液浮转子式微陀螺驱动结构仿真及优化

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1、国内图书分类号：TP274+.5学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工程硕士学位论文液浮转子式微陀螺驱动结构仿真与优化硕士研究生：陈楠导师：刘晓为教授申请学位：工程硕士学科：集成电路工程所在单位：航天学院答辩日期：2014年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学万方数据ClassifiedIndex:TP274+.5U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringSimulationandOptimizationontheDrivin

2、gStructureoftheLiquid-SuspendedRotorMicro-MiniatureGyroscopeCandidate：ChenNanSupervisor：Prof.XiaoweiLiuAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：IntegratedCircuitsEngineeringAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2014Degree-Conferr

3、ing-Institution：HarbinInstituteofTechnology万方数据哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要近年来，微陀螺仪发展迅速，具有高性能、微尺寸、低成本、低功耗等优点，是导航、定位等惯性系统不可缺少的重要部分。为了获得更高性能的微陀螺，哈工大MEMS中心创新性的提出了基于纳米超疏效应的球碟转子式微陀螺。这种球碟转子式新结构的微陀螺通过纳米加工技术在转子的关键部分形成超疏表面，利用超疏减阻效应解决摩擦问题，以实现转子高速稳定旋转。首先，本文中使用Maxwell仿真软件对液浮球碟转子

4、式微陀螺的驱动结构3D建模并对其电磁场、驱动力矩进行仿真，使用麦克斯韦方程组、T-Ω算法以及局部剖分法求瞬态解。根据针对不同驱动结构的仿真模型求解后得到驱动力矩的变化趋势，得到优化的驱动线圈数和相数的组合，确定了基于非交叠脉冲波形——12线圈6相24拍的微陀螺驱动方案。采用这种可以提供较大驱动力矩的驱动方案，继续优化定子线圈的安匝数和线径尺寸。仿真分析发现定子线圈的安匝数与驱动力矩呈线性增大的关系。使这两组参数满足提供较大驱动力矩、满足有限绕组空间并满足最大限度地降低热量损耗的要求，选择众多优化解中的一组，

5、得到安匝数90、线径0.0267mm的优化组合。本文继续对转子结构的尺寸参数进行仿真分析和优化。球碟形转子厚度和半径对驱动力矩的影响不可忽视，单一变量增大时均会影响驱动力矩单调上升。利用曲面拟合的方法获得两者与驱动力矩的函数关系，结果选择优化解之一的转子厚度2.5mm，转子直径5.0mm。最后，本文阐述了液浮转子式微陀螺驱动结构实验平台的搭建，并对各种驱动方案进行实验测试，验证仿真结果的合理性：12线圈交叠脉冲波形的驱动方案为转子提供的极限转速和驱动电流都远大于其它驱动方案，其驱动能力是最强的。本论文旨在以

6、提高驱动系统总体性能为出发点，为液浮微陀螺提供了一种优化的结构方案。关键词：液浮转子式微陀螺；驱动结构；电磁场分析；永磁同步无刷直流微电机-I-万方数据哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractInrecentyears,micro-gyroscopes,whichshowgoodcharacteristicsintheirminiaturization,low-costandlow-power,hasgainedafastdevelopment,andbecameanindispensablepart

7、innavigationandlocationsystem.TheMEMSCenterofHITrecentlyproposedanewliquid-suspendedrotormicro-miniaturegyroscopebasedonsuperhydrophobiceffectanditappliesabrand-newmicro-gyroscopedesignstructurewhoserotorputsonthesuperhydrophobiccoatingbynanofabricationtec

8、hnology.Inthisway,rotorcanreduceitsfrictionforceeffectivelyasitisworking,thustherotationalspeedandstabilityisimproved.Firstly,thecontentofthisthesisisbasedonmodelingandsimulatingtheelectromagneticfieldanddriv