氣動舵機有源振動條件下對石英音叉陀螺零位輸出影響

劉 奎，蔣軍彪，芶志平，劉立達

(1 西安現代控制技術研究所，西安 710065；2 中國電子科技集團第26研究所，重慶 400060；3 河南北方紅陽機電有限公司，河南 南陽 473000)

0 引言

石英音叉陀螺的振動元件是一個雙端音叉結構，驅動音叉被激勵以其自然頻率左右振動，當振動元件繞其垂直軸旋轉時，音叉受到哥氏力的作用產生一個垂直于音叉平面的振動，這個哥氏力運動傳遞到讀出音叉，使讀出音叉垂直于音叉平面振動。讀出音叉振動的幅度正比于驅動音叉運動的速度和外加角速度，通過制作在該音叉上的電極來檢測，被檢測的信號經過放大、同步檢波和濾波得到一個正比于輸入角速度的直流電壓輸出，原理框圖如圖1所示。

圖1 石英音叉陀螺工作原理

石英音叉陀螺主要包括敏感器件、電路以及結構3個部分。石英音叉陀螺的敏感器件采用石英晶體，經定向切割、雙面研磨、拋光成為石英晶片，然后，通過MEMS加工工藝制作成敏感芯片，敏感芯片再與外殼經芯片鍵合及引線鍵合完成整個敏感器件的制作。

敏感芯片結構參數對石英微機械陀螺的靈敏度和穩定性起關鍵性作用，如圖2所示。

圖2 高靈敏度X型敏感芯片

敏感芯片的結構參數不合適，會引起不同振動模式之間的耦合誤差，信號的輸出噪聲大；激勵和檢測端的頻率間隔不合適，可能造成石英音叉陀螺的靈敏度很低，或者靈敏度很高，噪聲又很大；敏感芯片的安裝區必須位于結構的節點，否則容易造成能量損失，影響石英音叉陀螺的穩定性。因此，需要設計合理的敏感芯片外形結構，對結構參數進行優化，并根據工藝條件和試驗結果，設計出大工藝容差的高靈敏度芯片結構，從而滿足性能指標的要求。

氣動舵機分為冷氣式和燃氣式兩種。冷氣式舵機采用高壓冷氣瓶中儲存的高壓氣體(空氣、氮氣或氦氣)作為氣源；燃氣式舵機采用固體燃料燃燒后所產生的氣體作為氣源。

氣動舵機發展較早，由于它具有結構簡單、造價低廉、消耗彈上能源少、對污染不甚敏感等優點，因此，至今仍有較高的使用價值。氣動舵機最大的缺點是氣體的可壓縮性限制了它的快速性和負載剛度的提高。尤其是高速開關電磁閥技術和脈寬調制(pulse width modulation，PWM)技術的結合應用，使小型氣動舵機的應用向前邁進了一大步。脈寬調制利用頻率較高的載波信號對緩變的輸入信號進行調制，將其轉變成一系列頻率與載波信號相同、幅值恒定、占空比與輸入信號成比例的信號。將此信號進行驅動放大后控制負載。

繼20世紀50年代美國斯佩里公司研制成功音叉振動陀螺之后，世界上很多國家的大學和公司都開始從事石英音叉陀螺的研制工作。其軍事應用領域也拓展到海、陸、空、天等各類穩定系統(通訊衛星天線、光學瞄準、導引頭)、控制系統(飛行控制器、姿態阻尼器)、制導系統(彈藥和無人機制導)等，將其體積小、重量輕、可靠性高、可大批量制造的特點發揮的淋漓盡致。針對彈體姿態測量控制要求中突出的抗沖擊和振動環境適應能力的研究是工程化應用石英音叉陀螺的關鍵，因此，文中針對已經在某型航空制導火箭項目中定型的石英音叉陀螺工程案列，分析研究特定氣動舵機影響下的石英音叉陀螺零位輸出狀態，為工程化應用石英音叉陀螺探索并指明提升環境適應能力的方向。

1 有源振動條件下陀螺輸出狀態

驅動音叉和讀出音叉的固有頻率分別為和，其差值Δ=-。理想情況下，靜態時讀出音叉無振動，DC輸出為零。因加工誤差等因素，靜態時讀出音叉有一定的耦合振動，輸出的信號稱為交流零位。理論上交流零位與哥氏信號正交，通過同步解調和濾波后可以消除。但實際上交流零位還包含有其他相位的成分(設其為)，在同步解調和濾波后產生直流零位，在幅度固定的情況下，通過偏置電路可以消除直流零位，使DC輸出為標稱零位電壓值。

讀出音叉的Q值較低，使其頻率-增益曲線具有一定的緩度。哥氏信號的頻率與驅動信號相同，即驅動頻率越接近讀出頻率，敏感器件的檢測靈敏度越高。為保證工作穩定并具有一定的帶寬，需要驅動音叉和讀出音叉有一定的頻率差Δ。

