基于虚拟科氏力的半球谐振陀螺带宽电学自标定方法.pdf
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1、第4 5卷第4期压 电 与 声 光V o l.4 5N o.42 0 2 3年8月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S TOO P T I C SA u g.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 2-3 1 基金项目:国家自然科学基金资助项目(6 2 1 7 1 4 2 0);中央高校基本科研业务基金资助项目(2 0 2 2 6 2 0 0 4)作者简介:李天元(1 9 9 8-),男,山东省泰安市人,硕士生,主要从事半球谐振陀螺控制算法及电路方案的研究。通信作者:李崇(1 9 8 8-),男,副教授,博士,主要从事惯性传感器及精密控制技术的研究。E
2、-m a i l:c h o n g l i o u c 1 2 6.c o m。唐兴缘(1 9 8 8-),男,讲师,博士,主要从事惯性器件控制技术的研究。E-m a i l:t a n g x i n g y u a n 1 9n u d t.e d u.c n。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 3)0 4-0 5 2 6-0 5D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 3.0 4.0 0 9基于虚拟科氏力的半球谐振陀螺带宽电学自标定方法李天元1,李 崇1,潘 瑶2,唐兴缘2(1.中国海洋大学 微系统及精密控
3、制实验室,山东 青岛2 6 6 0 0 0;2.国防科技大学 前沿交叉学科学院,湖南 长沙4 1 0 0 7 3)摘 要:半球谐振陀螺是一种高精度的惯性器件,在航空航天等领域有着重要的应用,但其本征带宽较低,对其力平衡控制回路及带宽测试方法要求较高。该文提出一种新型的基于虚拟科里奥利力的半球陀螺带宽电学快速测试方法,可代替角振动台等昂贵仪器对半球陀螺进行迅速自标定,从而为半球陀螺的高性能控制回路设计方法和批量化测试提供一种新的技术解决方案。首先在基础理论层面分析半球谐振陀螺动力学方程,建立起本征带宽系统模型,为虚拟电旋转的引入和自标定方法提供了理论基础。随后设计了基于虚拟科氏力的电旋转激励信号
4、,并将其集成到陀螺接口电路系统中。最后设计了力平衡控制回路,并对该电学自标定方法进行了实验验证。实验结果表明,虚拟电旋转法能在不借助外部设备的情况下,有效准确地对半球陀螺带宽进行测试和标定,从而有效地促进高性能力平衡控制方法的开发和提高半球陀螺带宽测试效率。关键词:半球谐振陀螺;动力学模型;虚拟电旋转;力平衡控制;系统辨识中图分类号:T N 3 8 4 文献标志码:A A nE l e c t r i cS e l f-C a l i b r a t i o nM e t h o df o rB a n d w i d t ho fH e m i s p h e r i c a lR e s
5、o n a t o rG y r o s c o p eB a s e do nV i r t u a lC o r i o l i sF o r c eL IT i a n y u a n1,L IC h o n g1,P A NY a o2,T A N GX i n g y u a n2(1.M i c r o-S y s t e ma n dP r e c i s i o nC o n t r o lL a b o r a t o r y,O c e a nU n i v e r s i t yo fC h i n a,Q i n g d a o2 6 6 0 0 0,C h i n a
6、;2.S t a t eK e yL a b.o fE l e c t r o n i cT h i nF i l m sa n dI n t e g r a t e dD e v i c e s,N a t i o n a lU n i v e r s i t yo fD e f e n s eT e c h n o l o g y,C h a n g s h a4 1 0 0 7 3,C h i n a)A b s t r a c t:T h eh e m i s p h e r i c a l r e s o n a t o r g y r o s c o p e(HR G)i s ah
7、 i g h-p r e c i s i o n i n e r t i a l d e v i c ew i t h i m p o r t a n t a p p l i-c a t i o n s i na e r o s p a c ea n do t h e r f i e l d s,b u t i t s i n t r i n s i cb a n d w i d t h i sn a r r o w,a n dt h e r ea r eh i g hr e q u i r e m e n t s f o r t h ef o r c e-t o-r e b a l a n
8、c e(F T R)c o n t r o l l o o pa n db a n d w i d t ht e s t i n g m e t h o d s.I nt h i sp a p e r,an e wf a s te l e c t r i ct e s t i n gm e t h o df o r t h eb a n d w i d t ho f t h eh e m i s p h e r i c a l g y r o s c o p eb a s e do nt h ev i r t u a lC o r i o l i s f o r c e i sp r o p
9、o s e d,w h i c hc a nr e p l a c e t h ee x p e n s i v e i n s t r u m e n t ss u c ha sa n g u l a rv i b r a t i o nt a b l e t oc a r r yo u t r a p i ds e l f-c a l i b r a t i o no fh e m i s p h e r i c a lg y r o s c o p e,t h e r e b yp r o v i d i n gan e wt e c h n i c a l s o l u t i o
