CN103076011A

CN103076011A - 一种用于弹体稳定控制用的微机械陀螺组合

Info

Publication number: CN103076011A
Application number: CN2012105838603A
Authority: CN
Inventors: 魏路; 邢立华; 李宏川; 姚竹贤; 吕秀梅; 白滢
Original assignee: BEIJING XINGHUA MACHINERY FACTORY
Current assignee: BEIJING XINGHUA MACHINERY FACTORY
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2032-12-26
Also published as: CN103076011B

Abstract

一种用于弹体稳定控制用的微机械陀螺组合，包括本体外罩(1)、本体(2)、定位孔(3)、Y轴陀螺电路板(4)、X轴陀螺盖板(5)、X轴陀螺电路板(6)、Z轴陀螺电路板(7)；本体(2)主体为圆柱形结构，圆柱的底面安装X轴陀螺电路板(6)，并由X轴陀螺盖板(5)对该电路板进行保护；圆柱的侧面加工安装面安装Y轴陀螺电路板(4)和Z轴陀螺电路板(7)，X轴陀螺电路板(6)、Y轴陀螺电路板(4)和Z轴陀螺电路板(7)三者相互正交，共同完成测量弹体角速率的功能；本体外罩(1)罩在圆柱的侧面，对Y轴陀螺电路板(4)和Z轴陀螺电路板(7)进行保护；圆柱底面设置定位孔(3)，通过定位孔(3)与弹体连接。

Description

一种用于弹体稳定控制用的微机械陀螺组合

技术领域

本发明涉及一种惯性测量组合，具体的说是一种采用微机械陀螺作为敏感元件并辅以其他外围电路，通过敏感弹体三个轴向的角速率来满足弹体控制系统进行姿态稳定控制用的微机械陀螺组合。

背景技术

导弹姿态控制系统是导弹上自动稳定和控制导弹绕质心运动的整套装置。其主要功能是在各种干扰情况下，稳定导弹姿态，保证导弹飞行姿态角偏差在允许范围内；根据制导指令，控制导弹姿态角，以调整导弹的飞行方向，修正飞行路线，使导弹准确命中目标。

导弹姿态控制系统由敏感装置、控制计算装置和执行机构三部分组成。其中敏感装置用于测量导弹的姿态变化并输出信号，控制计算装置对各姿态信号和制导指令按一定控制规律进行运算、校正和放大并输出控制信号。执行机构根据控制信号驱动舵面或摆动发动机产生使导弹绕质心运动的控制力矩。由此可看出敏感装置的输出对于控制系统的重要性。

目前所使用的敏感装置通常采用位置陀螺仪、惯性平台和速率陀螺仪等惯性器件。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种量程大、分辨率高、动态响应时间短、功耗低、体积小、重量轻的微机械陀螺组合。

本发明的技术解决方案是：一种用于弹体稳定控制用的微机械陀螺组合，包括本体外罩、本体、定位孔、Y轴陀螺电路板、X轴陀螺盖板、X轴陀螺电路板、Z轴陀螺电路板；本体主体为圆柱形结构，圆柱的底面安装X轴陀螺电路板，并由X轴陀螺盖板对该电路板进行保护；圆柱的侧面加工安装面安装Y轴陀螺电路板和Z轴陀螺电路板，X轴陀螺电路板、Y轴陀螺电路板和Z轴陀螺电路板三者相互正交，共同完成测量弹体角速率的功能；本体外罩罩在圆柱的侧面，对Y轴陀螺电路板和Z轴陀螺电路板进行保护；圆柱底面设置定位孔，通过定位孔与弹体连接。

所述的X轴陀螺电路板、Y轴陀螺电路板和Z轴陀螺电路板中每个电路板包括角速率测量电路、数学运算电路和输出驱动电路；三个角速率测量电路的敏感轴分别与弹体坐标系的X、Y、Z轴重合；角速率测量电路把弹体运动的角速率信息转换成电压信号，然后通过数学运算电路进行信号处理，得到X、Y、Z三个轴向角速率同比例的电压信号，并通过输出驱动电路进行降噪处理后输出供弹载控制系统使用。

