Главная » 2014 » Сентябрь » 20 » Скачать Исследование динамических характеристик чувствительного элемента микромеханического гироскопа. Шадрин, Юрий Владимирович бесплатно
19:51
Скачать Исследование динамических характеристик чувствительного элемента микромеханического гироскопа. Шадрин, Юрий Владимирович бесплатно
Исследование динамических характеристик чувствительного элемента микромеханического гироскопа
Диссертация
Автор: Шадрин, Юрий Владимирович
Название: Исследование динамических характеристик чувствительного элемента микромеханического гироскопа
Справка: Шадрин, Юрий Владимирович. Исследование динамических характеристик чувствительного элемента микромеханического гироскопа : диссертация кандидата технических наук : 05.11.03 Санкт-Петербург, 2005 137 c. : 61 05-5/4257
Объем: 137 стр.
Информация: Санкт-Петербург, 2005
Содержание:
Введение
1 Уравнения движения ротора микромеханического гироскопа
11 Обзор конструктивных схем
12 Принцип действия
13 Вывод уравнений ротора микромеханического гироскопа
14 Влияние отдельных слагаемых в уравнениях ММГ
2 Первичные колебания ротора ММГ
21 Требования к первичным колебаниям
22 Расчет момента электростатического привода
23 Способы возбуждения первичных колебаний в режиме х автогенерации
24 Результаты моделирования системы стабилизации амплитуды в режиме автогенерации
25 Сравнение схем автогенерации с интегрированием и дифференцированием
26 Влияние нелинейности жесткости на характеристики ММГ
3 Выходные колебания ротора ММГ
31 Оценка полосы пропускания ММГ при работе в разомкнутом контуре
32 Расчет датчика угла по оси выходных колебаний
33 Исследование передаточных функций по ошибке
34 Аналитическая модель микромеханического гироскопа
4 Методика и результаты экспериментальных исследований
41 Определение перечня исследуемых параметров
42 Блок-схема контрольно-проверочной аппаратуры для проведения испытании
43 Методики испытаний
44 Методики обработки информации
45 Экспериментальная оценка резонансных частот
46 Оценка влияния угловой скорости на амплитуду первичных
• „ 116 колебании
47 Определение изменения величины масштабного коэффициента при изменении амплитуды первичных колебаний в условиях нелинейной жесткости
Введение:
Актуальность работы. Развитие техники бесплатформенных инерци-альных навигационных систем, предназначенных для определения местоположения, параметров угловой ориентации и параметров движения подвижных объектов в пространстве в течение относительно малых интервалов времени автономной работы при жестких ограничениях на массо-габаритные характеристики, потребовало создания нового класса специализированных прецизионных устройств — микромеханических инерциальных датчиков. Эти датчики (гироскопы и акселерометры) характеризуются: малыми размерами (единицы кубических сантиметров), устойчивостью к ударным воздействиям, совершенно новой в данной области, полностью автоматизированной технологией изготовления [1, 2, 3, 49, 50, 51, 53, 59, 62, 73, 79], отработанной в производстве изделий микроэлектроники [75, 81, 82, 83]. Групповая технология позволяет изготавливать одновременно партии датчиков из одной заготовки в виде пластины кремния. Предполагается, что при массовом производстве такие датчики, конечно, имеющие точностные показатели, на порядки более низкие, чем используемые в относительно крупногабаритных корабельных и самолетных инерциальных навигационных системах, будут иметь низкую стоимость (десятки долларов).
Все перечисленное выше позволило открыть для бесплатформенных инерциальных навигационных систем с микромеханическими датчиками новые области применения, недоступные ранее для крупногабаритных и дорогих приборов. Одним из основных потребителей микромеханических инерциальных датчиков (ММИД) на сегодняшний день является автомобильная промышленность, использующая их в качестве источников первичной информации о параметрах движения автомобиля для построения систем контроля и безопасности [54, 57]. Широкое применение находят ММИД в современных видеокамерах, биноклях, мобильных телефонах и игрушках. Инерциальные навигационные системы с ММИД перспективны также для различных отраслей военной техники [55, 56, 60, 61].
Работы по созданию ММИД берут свое начало с 80-х гг. в рамках так называемой "Программы Звездных Войн" с целью создания высокоточного оружия (Smart Munition). Позднее, в связи с закрытием этой программы и снижением объема финансирования, дальнейшее развитие работ было в значительной мере поддержано частными инвесторами для коммерческого применения ММИД. В дальнейшем оказалось, что гражданский рынок ММИД значительно превышает емкость рынка военного применения и измеряется многими миллиардами долларов. В результате США, Германия и Япония уже имеют законченные разработки, на базе которых организовано крупносерийное производство [55, 56, 65, 66]. В последние годы в процесс создания ММИД включились Россия и Китай [86, 87, 88, 89, 90, 102]. Российские разработчики отстают от перечисленных выше стран, что объясняется низким уровнем в области технологии микроэлектроники. Тем не менее, уже сегодня созданы образцы микромеханических акселерометров, а появление микромеханических гироскопов (ММГ) является делом ближайшего будущего.
