气动舵机有源振动条件下对石英音叉陀螺零位输出影响

刘 奎，蒋军彪，芶志平，刘立达

(1 西安现代控制技术研究所，西安 710065；2 中国电子科技集团第26研究所，重庆 400060；3 河南北方红阳机电有限公司，河南 南阳 473000)

0 引言

石英音叉陀螺的振动元件是一个双端音叉结构，驱动音叉被激励以其自然频率左右振动，当振动元件绕其垂直轴旋转时，音叉受到哥氏力的作用产生一个垂直于音叉平面的振动，这个哥氏力运动传递到读出音叉，使读出音叉垂直于音叉平面振动。读出音叉振动的幅度正比于驱动音叉运动的速度和外加角速度，通过制作在该音叉上的电极来检测，被检测的信号经过放大、同步检波和滤波得到一个正比于输入角速度的直流电压输出，原理框图如图1所示。

图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、电路以及结构3个部分。石英音叉陀螺的敏感器件采用石英晶体，经定向切割、双面研磨、抛光成为石英晶片，然后，通过MEMS加工工艺制作成敏感芯片，敏感芯片再与外壳经芯片键合及引线键合完成整个敏感器件的制作。

敏感芯片结构参数对石英微机械陀螺的灵敏度和稳定性起关键性作用，如图2所示。

图2 高灵敏度X型敏感芯片

敏感芯片的结构参数不合适，会引起不同振动模式之间的耦合误差，信号的输出噪声大；激励和检测端的频率间隔不合适，可能造成石英音叉陀螺的灵敏度很低，或者灵敏度很高，噪声又很大；敏感芯片的安装区必须位于结构的节点，否则容易造成能量损失，影响石英音叉陀螺的稳定性。因此，需要设计合理的敏感芯片外形结构，对结构参数进行优化，并根据工艺条件和试验结果，设计出大工艺容差的高灵敏度芯片结构，从而满足性能指标的要求。

气动舵机分为冷气式和燃气式两种。冷气式舵机采用高压冷气瓶中储存的高压气体(空气、氮气或氦气)作为气源；燃气式舵机采用固体燃料燃烧后所产生的气体作为气源。

气动舵机发展较早，由于它具有结构简单、造价低廉、消耗弹上能源少、对污染不甚敏感等优点，因此，至今仍有较高的使用价值。气动舵机最大的缺点是气体的可压缩性限制了它的快速性和负载刚度的提高。尤其是高速开关电磁阀技术和脉宽调制(pulse width modulation，PWM)技术的结合应用，使小型气动舵机的应用向前迈进了一大步。脉宽调制利用频率较高的载波信号对缓变的输入信号进行调制，将其转变成一系列频率与载波信号相同、幅值恒定、占空比与输入信号成比例的信号。将此信号进行驱动放大后控制负载。

继20世纪50年代美国斯佩里公司研制成功音叉振动陀螺之后，世界上很多国家的大学和公司都开始从事石英音叉陀螺的研制工作。其军事应用领域也拓展到海、陆、空、天等各类稳定系统(通讯卫星天线、光学瞄准、导引头)、控制系统(飞行控制器、姿态阻尼器)、制导系统(弹药和无人机制导)等，将其体积小、重量轻、可靠性高、可大批量制造的特点发挥的淋漓尽致。针对弹体姿态测量控制要求中突出的抗冲击和振动环境适应能力的研究是工程化应用石英音叉陀螺的关键，因此，文中针对已经在某型航空制导火箭项目中定型的石英音叉陀螺工程案列，分析研究特定气动舵机影响下的石英音叉陀螺零位输出状态，为工程化应用石英音叉陀螺探索并指明提升环境适应能力的方向。

1 有源振动条件下陀螺输出状态

驱动音叉和读出音叉的固有频率分别为和，其差值Δ=-。理想情况下，静态时读出音叉无振动，DC输出为零。因加工误差等因素，静态时读出音叉有一定的耦合振动，输出的信号称为交流零位。理论上交流零位与哥氏信号正交，通过同步解调和滤波后可以消除。但实际上交流零位还包含有其他相位的成分(设其为)，在同步解调和滤波后产生直流零位，在幅度固定的情况下，通过偏置电路可以消除直流零位，使DC输出为标称零位电压值。

读出音叉的Q值较低，使其频率-增益曲线具有一定的缓度。哥氏信号的频率与驱动信号相同，即驱动频率越接近读出频率，敏感器件的检测灵敏度越高。为保证工作稳定并具有一定的带宽，需要驱动音叉和读出音叉有一定的频率差Δ。

