CN103196436B - 五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺 - Google Patents

Abstract

一种利用五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺，由转子、径向磁轴承、轴向磁轴承、保护轴承、径向位移传感器、轴向位移传感器、驱动电机、陀螺房、电路系统组成。利用径向传感器和轴向传感器的转子相对于陀螺房的位置反馈信息，电路系统实时调节径向磁轴承和轴向磁轴承的线圈绕组电流，使转子实现五自由度全主动悬浮，继而通过驱动电机驱动转子高速旋转，产生角动量。当外界转子姿态变化时，线圈绕组电流相应变化，利用线圈绕组电流与输入角速率的线性关系，解算外界输入角速率的大小。本发明适用于高精度角速率测量应用领域，具有零偏小、输出噪声低、分辨率高等特点。

Description

五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺

技术领域

本发明涉及一种角速率陀螺，特别是涉及一种五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺。

背景技术

陀螺仪是一种用途广泛的惯性器件，在航空、航天、航海、以及一些民用领域得到了广泛的应用。角速率陀螺作为最重要的惯性仪表之一，其精度直接决定惯性导航与制导系统的精度。随着科技的发展，对陀螺性能的要求越来越高，高精度、高可靠性、微型化、多轴测量和多功能测量成为未来惯性传感器的发展要求。

陀螺高速转子和框架力矩器的支承方式是影响陀螺精度的两大关键因素。专利ZL201110287382.7“高精度半球动压马达动力调谐陀螺仪”的高速转子采用对置半球型动压轴承，利用气体润滑的特性，使得动压轴承所产生的振动幅值比滚珠轴承小1-2个数量级，但仍未从根本上解决支承问题，存在陀螺漂移率大问题；专利ZL200810017908.8“一种磁悬浮陀螺仪”采用磁场对陀螺浮子进行浮起，降低了干扰力矩，但结构复杂，陀螺的抗过载能力低；专利200610028646.6“静电支撑悬浮电磁感应旋转微陀螺”克服了电磁阻尼对转速的限制，发热小，支承刚度高，但由于静电支撑采用开环控制，陀螺的带宽和灵敏度调节能力差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术不足，提供一种陀螺漂移率小、抗过载能力高、带宽和灵敏度调节能力强的角速率陀螺，利用五自由度永磁偏置混合磁轴承及控制电路作为敏感部件，即：五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺。

本发明的技术解决方案是一种五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺包括转子、上陀螺房、下陀螺房、中环、径向磁轴承、轴向磁轴承、径向位移传感器、保护轴承、驱动电机、轴向位移传感器、磁轴承电路系统、电机驱动电路系统；上陀螺房、下陀螺房和中环整体加工成型，中环通过螺母和定位孔与上陀螺房和下陀螺房固定相连，形成真空密封壳体，通过真空阀门保持密封壳体内部的真空状态，陀螺内部线路通过加工在密封壳体侧面的电气接口与外部连接，锁紧机构处于下陀螺房，在发射阶段与转子轮毂外沿实现锁紧固定；保护轴承与转子之间在径向上形成径向保护间隙，径向位移传感器与转子之间在径向上形成径向探测间隙，保护轴承与转子之间在轴向上形成轴向保护间隙，轴向位移传感器与转子之间在轴向上形成轴向探测间隙。磁轴承电路系统实时调节径向磁轴承和轴向磁轴承的线圈绕组电流，使转子稳定悬浮在探测间隙中心，通过电机驱动电路系统驱动转子高速旋转，产生角动量，利用径向磁轴承的线圈绕组电流解算出外界输入角速率的大小。

本发明的原理是：五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺，当外界姿态改变时，由于高速转子转轴具有定轴性，电路系统通过调节径向磁轴承线圈绕组电流，产生相应的电磁力来阻止转子与陀螺房产生相对运动，保证其悬浮在间隙中心，从而利用输入角速率与径向磁轴成线圈绕组电流的线性关系，得到外界输入角速率。

本发明与现有技术的优点在于：

（1）本发明的陀螺结构无需框架力矩器，从根本解决了陀螺转子和浮子支承问题导致的干扰力矩，陀螺漂移率小，适用于高精度惯性导航系统。

（2）本发明的陀螺高速转采用永磁偏置混合磁轴承支承，利用电磁力进行主动控制，陀螺的抗过载能力强。

（3）本发明的陀螺转子的有效弹性支承常数只与磁轴承的电磁力有关，只需通过闭环控制电路调节支承系统的综合刚度，便能方便调整陀螺带宽和灵敏度。

附图说明

图1为本发明的结构剖面图；

图2为本发明的径向磁轴承的径向截面图；

图3为本发明的径向磁轴承的配置图；

图4为本发明的轴向磁轴承的径向截面图；

图5为本发明的五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺的电路系统框图；

图6为本发明的五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺的角速率敏感原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明作出进一步详细的说明。