Как и в других областях, разработка новых образцов микромеханических датчиков сопровождается многоаспектными теоретическими и экспериментальными исследованиями [9, 49, 74, 77, 78, 84, 85, 91, 93]. Микромеханический вибрационный гироскоп представляет собой сложную мехатрон-ную систему, в которой чувствительному элементу задаются угловые или линейные колебания постоянной амплитуды в некоторой плоскости. При вращении основания кориолисовы силы вызывают колебания вокруг оси,-перпендикулярной к оси первичных колебаний, с амплитудой, пропорциональной угловой скорости. Математическое моделирование такой системы является необходимым этапом разработки. Важным и актуальным на начальном этапе разработки микромеханических гироскопов является исследование динамики движения чувствительного элемента при упрощенном его представлении в математической модели в виде системы с сосредоточенными параметрами, что необходимо для создания инженерных методов расчета. По результатам подобных исследований устанавливаются соотношения различных конструктивных, кинематических и динамических параметров, а затем и метрологических характеристик (масштабного коэффициента, коэффициентов динамических ошибок, показателей длительности переходных процессов, частотных характеристик, параметров ряда влияющих факторов и т.д.). После получения экспериментальных данных возможна корректировка и дополнение модели для использования на следующих этапах разработки. При этом важными и весьма актуальными являются обоснованный выбор методов испытаний, разработка методик и программ испытаний, проведение испытаний и интерпретация их результатов. По результатам испытаний оцениваются те свойства и характеристики, которые или не Moiyr быть получены рас-четно (например, разброс параметров по экземплярам, уровни шумов, смещения нулей, показатели чувствительности), а также определяются или уточняются параметры модели ММГ. Такой подход использован при разработке ММГ в ЦНИИ "Электроприбор".
Цель работы
Целью настоящей диссертационной работы является разработка на базе построенной математической модели научно обоснованных методик расчета ряда важных характеристик точности и стабильности дискового микромеханического гироскопа, а также разработка и опробование на серии изготовленных образцов методик испытаний чувствительного элемента.
Основные задачи исследования
Поставленная цель достигается решением совокупности задач, из которых основными являются перечисленные ниже.
1. Исследование современного состояния и основных тенденций развития в области разработки теории ММГ.
2. Построение математических моделей, описывающих динамику чувствительного элемента, разработка программного обеспечения для автоматизированного исследования ММГ на математических моделях.
3. Проведение математического моделирования и исследование автоколебательного контура возбуждения и стабилизации амплитуд первичных колебаний с учетом особенностей структуры электронных цепей и нелинейности механической системы.
4. Проведение математического моделирования и исследование выходных колебаний чувствительного элемента ММГ, расчет таких технических характеристик, как переходные процессы при скачкообразном законе изменения измеряемой угловой скорости, частотные характеристики по измеряемой угловой скорости, оценки влияния на эти характеристики доброт-ностей контуров и расстройки по частотам.
5. Разработка методик стендовых натурных и полу натурных испытаний экспериментальных образцов ММГ и обработки данных измерений с целью повышения точности и достоверности результатов.
6. Испытания экспериментальных образцов ММГ, экспериментальное определение их основных характеристик и уточнение математических моделей по результатам экспериментов.
7. Формулирование научно обоснованных предложений по изменению конструктивных параметров механических частей ММГ, по выбору структур и режимов работы электронных схем и по расширению программ исследовательских испытаний.
Методы исследования. В работе используются методы теоретической механики, теории автоматического управления, теории нелинейных колебаний, численные методы решения дифференциальных уравнений. Программное обеспечение разработано в среде MatLab.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что результаты математического моделирования и испытаний, проведенных по разработанной методике, позволяют сделать обоснованные выводы относительно влияния конструктивных параметров и параметров электронных схем на характеристики точности ММГ.
Достоверность результатов работы определяется правильным использованием законов механики и электротехники при построении математической модели, корректным использованием математических методов, положенных в основу исследований, а также успешной практической апробацией рекомендаций, полученных на основе теоретических разработок.
Практическая ценность диссертации заключается в том, что в ней:
• предложена упрощенная математическая модель чувствительного элемента дискового ММГ и получена система расчетных соотношений, используемых на начальном этапе проектирования ММГ;
• разработана методика испытаний кремниевых чувствительных элементов, позволяющая определять основные конструктивные параметры, а также производить отбор годных изделий;
• результаты исследования контура возбуждения и стабилизации первичных колебаний применяются при создании опытного образца цифровой системы управления микромеханического гироскопа.
