CN103868506B - 动力调谐陀螺仪动基座启停伺服锁定电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动力调谐陀螺仪动基座启停伺服锁定电路，包括X前置电路、X交叉轴校正电路、X直接轴控制电路、Y前置电路、Y交叉轴校正电路、Y直接轴控制电路、乘法器输入信号产生单元、X交叉轴乘法器、X直接轴乘法器、Y交叉轴乘法器、Y直接轴乘法器、X加法器、Y加法器、X功放电路、Ｙ功放电路；本发明解决了动力调谐陀螺在动基座时启动所导致的挠性接头频繁地作大角度弯曲的技术问题。本发明的电路容易实现，实验结果理想，提高了挠性陀螺仪的动态特性。

Description

动力调谐陀螺仪动基座启停伺服锁定电路

技术领域

本发明属于捷联惯导系统动力调谐陀螺的应用领域，具体涉及一种动力调谐陀螺仪动基座启停伺服锁定电路。

背景技术

动力调谐陀螺仪(DTG)目前仍广泛应用在各种捷联惯导系统中。应用在捷联惯导系统中的动力调谐陀螺必须工作在闭环锁定状态。因此，伺服锁定回路是影响陀螺性能的重要因素。传统的伺服锁定回路只能满足陀螺仪达到调谐转速后转子的锁定。当陀螺仪在动基座条件下启动和停止时，传统伺服锁定回路不能将转子锁定在零偏角附近，动基座运动时，转子将反复碰撞双轴的止挡，导致挠性接头频繁地作大角度的弯曲，使陀螺不能正常工作，严重影响陀螺使用寿命，甚至会损坏陀螺。因此，设计动基座启停伺服锁定电路，使陀螺仪从加电至完全停止的全过程中转子始终锁定在零位附近，对提高陀螺动态特性，扩大其使用范围具有重要意义。

发明内容

本发明目的是提供一种动力调谐陀螺仪动基座启停伺服锁定电路，其解决了动力调谐陀螺在动基座时启动所导致的挠性接头频繁地作大角度弯曲的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种动力调谐陀螺仪动基座启停伺服锁定电路，

其特殊之处在于：

包括X前置电路、X交叉轴校正电路、X直接轴控制电路、Y前置电路、Y交叉轴校正电路、Y直接轴控制电路、乘法器输入信号产生单元、X交叉轴乘法器、X直接轴乘法器、Y交叉轴乘法器、Y直接轴乘法器、X加法器、Y加法器、X功放电路、Y功放电路；

所述乘法器输入信号产生单元包括开关信号电路和反相偏置电路，所述开关信号电路包括电源、电阻和电容，所述电阻的一端接电源，其另一端通过陀螺电机开关后分别接电容的一端、反相偏置电路输入端、X交叉轴乘法器的其中一个输入端、Y交叉轴乘法器的其中一个输入端，所述电容的另一端接地；所述反相偏置电路输出端分别接X直接轴乘法器的其中一个输入端、Y直接轴乘法器的其中一个输入端；

所述X前置电路输入端接动力调谐陀螺仪的X传感器，其输出端分别接X交叉轴校正电路输入端和X直接轴控制电路输入端，所述X交叉轴校正电路输出端接X交叉轴乘法器输入端，所述X直接轴控制电路输出端接X直接轴乘法器输入端，所述X交叉轴乘法器输出端和Y直接轴乘法器输出端分别接X加法器的两个输入端，X加法器的输出端通过X功放电路接动力调谐陀螺仪的Y力矩器；

所述Y前置电路输入端接动力调谐陀螺仪的Y传感器，其输出端分别接Y交叉轴校正电路输入端和Y直接轴控制电路输入端，所述Y交叉轴校正电路输出端接Y交叉轴乘法器输入端，所述Y直接轴控制电路输出端接Y直接轴乘法器输入端，所述Y交叉轴乘法器输出端和X直接轴乘法器输出端分别接Y加法器的两个输入端，Y加法器的输出端通过Y功放电路接动力调谐陀螺仪的X力矩器。

上述X前置电路包括依次连接的X交流放大与解调器和X低通滤波器，所述X交流放大与解调器输入端与X传感器输出端相连，所述X低通滤波器输出端与X交叉轴校正电路输入端和X直接轴控制电路输入端相连；所述Y前置电路包括依次连接的Y交流放大与解调器和Y低通滤波器，所述Y交流放大与解调器输入端与Y传感器输出端相连，所述Y低通滤波器输出端与Y交叉轴校正电路输入端和Y直接轴控制电路输入端相连。