所述的数学运算电路包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C8、电容C11、电容C12、电容C16、电容C20、放大器U2；

电阻R2一端与电源基础电路的输出端相连，提供U2的基准源，另一端与U2的反向输入端连接，电阻R3一端与前级角速率测量电路的输出端连接，另一端与放大器U2的正输入端相连，电阻R4、电阻R5并联后两端分别与放大器U2的两个增益端相连(引脚1和引脚8)分别相连，电容C8一端接地，另一端接入放大器U2的反向输入端；电容C11两端分别接入放大器U2的反向输入端和正向输入端；电容C12一端接入放大器U2的正向输入端，另一端接地；电容C16与电容C20并联后一端连接放大器U2的电源端、另一端接地，放大器U2的输出端接输出驱动电路。

所述的输出驱动电路包括电阻R8、电阻R9、电容C17、电容C18、运算放大器U3；电阻R8一端接陀螺信号输入，另一端串联电阻R9，电阻R9的另一端接运算放大器U3的正输入端，电容C17一端接电阻R8、R9的公共端，另一端接输出地，电容C18一端接运算放大器U3的正输入端，另一端接输出地，运算放大器U3负输入端与运算放大器U3的输出端相连接。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)电路组成简单，全部电路都设计在三个轴向的电路板上，无需额外的伺服回路和电源电路板；外接供电电源只需要弹上必备的±15V即可，相比传统的动调陀螺所需要的三种以上的电源构成，供电形式简单；

(2)采用微机械陀螺作为主要传感器；设计了数学运算电路改善了微机械陀螺所固有的信号纹波偏大，信号输出随环境温度变化而跳动过大的问题；设计了输出驱动电路，提高了输出的带载能力，同时避免了外接电路噪声带入组合自身的影响。

(3)测量范围三轴可达±300°/s以上，相比传统动调陀螺或液浮陀螺普遍不超过±200°/s具有量程大的优点；

(4)组合内部无机械驱动部件，相比传统动调或液浮陀螺数百小时的工作寿命，该组合平均无故障工作可达上万小时；

(5)电路设计中不采用大功率器件，总功率不超过0.5瓦；

(6)组合可以快速启动，1秒以内即可进行正常工作，相比较传统动调陀螺或液浮陀螺所需半小时以上的预热时间，具有快速启动的优点；

(7)尺寸最大的Y轴电路板不超过35mm×30mm，X、Z轴电路板尺寸不超过33mm×16mm，组合总体积不大于目前普遍使用的一个Φ40动调陀螺+伺服电路的体积，而若采用动调陀螺设计敏感装置则至少有两个动调陀螺配合各自的伺服电路构成，若使用液浮陀螺则体积更大。

(8)组合有很好的环境适应性，可以在-45℃～+65℃范围内使用，无需减震即可抗冲击1000g以上，而传统动调陀螺或液浮陀螺需要单独设计温控装置才可满足以上温度需求，同时在无减震保护时抗冲击能力极差。

附图说明

图1为本发明的整体结构图；

图2为本发明电路原理工作框图；

图3为角速率测量电路；

图4为数学运算电路；

图5为输出驱动电路；

图6为姿态控制系统原理图。

具体实施方式

本发明整体结构如图1所示：组合的结构由本体外罩1、本体2、X轴陀螺电路板6、Y轴陀螺电路板4、Z轴陀螺电路板7、X轴陀螺盖板5等结构件组成。本体2主体为圆柱形结构，圆柱的底面安装X轴陀螺电路板6，并由X轴陀螺盖板5对该电路板进行保护；圆柱的侧面加工安装面安装Y轴陀螺电路板4和Z轴陀螺电路板7，X轴陀螺电路板6、Y轴陀螺电路板4和Z轴陀螺电路板7三者相互正交，共同完成测量弹体角速率的功能；本体外罩1罩在圆柱的侧面，对Y轴陀螺电路板4和Z轴陀螺电路板7进行保护；圆柱底面设置定位孔3，通过定位孔3与弹体连接；