當陀螺產品處于力學振動環境中，力學振動頻率將疊加在驅動音叉上，使驅動音叉的振動中包含+的頻率，該頻率在讀出音叉上產生的耦合振動，同樣具有非正交成分。力學振動頻率越接近頻差值Δ，的幅度越大，直流零位的變化越大。當=Δ時，驅動音叉的振動中將包含+Δ=即讀出音叉的固有頻率，讀出音叉增益達到極大值，直流零位的變化量也達到最大值。

陀螺產品結構中有減振結構，具備一定的隔離外部力學振動的能力。但外部力學振動頻率接近或等于敏感器件的頻差值，且振動量級較大時，仍可能使陀螺產品輸出產生異常。在陀螺產品減振結構完全相同，忽略敏感器件安裝方向偏差的情況下，外部力學振動的方向與驅動音叉振動方向相同時，陀螺產品輸出異常情況最嚴重。

由于在非制導彈藥改造過程中和大部分彈藥制導化研制中，無法為陀螺儀創造類似于慣導系統的安裝環境和匹配地位，因此陀螺儀安裝于實際工作載體后，存在發動機、舵機等有源振動源頻率互相干涉的問題，同時彈體設計通常會要求陀螺儀必須適應彈體實際已經存在且無法改進的振動環境。在氣動舵機電磁閥啟動狀態下，電磁閥自帶的180 Hz±1 Hz確定頻率及其倍頻對部分陀螺的輸出噪聲帶上疊加有低頻調制信號，同時由于發動機的頻率多為隨機頻譜，在陀螺儀研制過程中已經完成其針對性驗證，只因舵機定頻及其倍頻幅度大且不可濾除，故而影響石英音叉陀螺儀正常使用。

2 陀螺零位輸出狀態分析

利用HP35670A動態分析儀對多種內部信號進行測試分析，對驅動信號(比較器的輸出)和讀出信號(解調前的前級放大器輸出)進行頻譜分析。

取掃描頻率范圍=驅動頻率±400 Hz進行測試。靜態下(載體未振動時)驅動頻譜見圖3。驅動信號1、2和3的峰值點分別為11.348 kHz、11.120 kHz和11.307 kHz，幅度大致相同。

圖3 靜態下驅動信號的頻譜

當載體在180 Hz振動狀態時，以同樣頻率范圍測試的頻譜見圖4。圖中顯示出在180 Hz振動狀態下，驅動信號均出現了有規律的頻率成分，經計算這些頻率成分為180 Hz振動的高次諧波。取頻率范圍=驅動頻率±50 Hz后，驅動信號2中可清晰地分辨出接近驅動頻率的諧波(見圖5)。

圖4 180 Hz振動下驅動信號的頻譜

圖5 180 Hz振動下驅動信號的展寬頻譜

由此可以確定載體振動將在驅動音叉上產生高次諧波，其頻率與陀螺輸出中的低頻波動頻率具有明確的對應關系。根據電路原理，讀出信號經相敏解調和低通濾波等電路處理后，驅動頻率±50 Hz以外的信號將被濾除。陀螺的輸出信號主要取決于讀出音叉的振動。讀出信號中產生的載體振動的高次諧波成分，可能來自驅動音叉——讀出音叉的傳遞模式，也有可能來自載體振動對讀出音叉的直接作用，或兩者共同作用。

根據電路原理，讀出信號經后級電路處理后，驅動頻率轉變為陀螺輸出信號的直流成分，諧波頻率在陀螺輸出中將產生低頻交流成分，頻率為驅動與諧波的差值。載體振動的高次諧波是造成陀螺輸出異常的主要原因。

3 問題解決方法和驗證試驗

根據上述分析結果，對陀螺輸出產生低頻波動的異常現象，應該從兩個方面解決：第一是提高陀螺的敏感器件對外界振動的抑制能力；第二是使陀螺敏感器件的驅動頻率避開載體振動的高次諧波頻率。

3.1 提高敏感器件對外界振動的抑制能力

首先，進行機械結構仿真分析，排除固有頻率接近敏感器件驅動頻率和讀出頻率的可能。

其次，根據載體頻率合理確定敏感器件的驅動頻率，為陀螺裝配時合理選擇提供方便，避免驅動頻率接近載體振動高次諧波頻率。

為研究敏感器件固有頻率，使用了COMSOL下固體力學模塊，對敏感器件進行了建模和仿真，仿真結果如表1所示，其中驅動模態頻率為11 299 Hz，敏感模態頻率為12 955 Hz。