当陀螺产品处于力学振动环境中，力学振动频率将叠加在驱动音叉上，使驱动音叉的振动中包含+的频率，该频率在读出音叉上产生的耦合振动，同样具有非正交成分。力学振动频率越接近频差值Δ，的幅度越大，直流零位的变化越大。当=Δ时，驱动音叉的振动中将包含+Δ=即读出音叉的固有频率，读出音叉增益达到极大值，直流零位的变化量也达到最大值。

陀螺产品结构中有减振结构，具备一定的隔离外部力学振动的能力。但外部力学振动频率接近或等于敏感器件的频差值，且振动量级较大时，仍可能使陀螺产品输出产生异常。在陀螺产品减振结构完全相同，忽略敏感器件安装方向偏差的情况下，外部力学振动的方向与驱动音叉振动方向相同时，陀螺产品输出异常情况最严重。

由于在非制导弹药改造过程中和大部分弹药制导化研制中，无法为陀螺仪创造类似于惯导系统的安装环境和匹配地位，因此陀螺仪安装于实际工作载体后，存在发动机、舵机等有源振动源频率互相干涉的问题，同时弹体设计通常会要求陀螺仪必须适应弹体实际已经存在且无法改进的振动环境。在气动舵机电磁阀启动状态下，电磁阀自带的180 Hz±1 Hz确定频率及其倍频对部分陀螺的输出噪声带上叠加有低频调制信号，同时由于发动机的频率多为随机频谱，在陀螺仪研制过程中已经完成其针对性验证，只因舵机定频及其倍频幅度大且不可滤除，故而影响石英音叉陀螺仪正常使用。

2 陀螺零位输出状态分析

利用HP35670A动态分析仪对多种内部信号进行测试分析，对驱动信号(比较器的输出)和读出信号(解调前的前级放大器输出)进行频谱分析。

取扫描频率范围=驱动频率±400 Hz进行测试。静态下(载体未振动时)驱动频谱见图3。驱动信号1、2和3的峰值点分别为11.348 kHz、11.120 kHz和11.307 kHz，幅度大致相同。

图3 静态下驱动信号的频谱

当载体在180 Hz振动状态时，以同样频率范围测试的频谱见图4。图中显示出在180 Hz振动状态下，驱动信号均出现了有规律的频率成分，经计算这些频率成分为180 Hz振动的高次谐波。取频率范围=驱动频率±50 Hz后，驱动信号2中可清晰地分辨出接近驱动频率的谐波(见图5)。

图4 180 Hz振动下驱动信号的频谱

图5 180 Hz振动下驱动信号的展宽频谱

由此可以确定载体振动将在驱动音叉上产生高次谐波，其频率与陀螺输出中的低频波动频率具有明确的对应关系。根据电路原理，读出信号经相敏解调和低通滤波等电路处理后，驱动频率±50 Hz以外的信号将被滤除。陀螺的输出信号主要取决于读出音叉的振动。读出信号中产生的载体振动的高次谐波成分，可能来自驱动音叉——读出音叉的传递模式，也有可能来自载体振动对读出音叉的直接作用，或两者共同作用。

根据电路原理，读出信号经后级电路处理后，驱动频率转变为陀螺输出信号的直流成分，谐波频率在陀螺输出中将产生低频交流成分，频率为驱动与谐波的差值。载体振动的高次谐波是造成陀螺输出异常的主要原因。

3 问题解决方法和验证试验

根据上述分析结果，对陀螺输出产生低频波动的异常现象，应该从两个方面解决：第一是提高陀螺的敏感器件对外界振动的抑制能力；第二是使陀螺敏感器件的驱动频率避开载体振动的高次谐波频率。

3.1 提高敏感器件对外界振动的抑制能力

首先，进行机械结构仿真分析，排除固有频率接近敏感器件驱动频率和读出频率的可能。

其次，根据载体频率合理确定敏感器件的驱动频率，为陀螺装配时合理选择提供方便，避免驱动频率接近载体振动高次谐波频率。

为研究敏感器件固有频率，使用了COMSOL下固体力学模块，对敏感器件进行了建模和仿真，仿真结果如表1所示，其中驱动模态频率为11 299 Hz，敏感模态频率为12 955 Hz。