10、n f o r t h ed e s i g nm e t h o da n db a t c h t e s t i n go f h e m i s p h e r i c a l g y r o-s c o p e.F i r s t l y,t h ed y n a m i c e q u a t i o no f t h eh e m i s p h e r i c r e s o n a n t g y r o s c o p e i s a n a l y z e da t t h eb a s i c t h e o r e t i c a l l e v e l,a n dt
11、 h e i n t r i n s i cb a n d w i d t hs y s t e m m o d e l i se s t a b l i s h e d,w h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h e i n t r o d u c t i o no fv i r t u a l e l e c t r i cr o t a t i o na n ds e l f-c a l i b r a t i o nm e t h o d.T h e n,t h ee l e c t r i c r o
12、 t a t i o ne x c i t a t i o ns i g n a l b a s e do nt h ev i r t u a lC o r i o l i s f o r c ew a sd e s i g n e da n d i n t e g r a t e d i n t o t h eg y r o s c o p e i n t e r f a c e c i r c u i t s y s t e m.F i n a l l y,t h e f o r c e-t o-r e b a l a n c e(F T R)c o n t r o l l o o pw
13、a sd e s i g n e da n dw a sv e r i f i e db ye x p e r i m e n t.T h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ev i r t u a le l e c t r i cr o t a t i o n m e t h o dc a ne f f e c t i v e l ya n da c c u r a t e l yt e s ta n dc a l i b r a t et h eb a n d w i d t h o ft h eh e m i
14、s p h e r i c a lg y r o s c o p ew i t h o u th e l po fe x t e r n a le q u i p m e n t,t h e r e b ye f f e c t i v e l yp r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to fh i g h-p e r f o r m a n c ef o r c e-t o-r e b a l a n c ec o n t r o lm e t h o d sa n d i m p r o v i n gt h ee f f i c i e n
15、c yo fh e m i s p h e r i c a l g y r o s c o p eb a n d w i d t ht e s t i n g.K e yw o r d s:h e m i s p h e r i c a l r e s o n a t o r g y r o s c o p e;d y n a m i cm o d e l;v i r t u a l e l e c t r i c r o t a t i o n;f o r c e-t o-r e b a l a n c e c o n-t r o l;s y s t e mi d e n t i f i c
16、 a t i o n 0 引言半球谐振陀螺(HR G)具有高精度、高可靠性及长寿命等优势,在当今世界陀螺仪发展中越来越重要。自2 0世纪6 0年代起,半球谐振陀螺的研究开始蓬勃发展,9 0年代其逐步运用于深空探测。如今半球谐振陀螺已在舰船、卫星及导弹等武器装备上发挥导航、定位和姿态控制等关键作用1-2。在众多研究领域中,对半球谐振陀螺带宽的独立表征与改善动态性能成为提高半球谐振陀螺动态性能最关键的研究方向之一。一直以来,对半球谐振陀螺带宽的表征依赖于高精度角振动台,通过搭载陀螺进行物理旋转的方式实现带宽测试。此方法受限于设备大角加速度,控制系统精确度,设备运行引起环境高频噪声等各项不理想因素,
17、难以实现1 0H z量级的带宽测试。本文从半球谐振陀螺动力学原理出发,提出一种新型电学带宽自标定方法,可独立于外部贵重仪器对半球谐振陀螺带宽进行方便、迅速、准确标定测试,为半球谐振陀螺带宽标定开辟了新路径。其应用意义主要在于:1)与控制算法配合,促进高性能力平衡控制器的快速设计、优化和迭代。2)减少精密设备占用率,提高大批量半球谐振陀螺带宽标定的效率。1 半球谐振陀螺动力学原理1.1 基本运行原理半球谐振陀螺是一种基于科里奥利力对角速率进行检测的新型惯性器件3。其理想动力学模型如图1所示。使用以下微分方程可以表示理想情况下半球谐振陀螺动力学模型:m x(t)+cxx(t)+kxx(t)=Fx-
18、2m zy(t)m y(t)+cyy(t)+kyy(t)=Fy+2m zx(t)(1)式中:m为陀螺等效质量;Fx,Fy分别为X、Y振动模态方向上的驱动力;cx,cy分别为X、Y振动模态的阻尼耦合系数;kx,ky分别为X、Y振动模态的刚度耦合系数,x(t),y(t)分别为陀螺X、Y振动模态方向上的位移;z为以Z为轴,处于X Y平面内的外部角速率输入;为角增益系数,-fx(t)=Fxc o s(xt)和+fx(t)=Fxc o s(xt)分别为X、Y振动模态受到的科氏力。图1 半球谐振陀螺理想动力学模型1.2 运动学方程求解规定激励力fx(t)=Fxc o s(xt),求解此时的动力学方程的解可
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