本发明利用径向磁轴承的电磁力矩来抵消高速磁悬浮转子的陀螺力矩，因在稳态时电磁力矩与陀螺力矩相等，外界输入角速率与电磁力矩呈线性的关系，而电流力矩由线圈驱动电流产生，检测线圈驱动电流便可以解算出外界输入角速率的大小。

如图1所示，本发明实施的驱动电机7需成对使用并处于转子1的中部，轴向磁轴承2需要成对使用并处于驱动电机7的外侧，径向磁轴承6需成对使用，并处于驱动电机7的上下两侧，驱动电机7的定子部分、径向磁轴承的6的静止部分以及轴向磁轴承2分别与上陀螺房8和下陀螺房9相连，上陀螺房8和下陀螺房9分别与中环10相连；驱动电机7的转动部分和径向磁轴承6的转动部分分别与转子1相连，径向磁轴承6的外侧为径向位移传感器3，保护轴承4和轴向位移传感器5通过压板与上陀螺房8和下陀螺房9相连，保护轴承4与转子1的轴端和轴肩分别形成轴向保护间隙（一般取为0.1mm～0.15mm）和径向保护间隙（一般取为0.1mm～0.15mm），本实例取径向保护间隙为0.1mm，轴向保护间隙为0.15mm。

如图2所示，本发明的径向磁轴承6为永磁偏置、电磁控制的非机械接触的主动式磁轴承，径向磁轴承的静止部分包括环形永磁体61、导磁环62、线圈绕组63和定子铁心64，径向磁轴承的转动部分包括转子导磁环65和转子铁心65，定子铁心64和转子铁心65之间是电磁气隙。

如图3所示，径向磁轴承6由4组相同的定子铁芯对组成，分别标记为ax、ay、bx、by，实现2个径向转动自由度的姿态角速度敏感，其中径向磁轴承6的定子铁芯对ax和bx实现对x轴的角速率敏感，径向磁轴承6的定子铁芯对ay和by实现对y轴的角速率敏感，每个定子铁芯对由两块定子铁芯组成，用于差动主动控制。

如图4所示，本发明的轴向磁轴承2为永磁偏置、电磁控制的非机械接触的主动式磁轴承，轴向磁轴承包括外导磁环21、线圈绕组22和永磁环23。

图5为本发明的五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺的电路系统框图，该电路系统包括位移信号调理电路、电流传感器、磁轴承控制器、功率放大器、角速率信息解算单元。电路系统利用位移信号调理电路检测出转偏离参考点的位移，根据位移偏差，磁轴承控制器分别计算出控制量，生成PWM控制信号，功率放大器将PWM信号转换为控制电流，驱动电磁铁产生电磁力，使转子悬浮在给定位置上，同时利用角速率信息解算单元计算出双轴角速率大小。

图6为本发明的五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺的角速率敏感原理图，设高速转子角动量为H，当输入角速率沿转子x轴和y轴分别为和时，相应的陀螺力矩方程可表示为 当高速转子的姿态发生改变时，磁轴承控制系统会产生相应的电磁力来抵消因姿态改变产生的陀螺力矩。在磁轴承控制器作用下，转子位移恒保持于电磁间隙中心，径向磁轴承6在ax、ay、bx、by通道上的电磁力分别为f_ax＝k_axi_ax+δ_ax、f_bx＝k_bxi_bx+δ_bx、f_ay＝k_ayi_ay+δ_ay、f_by＝k_byi_by+δ_by，其中i_ax、i_bx、i_ay、i_by分别为ax、ay、bx、by通道的线圈绕组电流，k_ax、k_bx、k_ay、k_by分别为ax、ay、bx、by通道的电流—力标度因子，δ_ax、δ_bx、δ_ay、δ_by分别为ax、ay、bx、by通道的静态磁偏心力。据此，陀螺力矩可估算为 其中l_m为磁轴承中心到转子中心的距离。角速率敏感是陀螺力矩方程的一种逆向实现，根据和输出的x轴角速率和y轴角速率大小表示为：

其中，其中γ＝l_m/H为陀螺机械常数，δ_x＝δ_ax-δ_bx、δ_y＝δ_ay-δ_by分别为x轴、y轴的静态磁偏心力。

下面，利用一种研制的磁悬浮陀螺，根据重力试验法，获取五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺的电流—力标度因子k_ax、k_bx、k_ay、k_by和静态磁偏心力δ_x、δ_y。与本发明有关的磁悬浮陀螺的参数如下：