上述X交叉轴校正电路的数学模型为：

所述X直接轴控制电路的数学模型为：

所述Y交叉轴校正电路的数学模型为：

所述Y直接轴控制电路的数学模型为：

其中，k₁为电路的放大倍数，w₁、w₂为直接轴控制电路中微分环节和积分环节的转折频率，w₃、w₄为交叉轴校正电路中微分环节和积分环节的转折频率。

本发明的优点：

本发明动基座启停伺服锁定电路，解决了在动基座启动和停止过程中，挠性接头容易损坏的问题，且电路容易实现，实验结果理想，提高了挠性陀螺仪的动态特性。

在舰船、车辆等运载体上的惯导系统都存在动基座启动和停止的问题，本发明对拓展动力调谐陀螺的应用范围具有重要的现实意义。

附图说明

图1是本发明动基座启停伺服锁定电路的数学模型；

图2是本发明动基座启停伺服锁定电路的原理框图；

图3是Y方向上输入-30°/s恒定角速率时，用示波器观察到的X、Y力矩器上电压波形；

图4是Y方向上输入30°/s恒定角速率时，用示波器观察到的X、Y力矩器上电压波形。

具体实施方式

动力调谐陀螺是一个双输入双输出的惯性器件，在力反馈状态下，可以测量沿两个输入轴的角速度，由于机械结构上的原因，两个测量轴之间存在耦合。动力调谐陀螺转子具有定轴性，陀螺壳体转动时，陀螺主轴相对于壳体会产生偏角。陀螺仪的信号器用来检测主轴偏角，并将其转化成电压信号。锁定闭合回路产生控制调节的电流信号进入力矩器，力矩器产生的力矩使陀螺产生进动以跟随壳体的运动。

动基座启停伺服锁定电路设计的关键在于消除两轴之间的耦合，设计合理的电路来保证陀螺从启动到正常工作到停止的过程中将转子始终锁定在零位附近。本发明以陀螺数学模型为基础，提出直接轴、交叉轴校正电路共同作用的设计方案，从理论上分析出直接轴、交叉轴的数学模型，见图1所示。直接轴、交叉轴校正环节传递函数的最大区别是交叉轴多一个积分环节。

当陀螺电机转速为零时，陀螺的动力学特性主要是刚体效应，这时由直接轴校正环节控制。当陀螺电机达到调谐转速后，陀螺的动力学特性主要是陀螺效应，这时由交叉轴校正环节控制。在转速从零到调谐转速的过程中，陀螺仪的动力学特性表现为由刚体效应为主向以陀螺效应为主。

依据数学模型，得到本发明的设计方案如图2所示。

在该电路中，采用RC充放电路来模拟陀螺转速。电机启动达到额定转速后，电容电压达到最大值。切断陀螺电机信号后，RC充放电路慢慢放电，电机转速停止后，电容电压为零。将电容上电压信号作为交叉轴乘法器的输入信号，将该信号反相偏置后作为直接轴乘法器的输入信号。因此，当电机转速为零时，交叉轴乘法器的信号输入为零，直接轴乘法器输入信号为最大电压值，此时状态下，交叉轴校正电路不起作用，只通过直接轴校正电路将转子控制在零位附近。随着电机转速的增加，交叉轴校正电路作用越来越强而直接轴校正电路作用越来越弱，二者共同作用，实现陀螺闭路。当电机达到额定转速后，仅有交叉轴校正电路的作用，仍将转子控制在零位附近，实现陀螺电机启动过程的全控制。转子停止的过程与启动相反。

电路的试验结果：

按照原理框图所设计的电路，分别在陀螺静止条件和动态条件下观察力矩器的输出电压。在静止条件下给陀螺输入恒定角速率，通过直接轴控制电路，将转子偏角限制在零位附近。

在动态条件下，所设计的动基座启停伺服锁定电路工作。给陀螺输入恒定角速率，当陀螺电机转速逐渐上升时，相对应力矩器输出的电压波形也逐渐上升，试验结果见图3、图4。图3、图4是在Y方向上分别加入-30°/s，+30°/s角速率，用示波器观察到的X、Y力矩器上电压波形。

电机转速为零时，陀螺以刚体效应为主，直接轴校正电路将转子控制在零位附近，力矩器输出电压为零。电机转速从零增大的过程中，陀螺效应逐渐增大，为了将陀螺转子控制在零位附近，X力矩器上的电流越来越大。等电机转速达到额定转速后，力矩器上的电流保持恒定。