表1 敏感器件模态频率表

3.2 合理选取敏感器件的驱动频率以避开载体振动高次谐波频率

为使敏感器件驱动频率避开载体振动高次谐波频率，需要掌握具体的载体振动频率以及其分散情况。可以通过计算对敏感器件的驱动频率进行选取，以避免陀螺输出中可能出现的低频波动。陀螺敏感器件的驱动频率一般在10 880～11 720 Hz，考虑计算需要的余量后，选取驱动频率范围为10 700～11 900 Hz。载体振动频率范围越宽、谐波倍次越高，其占据的频率资源越多，扣除预留的间隔频率后，可供选择的敏感器件驱动频率范围越小，甚至不存在。由此可见，对应于载体振动频率的分散性，如果分散性较大，则无法获得批次性的敏感器件驱动频率选取数据。

假设载体振动频率范围是175～185 Hz，根据载体实际特性，可分辨频率值0.01～0.1 Hz。驱动信号1和驱动信号2对应的驱动频率分别为：11.307 kHz、11.348 kHz，将试验的振动频率和理论波动频率列于表2。

表2 试验振动频率取值 单位：Hz

3.3 验证试验结果

按表2数据进行验证试验，各陀螺输出信号波形见图6、图7。

图6 驱动信号1在各振动频率下的输出波形

图7 驱动信号2在各振动频率下的输出波形

试验结果统计见表3。需要说明的是，对U1在各振动频率点测试时，同时测试了U2的输出；对U2在各振动频率点测试时，也同时测试了U1的输出。根据结果，各路陀螺的输出在表3所列频率点外均无低频波动现象。

表3 振动试验结果统计

为验证载体频率对石英音叉陀螺仪的驱动频率的影响，进行振动试验验证。首先表2中有明显现象的陀螺仪和无明显现象的陀螺仪在振动台上同时安装，将振动传感器安装在产品顶盖上，对陀螺仪进行20～8 000 Hz扫频试验，陀螺仪输出曲线如图8、图9所示。从图中可以看出，有明显频率干扰的陀螺仪输出在特征干扰频率(180 Hz载体倍频)时陀螺仪的零位输出异常尖峰很大，但是在计算条件下没有明显频率干扰的陀螺仪产品零位输出基本正常。

图8 陀螺仪与载体倍频干扰时的零位输出

图9 陀螺仪与载体频率无干扰时的零位输出

为研究载体振动频率对石英音叉陀螺仪产生驱动响应的原因，进行振动仿真测试。仿真主要使用了COMSOL有限元软件下固体力学模块。将敏感器件分为两组，其中一组于锚点处添加180 Hz载体振动频率。两组同时将驱动力以载荷的方式附加于驱动音叉，对陀螺结构进行20～8 000 Hz扫频仿真。根据压电陀螺原理，将敏感音叉最大位移替代陀螺输出电压作为仿真结果输出。仿真结果如图10、图11所示。

图10 载体倍频干扰下的敏感音叉零位位移输出

图11 无载体倍频干扰下的敏感音叉零位位移输出

从图中可以看出，比较之下载体倍频干扰下敏感音叉异常位移响应尖峰明显扩大。由此可以判断载体倍频干扰下陀螺仪的零位输出异常尖峰扩大原因为载体倍频干扰下敏感音叉于驱动频率异常位移响应扩大。

为进一步验证实际情况，将175 Hz±0.5 Hz载体工作时的真实振动曲线作为输入条件对上述两只陀螺仪产品进行振动台振动试验，陀螺仪零位输出曲线如图12、图13所示。从图中可以看出，当载体和陀螺仪同时正常工作时，不进行频率匹配的陀螺仪零位输出随振动时间增加对载体频率及其倍频敏感度逐渐增加，进行了频率筛选的陀螺仪零位输出数据正常。

图12 陀螺仪未进行频率匹配时输出的故障曲线

图13 陀螺仪进行频率匹配后输出的正常曲线

4 结论

针对石英音叉陀螺仪在试验过程中出现的受载体振动频率激发输出不正常的故障现象，经过理论分析石英音叉陀螺仪工作机理，研究了外界安装环境对石英音叉陀螺仪在振动条件下工作时的驱动频率影响方式。对石英音叉陀螺仪在不同驱动频率下对不同载体频率及其倍频的影响进行了对比分析和振动试验验证，试验结果表明：石英音叉陀螺仪驱动频率受到载体基频及其倍频的影响较大，实际工程应用时需要综合考虑载体可能存在的共振频率及其倍频，在石英音叉陀螺仪驱动频率及其频差选择和载体基频及其倍频选取时达到平衡。研究成果具有广泛的代表性和一致性，为石英音叉陀螺仪针对制导弹药弹上环境适应能力匹配性设计和验证提供了明确的研究方向，具有指导意义。