参数	参数值
		m	4.70kg
lm	4.89×10-2m
		H	19.8Nms

在地面试验时转子角动量方向平行于地面，转台旋转轴方向与转子角动量方向一致，转子悬浮在气隙的几何中心，初始时陀螺x轴垂直于地面，转台旋转时陀螺x轴与地面的夹角为σ，通过转台旋转，得到重力平衡方程：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{ax}}=\mathrm{mg}\sin \mathrm{\σ}/2=k_{\mathrm{ax}}{i}_{\mathrm{ax}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ax}}\\ f_{\mathrm{bx}}=\mathrm{mg}\sin \mathrm{\σ}/2=k_{\mathrm{bx}}{i}_{\mathrm{bx}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{bx}}\\ f_{\mathrm{ay}}=\mathrm{mg}\cos \mathrm{\σ}/2=k_{\mathrm{ay}}{i}_{\mathrm{ay}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ay}}\\ f_{\mathrm{by}}=\mathrm{mg}\cos \mathrm{\σ}/2=k_{\mathrm{by}}{i}_{\mathrm{by}}+{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{by}}\end{array}\right.$

其中m为转子质量，g为重力加速度，通过线性回归，得到电流—力标度因子（k_ax、k_bx、k_ay、k_by）、静态磁偏心力（δ_ax、δ_bx、δ_ay、δ_by）的精确值，上述参数值经标定换算如下所示。

参数	参数值(N/A)	参数	参数值(N)
				kiax	201.76	δax	-3.51
kibx	191.96	δbx	11.52
				kiay	175.76	δay	29.13
kiby	178.18	δby	12.05

最终，这种磁悬浮陀螺的双轴角速率的测量方程为：

总之，本发明简单实用，可方便调整角速率陀螺仪的带宽、灵敏度和抗过载能力，避免了传统陀螺仪因干扰力矩或挠性支承导致的常值陀螺偏移，可实现双轴测量。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (3)

1.五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺，其特征在于：包括转子(1)、上陀螺房(8)、下陀螺房(9)、中环(10)、径向磁轴承(6)、轴向磁轴承(2)、径向位移传感器(3)、保护轴承(4)、驱动电机(7)、轴向位移传感器(5)、磁轴承电路系统(11)和电机驱动电路系统(15)；上陀螺房(8)、下陀螺房(9)和中环(10)整体加工成型，中环(10)通过螺母和定位孔与上陀螺房(8)和下陀螺房(9)固定相连，形成真空密封壳体，通过真空阀门(12)保持密封壳体内部的真空状态，陀螺内部线路通过加工在密封壳体侧面的电气接口(13)与外部连接，锁紧机构(14)处于下陀螺房(9)，在发射阶段与转子(1)轮毂外沿实现锁紧固定；保护轴承(4)与转子(1)之间在径向上形成径向保护间隙，径向位移传感器(3)与转子(1)之间在径向上形成径向探测间隙，保护轴承(4)与转子(1)之间在轴向上形成轴向保护间隙，轴向位移传感器(5)与转子(1)之间在轴向上形成轴向探测间隙；磁轴承电路系统(11)实时调节径向磁轴承(6)和轴向磁轴承(2)的线圈绕组电流，使转子(1)稳定悬浮在探测间隙中心，通过电机驱动电路系统(15)驱动转子(1)高速旋转，产生角动量，利用径向磁轴承(6)的线圈绕组电流解算出外界输入角速率的大小。

2.根据权利要求1所述的五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺，其特征在于：所述径向磁轴承(6)由4组相同的定子铁芯对组成，分别标记为ax、ay、bx、by，实现2个径向转动自由度的姿态角速度敏感，其中径向磁轴承(6)的定子铁芯对ax和bx实现对x轴的角速率敏感，径向磁轴承(6)的定子铁芯对ay和by实现对y轴的角速率敏感，径向磁轴承(6)采用永磁偏置、电磁控制的非机械接触的主动磁轴承，每个定子铁芯对由两块定子铁芯组成，用于差动主动控制。

3.根据权利要求1所述的五自由度主动磁轴承式双轴角速率陀螺，其特征在于：所述磁轴承电路系统(11)由位移信号调理电路、电流传感器、磁轴承控制器、功率放大器、角速率信息解算单元组成，通过电流传感器获得径向磁轴承(6)的四组定子铁芯ax、ay、bx、by对的线圈绕组电流，分别为i_ax、i_bx、i_ay、i_by，利用得到x轴角速率和y轴角速率大小，其中γ为陀螺机械常数，k_ax、k_bx、k_ay、k_by分别为径向磁轴承(6)的定子铁芯对ax、ay、bx、by的电流—力标度因子，δ_x、δ_y分别为x轴、y轴的静态磁偏心力。