大输出微控制力矩陀螺的设计

大输出微控制力矩陀螺的设计

常洪龙;白滨;焦文龙;谢建兵;秦子明;苑伟政

【摘要】为了提高微控制力矩陀螺的输出力矩,提出了一种微型控制力矩陀螺的设计方案.所设计的微型控制力矩陀螺用角振动代替了传统控制力矩陀螺的转动,由转子角振动系统及框架角振动系统组成,实现了基于科氏效应的控制力矩输出.通过框架角振动系统的电极位置居中设置及在玻璃上挖槽的设计,避免了静电吸合现象.四个完全相同的微型控制力矩陀螺构成一个阵列,每两个微型控制力矩陀螺的电压相位依次相差90°,即可消除寄生控制力矩并稳定力矩输出.所设计的微型控制力矩陀螺四单元阵列的力矩输出可达5.12×lO-6 Nm.最后,设计了微型控制力矩陀螺两层可动结构的工艺流程,所设计的工艺流程尽管具有一定的复杂性和难度,但均采用了当前一些比较成熟的工艺步骤,具有一定的可行性,有望在微型航天器的姿态控制上得到应用.%A novel micro control moment gyroscope( MCMG)with a large torque output is presented. In contrast with the traditional CMG,MCMG uses the angular vibration instead of angular rotation. The MCMG outputs the torque through a coupling of rotor angular vibration and gimbal angular vibration based on the Coriolis Effect. Through locating the electrodes in the centre of the MCMG and etching a trench in the glass wafer,the electrostatic pull-in effect is largely alleviated and the driving voltage is decreased. An array configuration using four MCMGs as an element stabilizes the overall torque output at the array level and eliminates the unwanted torques. The voltage phase differences between every two MCMGs are 90° in sequence. The torque output of the MCMG

array is about 5. 12× 10-6 Nm. At last the process flow for this MCMG and possible applications in attitude control of a microsatellite is discussed.【期刊名称】《传感技术学报》

【年(卷),期】2011(027)008

【总页数】5页(P1126-1130)

【关键词】微机电系统;微控制力矩陀螺;陀螺阵列;姿态控制

【作者】常洪龙;白滨;焦文龙;谢建兵;秦子明;苑伟政

【作者单位】西北工业大学微/纳米系统陕西省重点实验室,西安710072;西北工业大学微/纳米系统陕西省重点实验室,西安710072;西北工业大学微/纳米系统陕西省重点实验室,西安710072;西北工业大学微/纳米系统陕西省重点实验室,西安710072;西北工业大学微/纳米系统陕西省重点实验室,西安710072;西北工业大学微/纳米系统陕西省重点实验室,西安710072

【正文语种】中文

【中图分类】TJ765.239

控制航天器姿态的执行机构有喷气执行机构、飞轮、磁力矩器和重力杆等。控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope，CMG)属于飞轮的一种，其基本工作原理是根据角动量守恒原理，依靠飞轮(即CMG中的转子)和航天器(即CMG中的框架)之间的角动量交换实现输出力矩的目的［1］。和其他几种执行机构相比，CMG 能够精确连续地输出力矩，具有功耗低、无污染、寿命长、高稳定性及指向精度高等优点［2－3］。

传统的CMG输出力矩可达到100 Nm～1000 Nm［4］，但因质量太大，通常在几十到上百千克之间，并不适用于微米卫星、纳米卫星等微小型航天器。而基于微机电系统(MEMS)技术的微控制力矩陀螺(Micro Control Moment Gyroscope，MCMG)具有传统CMG的功能，同时降低了体积、重量和功耗等指标，并且相比于微推进器技术［5－6］，不存在燃料耗尽的问题。美国华盛顿大学的Reiter等

人提出了一种微控制力矩陀螺的方案，其设计输出力矩为2.3×10－12 Nm［7］。如此小的控制力矩是MCMG本身尺寸小所带来的固有特点，也是阻碍MCMG在微小型航天器上应用的重要因素。

本文提出了一种新型MCMG的设计方案，对其结构设计、寄生力矩消除、工艺实现等问题进行了分析，单个 MCMG的控制力矩输出可达1.28×10－6 Nm，相比于Reiter等人的设计，其输出力矩增加了56万倍，通过阵列组合有望得到更大的力矩输出，增强小卫星的敏捷性［8］，在微小航天器的姿态控制中得到实际应用。

1 结构方案及工作原理

微控制力矩陀螺(MCMG)与微机械振动式陀螺(Micro Coriolis Vibratory Gyroscope，MCVG)一样，都是利用科氏效应［9］。不同的是MCVG是利用科氏效应来敏感输入角速率，是一个传感器，而MCMG则利用科氏效应来输出控制力矩，是一个执行器。

图1为一个典型的传统控制力矩陀螺的原理图。转子的转动形成沿x轴的动量矩h，若框架带动转子绕z轴以速率δ进动，沿y轴就会输出一个力矩N。

图1 传统控制力矩陀螺的工作原理

MCMG与传统CMG的不同在于MCMG用振动代替了转动。本设计所提出的MCMG结构如图2所示。驱动转子(图2(c))角振动产生沿z轴的动量矩。同时，

玻璃上的矩形金属电极与SOI片上基板层(Handle Layer)之间的电容驱动整个