从力矩器上力矩器曲线看出，电压上升曲线非常平滑，没有振荡及饱和现象，且上升过程平稳，无碰壳声音。在陀螺能敏感的全动态范围内，随着电机转速的增大和减小，上升曲线和下降曲线均非常平滑，无异常声响。

工作原理：

该电路与常见伺服回路或者只有交叉轴控制，或者用解耦电路的方式不同，增加了直接轴校正电路。该电路在转速为零时直接轴校正电路控制；达到额定转速时交叉轴控制；在电机启停过程中直接轴交叉轴共同控制的方式，较好地解决了动基座启停伺服锁定电路的问题。

直接轴校正电路：

通过理论分析和数学推导，剖析出直接轴校正电路的传递函数。分析出直接轴校正电路的滤波频率和放大倍数，且通过合理的电路将其实现。直接轴校正电路的设计是该电路能够实现的重要环节。

乘法器电路：

在动基座启停过程中，采用了乘法器和RC充放电路实现对了交叉轴回路和直接轴回路的控制。电机启动时，电容C上电压随着RC充电过程慢慢增大。电容信号直接进入交叉轴乘法器的输入端，随着陀螺电机转速的增大，交叉轴作用越来越强。电容信号经过反相偏置后进入直接轴乘法器输入端，随着陀螺电机转速的增大直接轴作用越来越弱。电机停止过程恰好相反。两轴的共同作用，使转子在动基座启停过程始终位于零位附近，保证了该电路的实现。特性表现为由刚体效应为主向以陀螺效应为主。

Claims (3)

1.一种动力调谐陀螺仪动基座启停伺服锁定电路，

其特征在于：

包括X前置电路、X交叉轴校正电路、X直接轴控制电路、Y前置电路、Y交叉轴校正电路、Y直接轴控制电路、乘法器输入信号产生单元、X交叉轴乘法器、X直接轴乘法器、Y交叉轴乘法器、Y直接轴乘法器、X加法器、Y加法器、X功放电路、Y功放电路；

所述乘法器输入信号产生单元包括开关信号电路和反相偏置电路，所述开关信号电路包括电源、电阻和电容，所述电阻的一端接电源，其另一端通过陀螺电机开关后分别接电容的一端、反相偏置电路输入端、X交叉轴乘法器的其中一个输入端、Y交叉轴乘法器的其中一个输入端，所述电容的另一端接地；所述反相偏置电路输出端分别接X直接轴乘法器的其中一个输入端、Y直接轴乘法器的其中一个输入端；

所述X前置电路输入端接动力调谐陀螺仪的X传感器，其输出端分别接X交叉轴校正电路输入端和X直接轴控制电路输入端，所述X交叉轴校正电路输出端接X交叉轴乘法器输入端，所述X直接轴控制电路输出端接X直接轴乘法器输入端，所述X交叉轴乘法器输出端和Y直接轴乘法器输出端分别接X加法器的两个输入端，X加法器的输出端通过X功放电路接动力调谐陀螺仪的Y力矩器；

所述Y前置电路输入端接动力调谐陀螺仪的Y传感器，其输出端分别接Y交叉轴校正电路输入端和Y直接轴控制电路输入端，所述Y交叉轴校正电路输出端接Y交叉轴乘法器输入端，所述Y直接轴控制电路输出端接Y直接轴乘法器输入端，所述Y交叉轴乘法器输出端和X直接轴乘法器输出端分别接Y加法器的两个输入端，Y加法器的输出端通过Y功放电路接动力调谐陀螺仪的X力矩器。

2.根据权利要求1所述的动力调谐陀螺仪动基座启停伺服锁定电路，其特征在于：所述X前置电路包括依次连接的X交流放大与解调器和X低通滤波器，所述X交流放大与解调器输入端与X传感器输出端相连，所述X低通滤波器输出端与X交叉轴校正电路输入端和X直接轴控制电路输入端相连；所述Y前置电路包括依次连接的Y交流放大与解调器和Y低通滤波器，所述Y交流放大与解调器输入端与Y传感器输出端相连，所述Y低通滤波器输出端与Y交叉轴校正电路输入端和Y直接轴控制电路输入端相连。

3.根据权利要求1或2所述的动力调谐陀螺仪动基座启停伺服锁定电路，其特征在于：

所述X交叉轴校正电路的数学模型为：

所述X直接轴控制电路的数学模型为：

所述Y交叉轴校正电路的数学模型为：

所述Y直接轴控制电路的数学模型为：

其中，k₁为电路的放大倍数，w₁、w₂为直接轴控制电路中微分环节和积分环节的转折频率，w₃、w₄为交叉轴校正电路中微分环节和积分环节的转折频率。