曾 凱,吳宇列,肖定邦
(國(guó)防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院,長(zhǎng)沙 410073)
振動(dòng)陀螺是一種利用哥氏效應(yīng)對(duì)角運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量的傳感器,它沒(méi)有傳統(tǒng)陀螺的機(jī)械轉(zhuǎn)子摩擦問(wèn)題,相比光學(xué)陀螺體積更小。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)制造技術(shù)的發(fā)展,振動(dòng)陀螺以其體積小、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),在精確制導(dǎo)彈藥、汽車(chē)和消費(fèi)電子領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。目前,較典型的振動(dòng)陀螺包括半球諧振陀螺(Hemispherical Resonator Gyro,HRG)、四質(zhì)量塊式速率積分陀螺(Quadruple Mass Gyro, QMG)、盤(pán)形陀螺(Disc Resonator Gyro,DRG)等[3-5]。然而,這些振動(dòng)陀螺的性能均受到很多因素的影響。振動(dòng)陀螺實(shí)現(xiàn)高精度的基礎(chǔ)必須有一個(gè)高穩(wěn)定的主振動(dòng),目前影響振動(dòng)穩(wěn)定性最主要的因素是諧振子的結(jié)構(gòu)誤差和結(jié)構(gòu)阻尼,使得驅(qū)動(dòng)振動(dòng)方向與實(shí)際振動(dòng)方向不一致,引起檢測(cè)模態(tài)的漂移,進(jìn)而降低陀螺的靈敏度和零偏穩(wěn)定性[6]。所以,振動(dòng)陀螺性能的提升仍是該領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)研究方向之一。
目前所有報(bào)道的振動(dòng)陀螺中,其諧振子都是通過(guò)支撐錨點(diǎn)與基座連接在一起的。而錨點(diǎn)的實(shí)際制造工藝很難保證其結(jié)構(gòu)和材料的均勻性,所以常常會(huì)影響諧振子的結(jié)構(gòu)精度和阻尼均勻性[7]。在機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺領(lǐng)域,轉(zhuǎn)子軸承的磨損是限制陀螺性能提升的重要影響因素。為解決該問(wèn)題,利用氣浮、液浮、磁浮、靜電懸浮等方式將轉(zhuǎn)子懸浮起來(lái),從而極大地減小了摩擦以達(dá)到提高轉(zhuǎn)子陀螺精度和壽命的目的[8-9]。其中,通過(guò)電磁懸浮方法來(lái)減少摩擦的研究比較集中,主要包括電磁懸浮陀螺、靜電懸浮陀螺、反磁懸浮陀螺和超導(dǎo)磁懸浮陀螺四大類(lèi)[10]。
這些懸浮式的轉(zhuǎn)子陀螺之所以能夠?qū)崿F(xiàn)較高的精度,是因?yàn)椴捎脩腋〖夹g(shù)將轉(zhuǎn)子懸浮起來(lái),其懸浮系統(tǒng)是關(guān)鍵。將敏感元件懸浮起來(lái),避免了其與基座的直接接觸而減少摩擦,且便于實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng),擴(kuò)大了應(yīng)用范圍[11-12]。在電磁懸浮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,主要包括上拉吸引式和下推排斥式兩種結(jié)構(gòu)。吸引式磁懸浮結(jié)構(gòu)的懸浮體位于電磁線圈的下部,利用電磁感應(yīng)產(chǎn)生的磁吸力與懸浮體的重力平衡,達(dá)到懸浮的效果[13]。這種懸浮方式的系統(tǒng)參數(shù)方便調(diào)節(jié),但是只有豎直方向的力,抗沖擊能力差;當(dāng)水平方向出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí),只能依靠很弱的邊緣效應(yīng)進(jìn)行控制,難以實(shí)現(xiàn)平衡。排斥式磁懸浮結(jié)構(gòu)的電磁線圈和永磁體位于懸浮物的下部,在電磁線圈和永磁體的共同作用下給懸浮物提供排斥力與其重力平衡實(shí)現(xiàn)懸浮[14]。排斥式磁懸浮結(jié)構(gòu)的斥力主要由永磁體提供,可以降低裝置的功耗及發(fā)熱。另外,由于它同時(shí)受到電磁線圈和周?chē)来朋w的力,所以具有較強(qiáng)的抗干擾能力。
