[01278097]静电悬浮转子微陀螺悬浮控制系统建模仿真和实验研究

静电悬浮转子微陀螺利用静电悬浮控制系统使转子自由悬浮，从而消除了转子与定子之间的摩擦力，其具有比振动陀螺精度高的优点，并可同时测量两轴角速度和三轴线加速度。

本项目从静电悬浮控制的角度出发，对静电悬浮转子微陀螺悬浮控制关键技术进行研究。主要研究了四个方面，一是为实现悬浮控制系统建模，对转子五自由度悬浮控制系统模型进行阻尼和刚度分析，利用有限元对阻尼宏模型进行提取和分析，在平衡位置建立转子五自由度运动线性模型，设计静电支承控制器，得出支承刚度主要由控制器参数决定，设计适应五自由度的三种滞后-超前控制器。

二是利用CoventorWare 软件对静电悬浮转子微陀螺悬浮非集中控制进行系统级仿真研究，实现机电联合仿真，分析了起支控制、各种波形时间响应和加速度输入响应，在和实验结果进行比较的过程中得出该模型的可靠性。

三是根据欧拉动力学方程推导了双自由度陀螺力矩方程，得到静电悬浮转子微陀螺力矩平衡方程式，然后提出了两种再平衡回路设计方法，即采用校正回路结合PID 控制的再平衡回路设计和前馈解耦控制结合超前校正的力矩再平衡回路设计方法，最后通过仿真比较了这两种再平衡回路设计方法的优劣，得出采用前馈补偿解耦能消除控制回路的耦合，其具有动态响应速度快、过渡时间短、超调小等优点，为了消除反馈控制电压的耦合成分，采用数字解耦实现输出的全解耦。

四是在测控电路设计和实验方面，利用频分复用的检测原理和互相关方法实现了对转子的五自由度位置检测，提出一种基于DSP 的转子多自由度位置的控制方法，利用非集中控制结合智能控制策略对转子位置进行控制，实现转子的起支和稳定悬浮，通过实验测出起支过程中相应的动态性能指标。

成果的创新之处： （1）利用智能控制解决悬浮控制过程中大范围内起支的非线性问题，初步实现了静电悬浮转子微陀螺的悬浮控制，为旋转控制提供良好的条件。 （2）对转子五自由度运动的压膜阻尼和滑膜阻尼进行理论计算和有限元计算，提取系统宏模型，建立机电混合系统级仿真模型，与实验结果进行相互验证。

（3）建立了陀螺双自由度力矩平衡方程式，设计了再平衡回路，将控制解耦和数字解耦相结合，实现输出的全解耦。