MEMS偏航角速度传感器在旋转导弹稳定回路中的应用
于家福1，邢朝洋2，朱政强2，孙 鹏2
【摘 要】在旋转导弹稳定回路中，采用MEMS偏航角速度传感器用于弹体偏航角速度的测量，偏航角速度传感器是旋转导弹控制回路的重要组成部分。提出了一种全新的MEMS偏航角速度传感器技术方案，解决了MEMS偏航角速度传感器正交耦合、力学环境适应性、波形畸变等问题，实现了旋转导弹偏航角速度信号的精确测量。 【期刊名称】导航与控制 【年(卷),期】2019(018)002 【总页数】6
【关键词】微机电系统；偏航角速度传感器；稳定回路；旋转导弹
0 引言
偏航角速度传感器主要被用于旋转导弹单通道控制系统的稳定回路（阻尼回路），以增加导弹的等效阻尼系数，输出与弹体偏航轴角速度成比例的正弦波信号。当导弹接近目标时，弹体抖动加大，若无角速度传感器构成的阻尼回路，将导致脱靶量增加。阻尼回路的关键在于偏航角速度传感器［1-4］。
目前，旋转导弹稳定回路采用液浮陀螺或无驱动偏航角速度传感器［5-7］。其中，无驱动偏航角速度传感器是一种依靠弹体自旋转而获得转子（质量）角动量（H）的陀螺。从陀螺的原理可知，陀螺力矩＝H×Ω＝J×ω×Ω。由于弹体自旋转，滚动轴旋转角速率ω是不断变化的，因而导致陀螺力矩随弹体自旋而产生波动，进而致使偏航角速度的幅值发生波动，正交耦合误差加大，相位也随之产生波动。
为了满足武器系统结构简单、质量小、成本低的发展趋势，旋转导弹稳定回路对MEMS偏航角速度传感器提出了明确需求。
1 偏航角速度传感器的工作原理
如图1和图2所示，稳定回路中的偏航角速度传感器用于测量导弹绕弹体坐标系的横向角速度，并将其作为反馈信号输入到系统中，以改善导弹的阻尼特性。 旋转导弹单通道控制系统有自身的特点，控制信息要求以幅值、相位、频率来进行描述。输入信号频率与导弹自旋频率需严格一致，信号在传递过程中不允许产生相位畸变。因此，对稳定回路中角速度传感器的输出要求如图3所示。 当弹体滚动轴方向以˙φ的角速度旋转，偏航轴方向又有角速度Ω输入时，偏航角速度传感器将感受到周期性变化的哥氏力，其输出可表示为
式中，Vout为角速度传感器输出，单位为V；K0为角速度传感器零位，单位为V；K1为角速度传感器的比例系数， 单位为 V/［（°）/s］； Ω 为偏航轴向输入角速度，单位为（°）/s；˙φ为滚动轴向弹旋频率，单位为Hz；φ为角速度传感器输出初始相位，单位为rad。
2 偏航角速度传感器的设计
2.1 偏航角速度传感器的总体设计方案
MEMS偏航角速度传感器用于敏感弹体偏航/俯仰轴向的角速度信号，在设计时采用了敏感轴向在平面内的振动轮式结构MEMS陀螺的方案，如图4所示。 MEMS陀螺的驱动环路采用了幅值闭环和相位闭环的双闭环控制回路设计，检测环路采用了开环检测的方案，简化了MEMS陀螺检测环路的电路设计。 检测环路还包括了幅值调节、相位调节等环节，以实现在滚动轴高速旋转条件下的偏航轴向角速度测量。
2.2 偏航角速度传感器的数学模型
建立偏航角速度传感器的数学模型，采用频域分析法进行分析，分析结果如图5所示。可以看出，在6Hz～13Hz小范围内，幅值和相位特性工作在平坦段，满足使用要求。
其中，Vout为偏航角速度传感器输出，单位为V； Ω 为输入角速率， 单位为（°）/s。
2.3 偏航角速度传感器的测试数据
将MEMS偏航角速度传感器安装在双轴转台上进行性能测试。在试验时，滚动轴方向设定3600（°）/s（10Hz）的角速率， 偏航轴方向分别设定30（°）/s、 60（°）/s、 90（°）/s、 120（°）/s、 180（°）/s， 记录下MEMS偏航角速度传感器的输出，如图6所示。
在试验时，滚动轴方向分别设定为2160（°）/s、2520（°）/s、 2880 （°）/s、 3240 （°）/s、 3600 （°）/s、3960（°）/s、 4320（°）/s、 4680（°）/s（6Hz～13Hz）的角速率，偏航轴方向设定50（°）/s，记录下MEMS角速度传感器的输出幅值和相位随弹旋频率的变化，如图7和图8所示。
3 MEMS偏航角速度传感器的应用研究
3.1 正交耦合误差分析
MEMS偏航角速度传感器用于弹体偏航（俯仰）轴向角速率的测量，非敏感轴向随弹体以较高的滚动角速率高速旋转。由于MEMS偏航角速度传感器的安装误差，在实际工作中，滚动轴方向的大角速率将会被耦合到MEMS偏航角速度传感器的敏感轴方向，即出现滚动轴向与偏航轴向或俯仰轴向间的正交耦合误差，如图9所示。
MEMS偏航角速度传感器在旋转导弹稳定回路中的应用