X、Y、Z轴陀螺电路板均设计有角速率测量电路、数学运算电路、输出驱动电路，同时Y轴陀螺电路板4设计有电源变换电路及基准电源电路，通过导线连接至×、Z轴电路板。电源变换电路用以提供角速率测量电路、基准电源等所需要的+5V电源。基准电源电路提供了组合内部电路所必须的基准电压信号。

本发明电路原理工作框图如图2所示：角速率测量电路是组合的核心部分，由X轴陀螺电路、Y轴陀螺电路、Z轴陀螺电路共同完成测量弹体角速率的功能。通过本体结构的基准传递，角速率测量电路的三个敏感轴分别与弹体坐标系的X、Y、Z轴重合。角速率测量电路把弹体运动的角速率信息转换成电压信号，然后通过数学运算电路进行信号处理，并通过输出驱动电路进行降噪处理后输出供弹载控制系统使用。

角速率测量电路由微机械陀螺仪芯片及其外围电路组成，完成角速率测量的功能，见图3。包括微机械陀螺芯片U1、电阻R1、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6。目前通用的微机械陀螺芯片普遍可以达到设计所需量程等，本发明所需的是电压形式输出的微机械陀螺芯片即可，如AD公司的ADXRS300或ADXRS610等芯片均可以使用。

电容C1的一端与U1的CP2引脚相连，另一端与U1的CP1引脚相连，电容C2的一端与U1的CP4引脚相连，另一端与U1的CP3引脚相连，电容C3的一端与SUMJ引脚、电阻R1的一端相连、另一端与R1的另一端、后级电路的输入端相连，电容C4一端与U1的PGND引脚相连，另一端与输入电压相连，电容C5一端与U1的AGND相连，另一端与输入电压相连，电阻R6、R7在电路中起系统零位调整功能，电阻R6一端与输入地连接，另一端串连电阻R7，其中间点又与U1的SUMJ相连，电阻R7的另一端接输入电压。电阻R1与电容C3的参数设定可进行系统带宽的调整，并且输出进入后级数学运算电路。

数学运算电路的功能包括差分运算和信号放大，调节输出信号的零位和标度因数，输出的电压信号与角速率有如下公式：

R_out＝(V_out-V₀)/K (1)

式1中R_out为测量得到的角速率；V_out为输出的电压信号；V₀为微机械陀螺组合的零位输出；K为组合的标度因数。

数学运算电路包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C8、电容C11、电容C12、电容C16、电容C20、放大器U2，见图4。电阻R2一端与基准电源端相连，提供U2的基准源，另一端与U2的负输入端连接，电阻R3一端与前级角速率敏感电路的输出端连接，另一端与放大器的正输入端相连，电阻R4、电阻R5的两端均相连，且其公共端又与U2的1引脚、7引脚分别相连，电阻R4、电阻R5的调节即可对式(1)中标度因数K进行调整，电容C8一端与电阻R2的一端、电容C11一端相连，另一端与输入地相连，电容C11另一端与电容C12一端、电阻R3一端相连，电容C12的另一端与输入地相连，电容C16、电容C20两端均相连，其连接公共端分别与U2的4引脚电源端、输入地相连，U2的6引脚输出可进入后级驱动电路。此电路完成标度调整及滤波。