根據(jù)振動(dòng)陀螺的原理,結(jié)合排斥式懸浮結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),本文提出了一種全新結(jié)構(gòu)的磁懸浮振動(dòng)陀螺。該陀螺利用磁懸浮技術(shù)將諧振子懸浮起來(lái)實(shí)現(xiàn)角速度測(cè)試,降低了對(duì)諧振子和錨點(diǎn)的制造精度要求,在陀螺性能的提升方面具有很大的潛力。文章的第一部分介紹了振動(dòng)陀螺的基本工作原理,并推導(dǎo)了驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)固有頻率差值對(duì)陀螺性能的影響規(guī)律;第二部分詳細(xì)介紹了所提出的新型磁懸浮振動(dòng)陀螺的結(jié)構(gòu)及其振動(dòng)模態(tài),并利用仿真軟件對(duì)其磁場(chǎng)分布進(jìn)行了研究以說(shuō)明其均勻性;在第三部分進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,陀螺樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該新型陀螺測(cè)量角速度的能力;最后,對(duì)本文進(jìn)行了總結(jié)及展望。
圖1 磁懸浮振動(dòng)陀螺的示意圖Fig.1 Sketch map of the electromagnetic suspended vibratory gyroscope
磁懸浮振動(dòng)陀螺的示意圖如圖1所示,它的諧振子是圖中的懸浮質(zhì)量塊。首先通過(guò)控制磁場(chǎng)分布使得質(zhì)量塊穩(wěn)定懸浮,即諧振子的重力G與磁力Fz相等;然后改變磁場(chǎng)分布,在諧振子的橫向添加一個(gè)激勵(lì)磁力fx,使得諧振子在x方向振動(dòng)。定義質(zhì)量塊在x方向的振動(dòng)模態(tài)為驅(qū)動(dòng)模態(tài)(Drive mode),而在y方向的振動(dòng)模態(tài)為檢測(cè)模態(tài)(Sense mode)。當(dāng)系統(tǒng)有角速度Ω輸入時(shí),諧振子一方面相對(duì)系統(tǒng)有x方向的平動(dòng),另一方面隨著系統(tǒng)相對(duì)慣性坐標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng),所以它會(huì)在y方向產(chǎn)生哥氏加速度,等效為激勵(lì)出y方向振動(dòng)即檢測(cè)模態(tài)的哥氏力。由于哥氏力與輸入的角速度是成比例的,所以通過(guò)檢測(cè)y方向的振動(dòng)信號(hào)即可解算出輸入的角速度Ω。
該磁懸浮振動(dòng)陀螺中,由于采用磁懸浮技術(shù)將諧振子懸浮后再實(shí)現(xiàn)振動(dòng)激振,諧振子無(wú)錨點(diǎn)的限制將會(huì)降低陀螺的頻率誤差和機(jī)械結(jié)構(gòu)阻尼,大大提升陀螺的性能。另外,由于振動(dòng)元件獨(dú)立于陀螺結(jié)構(gòu),可近似成集中質(zhì)量塊,其諧振頻率只取決于可測(cè)量和控制的懸浮力與電阻尼,而與其結(jié)構(gòu)精度無(wú)關(guān),從而降低了諧振子制造誤差帶來(lái)的影響。此外,可以通過(guò)閉環(huán)控制懸浮諧振子的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡,保證驅(qū)動(dòng)方向與實(shí)際振動(dòng)方向一致,從而保持了振動(dòng)的穩(wěn)定性,減小檢測(cè)模態(tài)的零偏漂移。
圖2 磁懸浮振動(dòng)陀螺的動(dòng)力學(xué)模型Fig.2 Kinetic model of the electromagnetic suspended vibratory gyroscope
基于上述動(dòng)力學(xué)模型,可以得到質(zhì)量塊在x和y方向的運(yùn)動(dòng)方程為
(1)
可知y方向的穩(wěn)態(tài)解為
y=y0sin(ωt+φy)
(2)
y0為y方向振動(dòng)的幅值,表示為
(3)
其中,x方向的振動(dòng)幅值x0為
(4)
ωx和ωy分別是x和y方向的固有頻率,Qx和Qy則分別是2個(gè)方向上的品質(zhì)因數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中為了獲得最大的響應(yīng)幅值以方便檢測(cè),激勵(lì)力fx的頻率被設(shè)置為與驅(qū)動(dòng)模態(tài)(x方向)的固有頻率相等,即ω=ωx。
假設(shè)y方向的品質(zhì)因數(shù)為10,檢測(cè)模態(tài)的響應(yīng)幅值隨著ωx/ωy的變化規(guī)律如圖3所示。可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)2個(gè)模態(tài)固有頻率的比值為1時(shí)(即頻率裂解值為0),振動(dòng)的響應(yīng)幅值達(dá)到最大,對(duì)應(yīng)的靈敏度最高。磁懸浮振動(dòng)陀螺由于磁場(chǎng)均勻性比較好,并且諧振子可視為集中質(zhì)量塊,所以2個(gè)模態(tài)的振動(dòng)頻率基本一致,頻率裂解值比較小。另外,由于磁懸浮諧振子控制的復(fù)雜性,其振動(dòng)頻率通常較低,為實(shí)現(xiàn)高靈敏度,應(yīng)盡可能提高振動(dòng)頻率,使其接近和或達(dá)到諧振頻率。
