9、陀螺仪与加速度计:原理、应用与特性解析

陀螺仪与加速度计:原理、应用与特性解析

1. 陀螺仪概述

陀螺仪最初包含一个旋转盘,如今主要讨论的是振动陀螺仪(也称为谐振陀螺仪),它们是集成在硅芯片中的微机电系统(MEMS)设备。

1.1 相关组件

  • 加速度计 :测量线性运动变化和相对于重力的静态方向。
  • GPS :提供位置信息。
  • 磁力计 :测量周围磁场,可确定相对于地球磁场的方向。

1.2 功能

陀螺仪抵抗与其自身旋转或振动轴成直角的任何轴的旋转。若将其安装在密封外壳的万向节上自由移动,外壳可围绕它自由旋转,而陀螺仪会保持其方向。在飞机上安装陀螺仪,可通过它确定飞机绕两个轴的旋转;添加正交的额外陀螺仪,能确定飞机绕三个轴的旋转。但陀螺仪不测量任何方向的线性运动或静态方向角度。

1.3 示意图符号

基于芯片的陀螺仪、磁力计或加速度计在示意图中通常表示为一个矩形框,包含缩写以识别引脚功能,如同任何集成电路芯片。

1.4 惯性测量单元(IMU)

当加速度计和陀螺仪(可选配磁力计)封装在一起时,称为惯性测量单元(IMU)。它能在GPS信号不可用时,为飞机、航天器和船只的操纵提供必要数据。

1.5 应用

  • 汽车领域 :1998年,首个基于芯片的陀螺仪用于汽车防滑控制系统中的偏航传感器,后续应用包括主动悬架控制、安全气囊传感器、
带开环升压转换器和逆变器的太阳能光伏系统 太阳能光伏系统驱动开环升压转换器和SPWM逆变器提供波形稳定、设计简单的交流电的模型 Simulink模型展示了一个完整的基于太阳能光伏的直流到交流电力转换系统,该系统由简单、透明、易于理解的模块构建而成。该系统从配置为提供真实直流输出电压的光伏阵列开始,然后由开环DC-DC升压转换器进行处理。升压转换器将光伏电压提高到适合为单相全桥逆变器供电的稳定直流链路电平。 逆变器使用正弦PWM(SPWM)开关来产生干净的交流输出波形,使该模型成为研究直流-交流转换基本操作的理想选择。该设计避免了闭环和MPPT的复杂性,使用户能够专注于光伏接口、升压转换和逆变器开关的核心概念。 此模型包含的主要功能: •太阳能光伏阵列在标准条件下产生~200V电压 •具有固定占空比操作的开环升压转换器 •直流链路电容器,用于平滑和稳定转换器输出 •单相全桥SPWM逆变器 •交流负载,用于观察实际输出行为 •显示光伏电压、升压输出、直流链路电压、逆变器交流波形和负载电流的组织良好的范围 •完全可编辑的结构,适合分析、实验和扩展 该模型旨在为太阳能直流-交流转换提供一个干净高效的仿真框架。布局简单明了,允许用户快速了解信号流,检查各个阶段,并根据需要修改参数。 系统架构有意保持模块化,因此可以轻松扩展,例如通过添加MPPT、动态负载行为、闭环升压控制或并网逆变器概念。该模型为进一步开发或整合到更大的可再生能源模拟中奠定了坚实的基础。
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