一种Z轴微机械陀螺的自解耦方法研究

在分析了微机械陀螺机械耦合误差产生原因的基础上,提出了一种解耦梁方案,可以从结构上消除振动式微机械陀螺敏感模态对驱动模态的耦合影响;基于该解耦梁方案设计了一种新型的Z轴微机械陀螺结构.分析表明,该陀螺结构消除了敏感模态对驱动模态的耦合影响,实现了解耦设计的目的.     

微机械陀螺的仿真与优化

微机械陀螺依靠振动模态频率来测量旋转角速度,通常微机械结构的振动模态相当复杂。虽然已有很多文章研究了如何调节驱动模态和敏感模态以获得最大的敏感度,却很少有人分析微机械陀螺的振动模态。振动模态与陀螺结构的设计参数有极大的关系,这些参数包括陀螺检测质量的尺寸、支撑系统的类型和尺寸,以及用以制造陀螺主体的多晶硅的残余应力。研究了一个静电驱动、电容检测、敏感垂直轴角速度的陀螺(也称平面陀螺)。同时,用有限元法分析法对微机械陀螺的结构进行了分析。     

一种新型微机械陀螺仪结构方案设计与仿真

为了解决微机械陀螺仪驱动和检测模态耦合的问题,提出了一种新型的双质量块双线振动结构方案。根据微陀螺的结构和工作原理,对其驱动和检测模态进行了理论分析,给出了简化的动力学方程,并利ANSYS有限元分析软件进行了数值仿真,以验证设计思想的正确性。     

振动式微机械陀螺的带宽特性分析

对振动式微机械陀螺的带宽特性进行了讨论,以设计的一种带解耦结构的振动式微机械陀螺为模型,利用数学工具软件MATLAB对其进行了带宽特性分析.分析结果表明,对于2自由度的陀螺,驱动频率的带宽不仅与驱动模态和检测模态的频率匹配有关,而且与两个模态的阻尼匹配有关.随着驱动模态和检测模态频率匹配的降低,带宽先增加然后基本保持不变.随着驱动和检测模态阻尼匹配的降低,带宽一直减小.通过实现驱动模态与检测模态的频率匹配和阻尼匹配可以获得最大机械灵敏度和最大驱动频率带宽.     

驱动微梁梁宽误差对微陀螺性能的影响

建立了3类微梁加工误差的有限元分析模型,采用有限元分析的方法研究了3种不同类型的梁宽误差对微陀螺固有频率、模态和检测信号的影响.研究发现:驱动微梁尺寸的加工误差不仅会影响到驱动模态的固有频率,同时也会对检测模态的固有频率产生影响;同一对角线上微梁尺寸相同的加工误差会引起微陀螺驱动模态及检测模态的耦合,并给出了模态耦合的特征,且耦合程度随梁宽误差的加大而增加;同一侧梁宽相同及只一根微梁梁宽存在加工误差时的模态耦合可以忽略;模态耦合会对微陀螺的检测信号产生严重的干扰,干扰程度与模态耦合程度正相关.     

驱动微梁形状对微陀螺仪耦合误差的影响分析

为研究微陀螺驱动微梁在加工误差下的微梁形状变化对正交耦合误差、模态耦合以及检测信号的影响,建立了驱动微梁在对角线梁宽误差下的有限元分析模型,采用有限元仿真分析和解析计算相结合的方法研究了U型梁一端梁长的变化对微陀螺正交耦合误差、模态耦合以及检测信号的影响.研究发现,当U型梁一端的梁长为另一端长度的二分之一左右时该类加工误差会引发非常严重的正交耦合误差和模态耦合现象,并对检测信号产生极大影响;当U型梁退化为直梁或者为等长梁的时候,对检测信号的干扰很小、正交耦合误差为零、模态耦合程度最小,而且两者的变化规律呈现正相关.适当地加大单自由度微陀螺驱动模态和检测模态的频率差不仅可增加微陀螺的带宽还可减小耦合的影响.     