圖3 檢測(cè)模態(tài)的響應(yīng)曲線Fig.3 Response curve of sense mode
圖4所示為所設(shè)計(jì)的新型磁懸浮振動(dòng)陀螺的結(jié)構(gòu)示意圖及其實(shí)物圖,它主要由上部分的懸浮質(zhì)量塊(Suspended mass)和提供磁懸浮力的下部磁懸浮平臺(tái)組成。上部分的質(zhì)量塊是一個(gè)由多片磁性材料組成的圓柱體,通過(guò)改變磁性材料的數(shù)量及尺寸可以改變振動(dòng)質(zhì)量,它被懸浮在平臺(tái)的正上方。下部分的磁懸浮平臺(tái)主要由外圍的永磁體(Perma-nent magnet)、中間的繞組線圈(Winding coil)和內(nèi)部的霍爾元件(Hall sensors)組成。磁性懸浮質(zhì)量塊正是受到永磁體和繞組線圈共同產(chǎn)生的磁力而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮和振動(dòng)的,其中外圍的8個(gè)永磁體對(duì)質(zhì)量塊產(chǎn)生均勻的吸引力,而中間的4個(gè)繞組線圈則為懸浮質(zhì)量塊提供浮力,浮力的大小可以通過(guò)改變輸入線圈的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。內(nèi)部的3個(gè)霍爾元件用來(lái)檢測(cè)懸浮質(zhì)量塊在x、y和z方向上的位置,進(jìn)而為繞組線圈提供反饋信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量塊的穩(wěn)定懸浮。通過(guò)上述方式,實(shí)現(xiàn)了懸浮質(zhì)量的懸浮,消除了支撐錨點(diǎn)會(huì)帶來(lái)的缺陷,從而提高了質(zhì)量塊在各個(gè)方向上參數(shù)的均勻性。
(a)原理圖
(b)實(shí)物圖圖4 新型磁懸浮振動(dòng)陀螺結(jié)構(gòu)Fig.4 The novel electromagnetic suspended gyroscope structure
由于該懸浮質(zhì)量塊在此結(jié)構(gòu)中可看作剛體,即視為集中質(zhì)量點(diǎn),所以主要考慮它的平動(dòng)。如圖5所示,該結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)主要為質(zhì)量塊在水平方向(x、y)和豎直方向(z)的運(yùn)動(dòng)[15]。該結(jié)構(gòu)的振動(dòng)質(zhì)量即為懸浮質(zhì)量塊的質(zhì)量(樣機(jī)的懸浮質(zhì)量為500g),而剛度及阻尼主要取決于電磁場(chǎng)的分布。
(a)水平方向
(b)豎直方向圖5 模態(tài)分析Fig.5 Mode analysis
依據(jù)陀螺的工作原理可知,諧振子的振動(dòng)方向應(yīng)與角速度的輸入方向垂直才能產(chǎn)生明顯的哥氏效應(yīng)。因此,為測(cè)量該結(jié)構(gòu)的軸線方向角速度輸入,應(yīng)采用諧振子在水平方向的振動(dòng)模態(tài),對(duì)該方向的振動(dòng)進(jìn)行激勵(lì)及檢測(cè)。
當(dāng)質(zhì)量塊穩(wěn)定懸浮于平臺(tái)上時(shí),在繞組線圈中加入相應(yīng)的激勵(lì)電壓,使得質(zhì)量塊在驅(qū)動(dòng)模態(tài)(x方向)穩(wěn)定振動(dòng)。當(dāng)平臺(tái)繞其中心對(duì)稱(chēng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),由于哥氏效應(yīng)會(huì)在檢測(cè)模態(tài)(y方向)上激勵(lì)出振動(dòng)。此時(shí)平臺(tái)內(nèi)部的霍爾元件將會(huì)檢測(cè)出懸浮質(zhì)量塊的振動(dòng)信號(hào),將檢測(cè)模態(tài)方向的振動(dòng)信號(hào)提取出來(lái)即實(shí)現(xiàn)了其信號(hào)檢測(cè)。由于檢測(cè)模態(tài)的振動(dòng)信號(hào)與輸入角速度是成比例的,所以通過(guò)解調(diào)檢測(cè)模態(tài)的振動(dòng)信號(hào),即可得到輸入角速度的大小。