表1 敏感器件模態頻率表

3.2 合理選取敏感器件的驅動頻率以避開載體振動高次諧波頻率

為使敏感器件驅動頻率避開載體振動高次諧波頻率，需要掌握具體的載體振動頻率以及其分散情況。可以通過計算對敏感器件的驅動頻率進行選取，以避免陀螺輸出中可能出現的低頻波動。陀螺敏感器件的驅動頻率一般在10 880～11 720 Hz，考慮計算需要的余量后，選取驅動頻率范圍為10 700～11 900 Hz。載體振動頻率范圍越寬、諧波倍次越高，其占據的頻率資源越多，扣除預留的間隔頻率后，可供選擇的敏感器件驅動頻率范圍越小，甚至不存在。由此可見，對應于載體振動頻率的分散性，如果分散性較大，則無法獲得批次性的敏感器件驅動頻率選取數據。

假設載體振動頻率范圍是175～185 Hz，根據載體實際特性，可分辨頻率值0.01～0.1 Hz。驅動信號1和驅動信號2對應的驅動頻率分別為：11.307 kHz、11.348 kHz，將試驗的振動頻率和理論波動頻率列于表2。

表2 試驗振動頻率取值 單位：Hz

3.3 驗證試驗結果

按表2數據進行驗證試驗，各陀螺輸出信號波形見圖6、圖7。

圖6 驅動信號1在各振動頻率下的輸出波形

圖7 驅動信號2在各振動頻率下的輸出波形

試驗結果統計見表3。需要說明的是，對U1在各振動頻率點測試時，同時測試了U2的輸出；對U2在各振動頻率點測試時，也同時測試了U1的輸出。根據結果，各路陀螺的輸出在表3所列頻率點外均無低頻波動現象。

表3 振動試驗結果統計

為驗證載體頻率對石英音叉陀螺儀的驅動頻率的影響，進行振動試驗驗證。首先表2中有明顯現象的陀螺儀和無明顯現象的陀螺儀在振動臺上同時安裝，將振動傳感器安裝在產品頂蓋上，對陀螺儀進行20～8 000 Hz掃頻試驗，陀螺儀輸出曲線如圖8、圖9所示。從圖中可以看出，有明顯頻率干擾的陀螺儀輸出在特征干擾頻率(180 Hz載體倍頻)時陀螺儀的零位輸出異常尖峰很大，但是在計算條件下沒有明顯頻率干擾的陀螺儀產品零位輸出基本正常。

圖8 陀螺儀與載體倍頻干擾時的零位輸出

圖9 陀螺儀與載體頻率無干擾時的零位輸出

為研究載體振動頻率對石英音叉陀螺儀產生驅動響應的原因，進行振動仿真測試。仿真主要使用了COMSOL有限元軟件下固體力學模塊。將敏感器件分為兩組，其中一組于錨點處添加180 Hz載體振動頻率。兩組同時將驅動力以載荷的方式附加于驅動音叉，對陀螺結構進行20～8 000 Hz掃頻仿真。根據壓電陀螺原理，將敏感音叉最大位移替代陀螺輸出電壓作為仿真結果輸出。仿真結果如圖10、圖11所示。

圖10 載體倍頻干擾下的敏感音叉零位位移輸出

圖11 無載體倍頻干擾下的敏感音叉零位位移輸出

從圖中可以看出，比較之下載體倍頻干擾下敏感音叉異常位移響應尖峰明顯擴大。由此可以判斷載體倍頻干擾下陀螺儀的零位輸出異常尖峰擴大原因為載體倍頻干擾下敏感音叉于驅動頻率異常位移響應擴大。

為進一步驗證實際情況，將175 Hz±0.5 Hz載體工作時的真實振動曲線作為輸入條件對上述兩只陀螺儀產品進行振動臺振動試驗，陀螺儀零位輸出曲線如圖12、圖13所示。從圖中可以看出，當載體和陀螺儀同時正常工作時，不進行頻率匹配的陀螺儀零位輸出隨振動時間增加對載體頻率及其倍頻敏感度逐漸增加，進行了頻率篩選的陀螺儀零位輸出數據正常。

圖12 陀螺儀未進行頻率匹配時輸出的故障曲線

圖13 陀螺儀進行頻率匹配后輸出的正常曲線

4 結論

針對石英音叉陀螺儀在試驗過程中出現的受載體振動頻率激發輸出不正常的故障現象，經過理論分析石英音叉陀螺儀工作機理，研究了外界安裝環境對石英音叉陀螺儀在振動條件下工作時的驅動頻率影響方式。對石英音叉陀螺儀在不同驅動頻率下對不同載體頻率及其倍頻的影響進行了對比分析和振動試驗驗證，試驗結果表明：石英音叉陀螺儀驅動頻率受到載體基頻及其倍頻的影響較大，實際工程應用時需要綜合考慮載體可能存在的共振頻率及其倍頻，在石英音叉陀螺儀驅動頻率及其頻差選擇和載體基頻及其倍頻選取時達到平衡。研究成果具有廣泛的代表性和一致性，為石英音叉陀螺儀針對制導彈藥彈上環境適應能力匹配性設計和驗證提供了明確的研究方向，具有指導意義。