对称解耦硅微陀螺仪结构设计研究

硅微机械陀螺仪的驱动模态和敏感模态间的交叉耦合制约了其性能的提高。设计了一种对称解耦硅微机械陀螺仪,它的驱动机构与检测机构都做线性滑膜阻尼振动且完全解耦,使得驱动和敏感模态之间的耦合小、结构振动平稳性好、品质因数高。该微陀螺仪的驱动与检测支承梁完全相同且对称分布,使得驱动模态和敏感模态的谐振频率受加工误差和温度变化的影响近乎相同,所以频率匹配性好,结构的灵敏度大大提高。实验测试结果表明对称硅微机械陀螺仪的耦合误差得到了有效减小,并且它的驱动和检测谐振频率仅相差6Hz,其品质因数在空气条件下分别为145和117,检测模态的品质因数与采用压膜阻尼振动方式进行检测的硅微机械陀螺仪相比有了显著提高。     

一种用有限元工具仿真水平轴微陀螺解耦性能的方法

提出了一种用有限元工具ANSYSTM的谐响应分析功能仿真陀螺在模态频率下位移的方法.利用这种方法,仿真得到了陀螺模态间的机械耦合,并通过测试对仿真结果进行了验证.这种方法还能仿真由于工艺误差造成的结构不对称性对陀螺性能的影响,并证明了双解耦性能有利于抑制这种不对称带来的误差.     

微机械陀螺解耦控制技术的研究

研究微机械陀螺优化控制问题.由于微机械陀螺具有很严重的耦合误差,使得其精度和性能大大减弱.现有微机械陀螺解耦方法大都集中在结构解耦,受工艺和外界环境影响严重,且稳定性较差.针对上述问题,为了从源头消除耦合,在结构解耦的基础上提出了两种控制解耦方案即传统解耦方法和BP神经网络解耦方法,首先用传统解耦方法在建立其精确数学模型的基础上找到合适的解耦矩阵,使得驱动的输入和检测的输出为单一方向的运动,来实现控制解耦.然后用传统解耦后的数据来训练BP神经网络,进行解耦仿真,从而根本上消除耦合误差.仿真结果表明,上述控制解耦方案能根本上有效消除耦合,提高微机械陀螺解耦控制的鲁棒稳定性.     

一种新型解耦陀螺的结构及电路设计

提出了一种新型的静电驱动微机械陀螺结构,采用两组对称的梳齿结构作为驱动电极,同时采用中央质量块栅格和另外一组梳齿两种结构检测感应模态的振动.该结构阻尼系数小,可达到较高的测量分辨率和准确率.本文采用解析方法和有限元法分析了该结构的振动阻尼特性、机械解耦和噪声特性以及梳齿结构的电磁学特性.提出了该结构的驱动电路和信号检测电路,并对电路特性进行了仿真分析.     

弹性支撑下风电机组传动系统结构动力分析

考虑水平轴风力发电机组齿轮箱弹性支撑的柔性连接特性,基于集中质量思想和拉格朗日方法,建立风力发电机传动系统多体动力学模型,研究了齿轮箱弹性支撑对传动系统结构动力学特性的影响.利用动力学模型和模态分析方法,得到了由弹性支撑耦合到系统后的模态频率,并获取了在该模态激励下的模态动能分布.采用变参数方法进行传动系统模态对齿轮箱弹性支撑刚度变化的敏感性分析,利用模态叠加法进行齿轮箱体的动响应分析.数值求解结果和分析表明,考虑齿轮箱弹性支撑的传动系统某阶固有频率即为弹性支撑下齿轮箱体振动主模态;弹性支撑线刚度对传动系统低频率固有模态存在一定影响;齿轮箱体振动分析时应考虑1阶和2阶的低频模态较为合理.本研究工作对传动链系统方案可靠性设计和抑制传动链振动的加阻控制提供了一定理论基础.     

Thermoelastic coupling effect analysis for gyroscope resonator from longitudinal and flexural vibrations

The paper illustrates thermoelastic modeling, analysis and simulation solutions of gyroscope resonator from the longitudinal and transverse vibration modes. In the study, the sensitive components of gyroscope are the cantilever beams within the drive mode and the detection mode. Then, the effect of thermoelastic coupling, coupling strength on gyroscope performance is analyzed by two different numerical calculation methods, and the results are validated by FEM simulation solutions. The corresponding parameters which are analyzed in the study for thermoelatic coupling are temperature, thermoelastic damping (TED) and frequency shift ratio. It is found that the thermoelastic damping has the order of 10^?4 at both transverse and longitudinal vibrations. And the shift frequency sharply increased and then gradually approaches the horizontal line at the longitudinal and flexural vibrations. Then the comparison of thermoelastic damping is studied at two vibration modes. Compared with longitudinal vibration, the thermoelastic damping for flexural vibration has a similar pattern, while the former’s peak value is twice lower than that of the latter.     