在上述陀螺中,當(dāng)質(zhì)量塊振動(dòng)時(shí)主要受到磁場(chǎng)力的影響,進(jìn)而影響陀螺的性能。為了研究質(zhì)量塊振動(dòng)時(shí)其附近的磁場(chǎng)變化,利用有限元軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行了仿真研究。因?yàn)樵撏勇菔菍?duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),所以將其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為如圖6所示的二維模型。模型的上部是一個(gè)懸浮質(zhì)量塊,兩側(cè)是提供吸引力的永磁體。由于懸浮質(zhì)量塊也是由磁性材料組成的,所以它和永磁體的N極在圖6中都是朝上的,且兩者磁性材料的矯頑力均為182975A/m(2300Gs)。在模型的中間有2個(gè)繞組線圈,線圈的中心為鐵芯,兩側(cè)為線圈截面。繞組線圈的匝數(shù)為650,輸入的電流約為1A。因?yàn)槔@組線圈給質(zhì)量塊提供排斥力,而質(zhì)量塊的N極朝上,所以通入的電流應(yīng)使線圈的N極朝下。模型中除了繞組線圈鐵芯的相對(duì)導(dǎo)磁率為1000外,其余材料的相對(duì)導(dǎo)磁率都為1。利用上述參數(shù)對(duì)磁懸浮振動(dòng)陀螺的磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算,得到如圖6所示的磁場(chǎng)分布及磁感線。可以發(fā)現(xiàn),磁感應(yīng)強(qiáng)度最大的位置在繞組線圈鐵芯的頂部,這是因?yàn)槔@組線圈、永磁體和質(zhì)量塊產(chǎn)生的磁場(chǎng)都匯集于此。
圖6 磁場(chǎng)分布圖Fig.6 Distribution of magnetic field
在懸浮質(zhì)量塊的實(shí)際振動(dòng)中,它的振動(dòng)幅值約為0.5mm。為了研究其振動(dòng)過(guò)程中的磁場(chǎng)變化,分別計(jì)算了懸浮質(zhì)量塊在振動(dòng)時(shí)的極限位置和初始位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。圖7所示為當(dāng)質(zhì)量塊位于初始位置和極限位置時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖,從圖7中可以看出懸浮平臺(tái)中每個(gè)位置區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小。通過(guò)比較懸浮質(zhì)量塊位于不同振動(dòng)位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖可以發(fā)現(xiàn),磁場(chǎng)分布基本是一致的,最大磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化也很小。磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大值從0.2184T增加到0.2218T,變化量為3.4mT,只改變了1.6%。此外,由于所設(shè)計(jì)的磁懸浮陀螺是對(duì)稱(chēng)的,所以在不同方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖都一樣。對(duì)于懸浮質(zhì)量塊而言,它在空中主要受到電磁力的影響,所以磁感應(yīng)強(qiáng)度的均勻性是其剛度和阻尼均勻性的首要前提。
(a)初始位置
(b)極限位置圖7 磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖Fig.7 Cloud chart of magnetic flux density
為了進(jìn)一步確認(rèn)其測(cè)試角速度的能力,對(duì)陀螺樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。圖8所示為實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置,將磁懸浮振動(dòng)陀螺安裝于轉(zhuǎn)臺(tái)(Turntable)上且隨著轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng),其驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)模態(tài)的振動(dòng)信號(hào)由懸浮平臺(tái)中的霍爾元件進(jìn)行測(cè)試,并將測(cè)試信號(hào)連接至示波器(Oscilloscope)便于觀測(cè)和保存。當(dāng)懸浮質(zhì)量塊穩(wěn)定地在驅(qū)動(dòng)模態(tài)振動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái),哥氏力在檢測(cè)模態(tài)激勵(lì)出的振動(dòng)信號(hào)將會(huì)由該方向的霍爾元件進(jìn)行輸出。