输出驱动电路包括电阻R8、电阻R9、电容C17、电容C18、运算放大器U3，见图5。电阻R8一端接陀螺信号输入，另一端串联电阻R9，电阻R9的另一端接运算放大器的正输入端，电容C17一端接电阻R8，另一端接输出地，电容C18一端接电阻R9，另一端接输出地，运算放大器正输入端接R9的一端、负输入端与运算放大器的输出端相连接，整个电路连接形式为二阶滤波电路配合电压跟随电路，电压跟随电路可以有效提高电路的带载能力，输出信号不再需要与姿态控制电路进行配调，同时控制电路噪声不会带入组合电路。图中所示out为三轴微机械陀螺组合输出。

如图6所示，陀螺组合安装于弹体上，跟随弹体运动，由于弹体在飞行过程中受干扰作用，使姿态偏离原来状态，此时陀螺组合敏感到弹体的姿态变化，以三轴角速率形式输出到弹姿控制系统，控制系统解算得到相应姿态角变化，按照控制算法生成控制信号，通过伺服机构产生控制力，控制力再作用于导弹体，这样形成一个负反馈的自动稳定闭环控制，从而达到弹体姿态稳定的作用。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种用于弹体稳定控制用的微机械陀螺组合，其特征在于：包括本体外罩(1)、本体(2)、定位孔(3)、Y轴陀螺电路板(4)、X轴陀螺盖板(5)、X轴陀螺电路板(6)、Z轴陀螺电路板(7)；

本体(2)主体为圆柱形结构，圆柱的底面安装X轴陀螺电路板(6)，并由X轴陀螺盖板(5)对该电路板进行保护；圆柱的侧面加工安装面安装Y轴陀螺电路板(4)和Z轴陀螺电路板(7)，X轴陀螺电路板(6)、Y轴陀螺电路板(4)和Z轴陀螺电路板(7)三者相互正交，共同完成测量弹体角速率的功能；本体外罩(1)罩在圆柱的侧面，对Y轴陀螺电路板(4)和Z轴陀螺电路板(7)进行保护；圆柱底面设置定位孔(3)，通过定位孔(3)与弹体连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于弹体稳定控制用的微机械陀螺组合，其特征在于：所述的X轴陀螺电路板(6)、Y轴陀螺电路板(4)和Z轴陀螺电路板(7)中每个电路板包括角速率测量电路、数学运算电路和输出驱动电路；三个角速率测量电路的敏感轴分别与弹体坐标系的X、Y、Z轴重合；角速率测量电路把弹体运动的角速率信息转换成电压信号，然后通过数学运算电路进行信号处理，得到X、Y、Z三个轴向角速率同比例的电压信号，并通过输出驱动电路进行降噪处理后输出供弹载控制系统使用。

3.根据权利要求2所述的一种用于弹体稳定控制用的微机械陀螺组合，其特征在于：所述的数学运算电路包括电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电容C8、电容C11、电容C12、电容C16、电容C20、放大器U2；

电阻R2一端与电源基础电路的输出端相连，提供U2的基准源，另一端与U2的反向输入端连接，电阻R3一端与前级角速率测量电路的输出端连接，另一端与放大器U2的正输入端相连，电阻R4、电阻R5并联后两端分别与放大器U2的两个增益端相连分别相连，电容C8一端接地，另一端接入放大器U2的反向输入端；电容C11两端分别接入放大器U2的反向输入端和正向输入端；电容C12一端接入放大器U2的正向输入端，另一端接地；电容C16与电容C20并联后一端连接放大器U2的电源端、另一端接地，放大器U2的输出端接输出驱动电路。

4.根据权利要求2所述的一种用于弹体稳定控制用的微机械陀螺组合，其特征在于：所述的输出驱动电路包括电阻R8、电阻R9、电容C17、电容C18、运算放大器U3；电阻R8一端接陀螺信号输入，另一端串联电阻R9，电阻R9的另一端接运算放大器U3的正输入端，电容C17一端接电阻R8、R9的公共端，另一端接输出地，电容C18一端接运算放大器U3的正输入端，另一端接输出地，运算放大器U3负输入端与运算放大器U3的输出端相连接。