磁悬浮转子微陀螺及其悬浮力与稳定性的分析

磁悬浮转子微陀螺是一种集经典陀螺的工作原理与易实现微加工批量生产的特点于一体,可望得到高准确度的微陀螺。它是基于电磁场原理得以悬浮、旋转以及稳定;以ANSYS5.6有限元分析软件包为工具分析了悬浮线圈中的电流幅值和线圈宽度对悬浮力的影响规律;分析了磁悬浮转子微陀螺的运行稳定性,验证了稳定线圈能使微转子稳定运行,从而磁悬浮转子微陀螺的设计得以论证。进行的数值计算为优化微陀螺的结构设计提供依据。     

基于DSP的静电悬浮微陀螺模拟伺服系统的研究

采用TI公司的浮点式TMS320VC33 DSP开发系统,用于静电悬浮转子微陀螺的悬浮控制试验。介绍了微陀螺控制系统的硬件结构和软件设计,搭建了Simulink控制系统模型,并利用劳斯判据在理论上推导了PID参数的选取范围。研究了不同频率的正弦激励信号对系统输出的影响;计算了其主要电气参数,并设计了微陀螺的开环、闭环和刚度性能指标。最后,给出了静电悬浮转子微陀螺系统初步的悬浮控制结果。     

一种新型玻璃基底可用于微陀螺的反磁悬浮结构的设计与制造

主要介绍了反磁悬浮系统的悬浮和稳定的原理以及用作惯性传感器的原理。研究了对反磁悬浮微器件理论。使用ANSOFT的MAXWELL3D有限元软件包分析了反磁转子悬浮微器件的悬浮问题,对于转子的悬浮、稳定和旋转进行了系统的仿真分析,包括受力分析与位移分析。对反磁悬浮微器件的制作工艺进行了研究。对反磁悬浮器件进行了相关实验。     

基于DSP的静电悬浮转子微陀螺测控系统

开发了一种基于数字信号处理器(DSP)的静电悬浮转子微陀螺的可视化闭环测控系统.该系统是在VC33DSP平台下,采用增量式PID算法控制器,对VC33DSP开发系统的外设A/D、D/A和PCI芯片进行编程应用.具体为使用VC++编写可视化界面,对PCI芯片编程实现DSP与PC之间通信,使用VC33DSP汇编语言编程实现数据的输入输出.经编程测试,增量式汇编函数能够有效运行,为静电悬浮转子微陀螺的悬浮、旋转等检测控制实现奠定了一定的基础.     

静电悬浮转子微陀螺信号发生电路有源带通滤波器设计

信号发生电路是静电悬浮转子微陀螺系统的重要组成部分。介绍了DDS信号发生电路的原理及基本构成和微陀螺信号电容检测的要求、特点以及主要技术指标,并根据具体带宽、中心频率的要求,设计了具有不同参数的有源滤波电路。通过电路模拟仿真实验表明了该电路的可行性之后,在具体实验的操作过程中,成功滤去了DDS信号发生电路所产生的低频直流偏置和高频噪声,从而提高了电路的整体信噪比和控制精度,并为后续静电悬浮转子微陀螺检测控制电路提供了较为理想的信号源。     

基于DSP的悬浮转子微陀螺数字幅度解调

在悬浮转子微陀螺中输出的角度检测信号为一经过幅度调制的调幅波形,为了使用数字信号处理器(DSP)读取调制波形中的低频有用信号,需要开发一种数字解调系统。介绍了一种能应用于悬浮转子微陀螺信号检测的基于DSP的数字滤波自相关算法及其实现,使用D/A和异步串行口将解调所得信号输出。使用经低频调制的20 kHz载波信号进行了实验。实验结果表明:该系统可响应的低频角度变化为25Hz,能够满足悬浮转子陀螺信号检测和后续控制的要求。     

基于陀螺力矩的永磁悬浮转子稳定性分析

为了探讨永磁悬浮转子的稳定性,从能量的角度分析了引入动能后存在稳定悬浮的区域。根据陀螺效应的成因建立了陀螺力矩的解析式,分析了自由转子在受迫进动情况下实现稳定的最低临界转速,同时将该结论引申到受外力矩下的转子稳定的最低临界转速。同时得出了转子参数对临界转速影响的规律:转子绕对称轴的转动惯量越大,转子的临界转速越小;转子绕x轴或y轴方向的转动惯量越小,转子的临界转速越小;转子质量-长度系数越小,转子的临界转速越小。转子的临界转速越小,那么转子越容易达到稳定悬浮状态。     

静电悬浮转子微陀螺悬浮控制系统的研究

针对一种新颖的基于MEMS技术的静电悬浮转子微陀螺,提出了悬浮控制系统的原理和设计,并着重对z轴悬浮控制系统的设计进行了分析,建立了Z轴方向悬浮控制系统的数学模型,通过分析扰动力对转子位移的影响,得出PID(比例-积分-微分控制)参数决定动态刚度,通过仿真结果可以看出,采用反馈线性化可补偿系统的负刚度特性,结合变预载控制实现转子的快速准确定位,为后续的旋转和加矩控制提供良好的条件.     