(a)原理圖
(b)實(shí)物圖圖8 測(cè)試裝置Fig.8 Testing device
利用x和y方向的霍爾元件將懸浮質(zhì)量驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)的位移信號(hào)實(shí)時(shí)輸出,并對(duì)其信號(hào)做傅里葉變換得到的頻譜圖如圖9所示。圖9(a)是驅(qū)動(dòng)模態(tài)的測(cè)試信號(hào),可以發(fā)現(xiàn)它的振動(dòng)信號(hào)表現(xiàn)出較好的周期變化規(guī)律。由于該陀螺樣機(jī)的固有頻率為20Hz,所以激勵(lì)信號(hào)的變化頻率設(shè)置為與此相等,因此在頻譜圖中可以在20Hz處發(fā)現(xiàn)一個(gè)明顯的峰值。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),由于哥氏效應(yīng)檢測(cè)模態(tài)也會(huì)輸出振動(dòng)信號(hào),其測(cè)試信號(hào)和頻譜圖如圖9(b)所示。不難看出,檢測(cè)模態(tài)的實(shí)時(shí)信號(hào)也呈現(xiàn)出明顯的周期變化規(guī)律,且頻譜圖中最大的峰值亦出現(xiàn)在20Hz處。這說(shuō)明哥氏力能夠在檢測(cè)模態(tài)方向上激勵(lì)出同頻的振動(dòng)信號(hào),檢測(cè)模態(tài)振動(dòng)的幅值約為驅(qū)動(dòng)模態(tài)的10%左右。通過(guò)測(cè)試陀螺的標(biāo)度因子,即可由檢測(cè)模態(tài)的振動(dòng)幅值得到輸入的角速度。
(a)驅(qū)動(dòng)模態(tài)
(b)檢測(cè)模態(tài)圖9 振動(dòng)信號(hào)及傅里葉變換頻譜圖Fig.9 Vibration signals and spectrum
為了獲得該陀螺樣機(jī)的標(biāo)度因子以進(jìn)一步說(shuō)明檢測(cè)模態(tài)對(duì)角速度的響應(yīng),測(cè)試了陀螺在轉(zhuǎn)臺(tái)不同角速度輸入下檢測(cè)模態(tài)的輸出。通過(guò)改變轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,分別記錄了檢測(cè)模態(tài)在0(°)/s,1(°)/s,5(°)/s,10(°)/s, 15(°)/s,20(°)/s下的實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào),并對(duì)其做了傅里葉變換。圖10所示為測(cè)試結(jié)果,縱坐標(biāo)為每種角速度下測(cè)試信號(hào)傅里葉變換的峰值??傮w來(lái)看,隨著輸入角速度的增加,檢測(cè)模態(tài)輸出的信號(hào)也逐漸增強(qiáng)。經(jīng)過(guò)線性擬合得到測(cè)試陀螺的標(biāo)度因子為1.6mV/ [(°)/s],其線性擬合的相關(guān)系數(shù)R2=0.81。在該磁懸浮振動(dòng)陀螺中,影響其標(biāo)度因子穩(wěn)定性的因素主要是磁懸浮電路的穩(wěn)定性。
圖10 檢測(cè)模態(tài)在不同角速度下的輸出信號(hào)Fig.10 Output signal of sense mode at different angular speeds
本文針對(duì)一般振動(dòng)陀螺中普遍存在的結(jié)構(gòu)誤差和結(jié)構(gòu)阻尼的問(wèn)題,提出了一種新型的磁懸浮振動(dòng)陀螺,以減小陀螺的漂移,提升陀螺性能。相關(guān)分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:
1)所提出的磁懸浮振動(dòng)陀螺諧振子無(wú)支撐錨點(diǎn),消除了現(xiàn)有振動(dòng)陀螺中因錨點(diǎn)帶來(lái)的阻尼和結(jié)構(gòu)誤差的影響,為振動(dòng)陀螺性能的提升提供了新思路。
2)磁懸浮振動(dòng)陀螺的靈敏度與振動(dòng)頻率有關(guān),應(yīng)盡可能提高振動(dòng)頻率,使其接近諧振頻率。
3)所設(shè)計(jì)的陀螺樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了角速度的測(cè)量,具有明顯的陀螺效應(yīng)。目前,陀螺的噪聲和穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步提高。由于影響噪聲和穩(wěn)定性的主要因素一個(gè)是懸浮電路板,另一個(gè)是諧振子的諧振頻率相對(duì)較低,接近外界環(huán)境干擾頻率。下一步應(yīng)該優(yōu)化懸浮電路,并提高諧振頻率達(dá)到千赫茲,以減小外界干擾的影響,提升陀螺性能。