基于偏差耦合的起重机起升机构同步控制

针对大型起重机起升机构的驱动电机在负载发生扰动时同步性能较差的问题,采用滑模变结构控制与偏差耦合控制算法相结合的方法,设计了起重机起升机构同步控制器。在Matlab/Simulink仿真环境下建立仿真模型,仿真结果表明该系统具有较好的动态性能,并且有较强的鲁棒性和抗干扰性。     

光声检测用半导体激光器数字PID驱动的设计

该设计在软件上采用了数字PID（比例积分微分）反馈控制的算法,该算法实现了对激光器驱动电流的精确闭环控制,并通过预定参数方式实现了激光器驱动电流类型的选择。最后,通过对传统驱动方式和数字驱动方式的试验结果进行对比分析,证明了基于数字PID的驱动模块对光声气体检测用的半导体激光器的驱动有很好的效果。     

受动态约束的谐波传动式可重构模块机器人分散积分滑模控制

针对受外界动态约束的谐波传动式可重构模块机器人轨迹跟踪问题, 提出一种基于关节力矩反馈的分散积分滑模控制方法. 在无力/力矩传感器且存在耦合模型不确定性的条件下即能获得良好的控制品质. 基于谐波传动模型, 仅采用位置测量数据估计关节力矩, 并建立机器人子系统动力学模型. 基于可变增益超螺旋算法(VGSTA) 设 计分散积分滑模控制器, 补偿模型不确定性并削弱控制器抖振. 采用Lyapunov 理论对系统的渐近稳定性进行了证明. 值仿真结果验证了所设计的控制器的优越性.

     

Compensation to imperfect fabrication and asymmetry of micro-gyroscopes by using disturbance estimator

Owing to the imposed coupling accelerations such as quadrature error and cross-axis perturbation, the micro-machined gyroscope could not be unconditionally retained at resonant mode. Once the preset resonance is not sustained, the performance of the micro-gyroscope is accordingly degraded. In this paper, a direct model reference adaptive control loop which is integrated with a modified disturbance estimating observer (MDEO) is proposed to guarantee the resonant oscillations at drive mode and counterbalance the undesired disturbance caused by quadrature error and cross-axis perturbation. The parameters of controller are on-line innovated by the dynamic error between the MDEO output and expected response. In addition, Lyapunov stability theory is employed to examine the stability of the closed-loop control system. At last, the efficacy of evaluation of the exerted time-varying angular rate, which is to be detected and measured by the gyroscope, is verified by intensive simulations.     

硅微阵列陀螺仪的仿真、设计与测试

为了提高硅微机械陀螺仪的精度和工作可靠性,提出了一种新的硅微阵列陀螺仪结构设计方案。该陀螺仪由4个质量块构成,采用半解耦结构设计,结构完全对称,驱动模态和检测模态的频率匹配性好。分析了硅微阵列陀螺仪的结构和工作原理,并利用ANSYS有限元软件进行了结构仿真,通过调节结构参数实现了各驱动模态与敏感模态固有频率的匹配。对阵列陀螺仪样品进行了测试,实验测试结果表明,驱动模态存在3个振型,同频反相振动的幅值最大,与仿真结果一致。     

Variable structure model following control for industrial robots

A variable structure model following control (VSMFC) strategy for the control of most types of industrial robots (according to a classification ofCoiffet 1983) has been presented. For 99% of the robots given in the classification of Coiffet (1983), the dynamics of each link can be represented by a simple model with the nonlinearities and coupling dynamics decoupled from the linear part (Stoten 1985). This facilitates the designer to have a modified VSMFC law, which will maintain sliding mode motion of the error and its derivative, referred to as the representative point (RP), on a user chosen switching line and to drive the RP to the origin of the error plane (error is defined as the difference between the states of the reference model and those of the plant). When in sliding mode the system remains insensitive to parameter variations and disturbances     

MEMS近红外光谱仪微镜驱动控制系统研发

针对微机电系统（MEMS）近红外光谱仪中MEMS微镜驱动系统的耦合与复杂扰动问题,提出了一种基于扰动观测器（DOB）与模型预测控制（MPC）的复合控制结构。通过分析MEMS微镜的驱动工作原理,建立MEMS微镜偏转角与驱动电压的传递函数模型,设计了MPC以消除系统耦合,通过分析系统扰动模型,设计了DOB实现对系统内部与外部扰动的集中监测。仿真研究与实验测试结果表明：基于DOB MPC复合结构的MEMS微镜驱动控制系统,既可以有效抑制系统的外部扰动,又可以抑制由模型失配和变量耦合导致的内部扰动。