磁悬浮转子微陀螺电容结构设计

为了实现磁悬浮转子微陀螺的电容检测,使用数值积分方法计算了新型磁悬浮转子微陀螺的电容值与转子倾斜角度的关系。计算确定了电容极板尺寸,电容的连接采用了差动电容的连接方式。通过电容检测电路,检测到了小角度输入范围内的陀螺输出信号。检测结果表明:该电容结构对于静态角度输入具有较好的线性响应,该微陀螺原形的电容结构能够检测到的转子倾斜角度可达到0.1°,对应的电容变化约为1 000 aF,满足了微陀螺对电容检测的要求。     

双定子静电微电机控制系统的信号检测研究

介绍了一种基于悬浮转子微陀螺的双定子轴向静电微电机控制系统的信号检测方法,它对实现悬浮转子旋转驱动的闭环控制尤为重要,其主要特点是采用互相关检测—锁定放大、DSP控制直接数字频率合成(DDS)产生正弦波,并通过实际正弦波发生电路和系统仿真验证其可行性,这些提供了解决微小电容检测在实际电路实现上的一些关键问题的办法,为实际电路参数选择提供重要参考。     

Modeling and simulation of levitation control for a micromachined electrostatically suspended gyroscope

This paper presents a novel micromachined electrostatically suspended gyroscope (MESG) based on non-silicon micro electro mechanical systems technology, which can measure dual-axis angular velocity and tri-axis linear acceleration. The position of the rotor is detected capacitively and controlled electrostatically. In order to levitate the rotor along the Z axis, a levitation control model based on integrated control strategy for the MESG is presented. The damping coefficient is calculated by finite element analysis and deduced by analytical solution. According to the analysis of the levitation control force of the rotor, a three-degree-of-freedom close-loop control model is constructed. The theoretical relationship between the proportional integral derivative control parameters and stiffness properties is deduced. Initial levitation simulation result shows that the control principle is reasonable, which shows quick-response performance and global stability. Furthermore, digitally controlled levitation circuits have been designed.     

An innovative micro-diamagnetic levitation system with coils applied in micro-gyroscope

This paper presents design, simulation, and fabrication, levitation experiment of a micro-diamagnetic levitation system with coils. This micro-system module can be applied in the micro-gyroscope system because of its stable levitation of disc. The device configuration consists of three main parts: micro-disc, stator and permanent magnet (PM). Micro-disc is stably levitated on the top of the stator and PMs due to stable diamagnetic force produced between PMs and pyrolytic graphite disc. Simulation on levitation shows the situation of diamagnetic force at the centre, and offset from centre. Finally, from the levitation experiment we can see clearly the influence on levitation height of PM thickness and micro-disc thickness. As far as micro-gyroscope is concerned, coils analysis shows relationship between rotation torque and current frequency by Ansoft Maxwell, and a rotation circuit also is designed by the authors in the end of the paper.     

基于抗磁悬浮的气流能量采集器

研究了一种由外壳、提升磁体、上热解石墨板、线圈、永磁体转子和下热解石墨板构成的气流能量采集器,自由悬浮于两热解石墨板之间的永磁体转子可在外界气流的作用下转动,并在线圈中产生感应电压。采用有限元软件COMSOL Multiphysics 5.3和ANSYS Maxwell 16.0建立仿真模型,对能量采集器的悬浮特性、驱动特性和输出特性进行仿真分析通过实验验证,发现当喷嘴为83°时转子所受的气流驱动力矩最大;实验测试永磁体转子悬浮高度56.5 mm,与仿真高度57.5 mm误差仅为1.77%;能量采集器稳定工作的气流量范围为137 sccm^733 sccm,最大输出电压可达160 mV。     

静电悬浮转子悬浮控制系统探析

为了实现静电转子的稳定悬浮,建立了针对于悬浮转子的静电支承模型。在模型的建立过程中,分析了静电力作用机理,给出了静电力计算公式。接着建立了以DSP TMS320F28335开发板为核心的悬浮控制辅助系统。设计了基于AD7656的16A/D转换电路和基于时间管理模块的DSP脉宽调制信号发生器。