriolis力进行受力分析,建立了寄生Coriolis力的等效电学模型.比较分析了理想情况下微机械陀螺的等效电学模型以及包含寄生Coriolis力的等效电学模型,结果表明,对于静电驱动电容式微机械陀螺,寄生Coriolis力并不改变有用信号的频率及相位,对其峰峰值的衰减程度小于0.2‰.     

导航定位技术（自主式导航系统与组合导航）（续12）

electrostatically supported gyro一种双自由度自由转子陀螺，其角动量是由高速旋转的刚体转子产生的。转子被一个球形支承悬浮着。静电陀螺的主要特点就在于这个球形支承。与一般的滚珠轴承和宝石轴承不同，它是用静电场的力使陀螺球转子悬浮在一个超真空的球腔中心，故可称为静电轴承。由于球转子与外部没有任何机械连接和接触，     

静电悬浮转子微陀螺五自由度位置检测研究

给出了一种基于微机电系统(MEMS)技术的静电悬浮转子微陀螺,为了实现对静电悬浮转子微陀螺转子的五自由度(5-DOF)悬浮控制,需要对转子进行五自由度位置检测,首先介绍了微位移检测原理,提出了一种基于频分复用技术和开关解调技术的微位移检测方法,设计了基于直接数字频率合成(DDS)技术的多频率信号发生器、前置放大器及锁相放大器组成的位置测试系统,位移检测电路的各项性能指标能满足静电悬浮转子微陀螺的五自由度控制需要.     

静电悬浮转子微陀螺宏模型的提取和分析

静电悬浮转子微陀螺是一种新型陀螺,通过静电力控制转子使其自由悬浮在空腔中,利用有限元法提取转子在平动和翻转时的压膜阻尼.在考虑边缘效应的情况下,提取电容和位移的解析表达式.建立静电力方程,为系统级仿真模型提供阻尼和静电宏模型,以获得不同条件下微陀螺的控制分析结果.     

多环谐振式微机械陀螺频率跟踪电路研究

由于多环谐振式微机械陀螺的谐振频率较高,传统的数字控制电路对陀螺幅点信号的频率跟踪难以同时兼顾精度和速度的要求。在传统半球陀螺数字控制电路的基础上,提出了一种适用于多环谐振式微机械陀螺仪的频率跟踪电路,并首次运用于多环谐振式微机械陀螺。该电路以高速A/D转换电路为基础,通过对幅点信号高速采样计算频率和相位信息,并通过CORDIC算法产生输出信号。测试结果显示,该电路使多环谐振式微机械陀螺幅点信号的频率跟踪精度达到了0.78Hz,频率跟踪时间小于40μs,使控制电路的性能得到了极大提升。     

基于轴向支撑超声波悬浮高速电机的研究

设计了一种轴向支承电机转子的超声波悬浮支撑结构。采用圆锥型轴承超声悬浮支撑结构,并对承载能力进行了分析和测试,获得了悬浮力与悬浮间隙间的关系,在振动过程中形成稳定的承载气膜;从理论上分析了在超声悬浮支承条件下,悬浮间隙变化对于电机转子临界转速与振动模态的影响情况,对转子最高转速与悬浮间隙的关系进行了实验研究。结果表明,通过减小悬浮间隙,能增强间隙气膜的刚度支承效果,并提高转子的最高转速。     

大气下工作的微机械陀螺的设计及其噪声特性

设计了一种基于体微机械加工技术的新型音叉式微机械陀螺.该陀螺在驱动模态和检测模态的空气阻尼均为滑膜阻尼,有效提高了微机械陀螺的Q值和灵敏度,同时降低了陀螺的热机械噪声.对陀螺噪声特性进行的分析表明,该陀螺具有相对很低的热噪声.制作了陀螺芯片,并测试了其机械性能和噪声特性.结果表明,该陀螺的噪声谱密度不超过60μV/Hz,灵敏度为10mV/(°·s-1).该微机械陀螺有望实现较高的角速度分辨率.     

电容式z轴微机械陀螺的噪声抑制

将z轴微机械陀螺两个模态的机械噪声效应等效为各自在单位噪声力作用下的振动,根据陀螺的工作原理得到两个噪声力作用下陀螺敏感模态的机械输出噪声。建立了包含运放和电路板非理想因素在内的接口电路的噪声模型。结合机械噪声模型和接口电路模型噪声,建立了包括结构参数和电路最小检测电容量在内的陀螺的噪声等效输入角速度模型,为陀螺的设计优化提供了参考。分析了结构参数对陀螺等效输入角速度噪声影响,并采用两个参数不同的电容式z轴微机械陀螺进行了实验。结果表明,通过结构参数的调整,将电容式z轴微机械陀螺的输出噪声从414μV/Hz降低至235μV/Hz。     

Design and analysis of a novel wound rotor for a bearingless induction motor

The traditional squirrel-type bearingless induction motor (BIM) suspension winding generates induced current in its squirrel-cage rotor and affects the phase and amplitude of the suspension force. Based on the analysis of the spatial distribution of torque winding magnetic field and suspension winding magnetic field, a new type of wound rotor BIM is designed. Different from the squirrel-cage rotor, the wound rotor uses a special method of embedding a set of coils at any symmetrical four rotor slot positions, so as to only induce the torque winding magnetic field. The induced current, air-gap magnetic density, magnetic field line distribution, suspension force as well as electromagnetic torque of the traditional squirrel-cage motor and the new wound motor are analysed by Maxwell finite element calculation. The results show that the designed new wound BIM can not only effectively suppress the induced current of suspension winding, eliminating its influence on the suspension force, but also has a better starting performance.     

电磁型微马达的微转子研究

简要介绍了直径２ｍｍ电磁型微马达的结构和磁路。对微转子的设计和加工,多微磁极的写（充）入和均匀性进行分析和讨论。测量了不同充磁条件下的微转子剩余磁化强度和微转子之间的吸力。     

基于有限元分析的直流电机控制策略

无轴承无刷直流电机集成了直流和交流电机的优点,具有重要的实际应用价值,针对传统悬浮力控制方法存在工作复杂、逆变器通断频繁等缺陷,为了提高磁悬浮力的控制效果,提出了基于有限元分析的无轴承无刷直流电机悬浮力控制策略。首先对无轴承无刷直流电机的结构以及悬浮力产生的原理进行了分析,然后采用有限元分析法对电机转矩和悬浮力进行计算,从而实现无轴承无刷直流电机控制,最后采用Matlab/Simulink工具对其性能进行测试与验证。结果表明,本文策略可以提高转子悬浮的稳定性,能够保证无轴承无刷直流电机的正常运行。     

A magnetic flux model based method for detecting multi-DOF motion of a permanent magnet spherical motor

This paper presents a new method, referred to here as back-EMF method, for sensing the multi-DOF motion of a permanent magnet spherical motor (PMSM). With an explicit model characterizing the magnetic flux in the PMSM, a relationship between the electromotive force (EMF) induced in the winding of electro-magnets and the motion of the rotor permanent magnets is derived; and closed-form solutions that solves for multi-DOF Euler angles and angular velocities of the rotor are presented. This method allows for simultaneous estimation of both quantities in real-time by only measuring the voltages across the electro-magnets. Requiring no installation of additional sensors or fixtures on the rotor, the back-EMF method retains the structural simplicity of the PMSM. This method has been experimentally investigated on a prototype PMSM; the estimated Euler angles and angular velocities compare favorably with measurements from a commercialized gyroscope. As an immediate application, the motion states acquired using the back-EMF method are used for parameter estimation of the PMSM.     

MEMS永磁薄膜磁场的设计与仿真

由于在MEMS隧道磁阻微机械陀螺中需要一个较高磁场变化率的磁场,其检测模块主要是利用磁场的变化率对位移信息进行敏感,需要利用磁场的变化敏感质量块的位移,所以设计一个具有较高磁场变化率的磁场是十分有必要的。通过仿真分析,设计了一个MEMS隧道磁阻陀螺中应用的磁场,尺寸规格为500*500*20um,材料为钕铁硼,相对磁导率为1.18,表面剩磁为1.3T,充磁方向垂直于截面。在此设计规格下,永磁体选用面内方向作为检测方向,磁场的变化率最大可达到0.2 Oe/nm,并且在其他方向上磁场保持一定程度上的匀强,不对检测方向上的磁场产生干扰。     

一种新型径向磁浮轴承结构设计与磁场计算

在传统径向电磁轴承中,由于各电磁铁之间磁路相通而使磁场存在相互耦合,这将影响转轴的控制精度和动态响应,为此,提出一种新型的磁铁结构,解决了磁路耦合问题,并缩短了磁路长度.此外,当转子旋转时,磁场极性变化将使转子中产生涡流,此涡流将改变电磁轴承气隙回路中的磁场.利用ANSYS有限元分析软件,以实验样机系统为例,进行了相应的分析和计算.结果表明,随着转速的增加,涡流场将向磁极的后缘和表面集中,电磁吸力减小,而磁阻力增加.实际应用中应尽量选择相对磁导率较大而电导率较小的转子材料.     

Modeling and control of a new horizontal-shaft hybrid-type magneticbearing

This paper reports on the development of a new horizontal-shaft hybrid-type magnetic bearing system. The bearing system will be used for a horizontal-shaft machine. The rotor is levitated due to the repulsive force between a stator and a rotor permanent magnet (PM). A lower cost and higher radial stiffness have been achieved by using a strontium-ferrite magnet on the rotor and an Nd-Fe-B PM above and below the rotor magnet. A finite-element analysis was performed to calculate the levitation force and radial stiffness. An upper stator magnet subtending an angle of 45° provides the best compromise between a large levitation force and radial stiffness. A model for the horizontal-shaft hybrid magnetic bearing system has been developed and includes the effect of the rotor dynamics and the electromagnetic forces. An integral servocontroller was designed to stabilize the axial position. The controller has been implemented in a digital signal processor. Experimental results performed on a prototype system are in agreement with the theoretical results     

无源电悬浮原理及其实验研究

人们在研究微电机的过程中发现：转子与基底和轴承的摩擦已构成严重影响其运转动态性能的瓶颈障碍，它的转速和寿命远未达到理论值，用电悬浮轴承替代机械轴承不适为一种可选方案，本文对无源电悬浮的稳定平衡条件进行了论证，并作了悬浮过程的动力学模拟，选择直径为３ｍｍ，厚为０．２ｍｍ的玻璃片做悬浮的宏观模拟实验，在仔细调谐电路之后，悬浮物获得六个自由度（ｘ，ｙ，ｚ，θ，ψ）上的鲁棒稳定，进而论证了电悬浮在微机械中应用的可行性。