CN103884867B - 一种三浮陀螺加速度计的磁悬浮定中系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三浮陀螺加速度计的磁悬浮定中系统，包括五路位置测量电桥、多路选通器、前置放大器、相敏解调电路、限幅电路、带有模数转换功能的微控制器、电平转换电路、功率三极管和电荷泄放电路；电平转换电路通过使用比较器芯片，可以将微控制器输出的电压转换为控制功率电路所需的电压，以实现对执行器的控制功能。通过使用电荷泄放电路，可以使由于电流的快速通断而积聚在感性负载中的能量以适当的速度释放出来，避免产生尖峰电压，影响电路的可靠性。

Description

一种三浮陀螺加速度计的磁悬浮定中系统

技术领域

本发明涉及一种三浮陀螺加速度计的磁悬浮定中系统。

背景技术

三浮陀螺加速度计是一种高精度的摆式积分陀螺加速度计，其内部的陀螺电机采用气浮轴承，从而使电机在高速旋转过程中避免摩擦，提高使用寿命。同时，加速度计内部的浮子部件处于液体中，其重力与所受的浮力大小相等方向相反，因此处于悬浮状态。另外，浮子部件轴采用磁悬浮轴承，从而提高轴承的定位精度。由于这种加速度计同时采用气浮、液浮和磁悬浮技术，所以称为三浮陀螺加速度计。

在三浮陀螺加速度计中，磁悬浮技术应用在对浮子组件的辅助支承上。通过磁悬浮支承，使三浮陀螺加速度计的浮子分别沿外框架坐标系的三个坐标轴定中心，起到完全脱离机械接触，消除浮子转动轴上的摩擦力矩，克服浮子的重浮力残差，从而提高仪表精度的作用。

在磁悬浮系统中，磁悬浮电路的测量和控制功能依靠安装在加速度计表头内部的磁悬浮元件来实现。磁悬浮元件在电路中既是传感器，也是执行机构。作为传感器，磁悬浮元件将作为系统输出的浮子位移转化为线圈电感值的变化，以供电路进行检测。作为执行机构，磁悬浮元件能通过向线圈中通入大电流，产生电磁吸引力，驱动浮子产生位移，从而达到指定的输出。磁悬浮电路通过分时控制，交替地使磁悬浮元件工作在传感器和执行机构状态。

现有的磁悬浮电路一般采用模拟开关集成电路来实现功率电路功能，且不设置电荷泄放电路。模拟开关集成电路由于工艺上的原因，一般能通过的最大电流有限，而磁悬浮电路需要大电流进行加力控制。因此模拟开关在磁悬浮电路中并不适用。

当磁悬浮电路中加力控制结束的时刻，功率电路中的三极管阵列迅速关断。此时，由于磁悬浮定子线圈是感性元件，其电特性与电感器相同，当通过的电流迅速减少时，在定子线圈中会产生一个感生电动势。当没有泄放通路或者泄放通路的电阻很大时，这个感生电动势的幅值高，持续时间短，呈现尖峰脉冲的形式。由于磁悬浮电路是闭环电路，这个尖峰脉冲会馈入放大器，影响信号精度。当尖峰脉冲的幅值超过器件所能承受的最大输入电压时，还可能对器件造成损坏。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种结构简单的三浮陀螺加速度计的磁悬浮定中系统，采用简洁的办法解决对感性负载施加控制电流通断过程中出现的尖峰电压信号对定中系统电路的不良影响。

本发明的技术方案是：

一种三浮陀螺加速度计的磁悬浮定中系统，三浮陀螺加速度计包括浮子和磁悬浮元件，磁悬浮定中系统包括五路位置测量电桥、多路选通器、前置放大器、相敏解调电路、限幅电路、带有模数转换功能的微控制器、电平转换电路、功率三极管和电荷泄放电路；磁悬浮元件包括轴向磁悬浮元件和径向磁悬浮元件；轴向磁悬浮元件包括1对定子线圈，径向磁悬浮元件包括4对定子线圈；

每个定子线圈连接一个电荷泄放电路；每个电荷泄放电路包括一个电荷泄放电阻R3或R4，第一电压调整二极管V1或V3，第二电压调整二极管V2或V4电荷泄放电阻R3或R4的一端与定子线圈的输入端相连，电荷泄放电阻R3或R4的另一端与第一电压调整二极管的阳极相连；第一电压调整二极管的阴极与第二电压调整二极管的阴极相连，第二电压调整二极管的阳极与定子线圈的接地端相连；

每路位置测量电桥用于检测对应的一对定子线圈的输入端之间的电势差，共获得5路差分信号；每路位置测量电桥包括检测电阻R1、R2、激磁电源；检测电阻R1的一端与激磁电源相连，检测电阻R1的另一端与所述对应的一对定子线圈中的第一个定子线圈L1的输入端相连，检测电阻R2的一端与激磁电源相连，检测电阻的另一端与所述对应的一对定子线圈中的第二个定子线圈L2的输入端相连；定子线圈L1、L2的接地端接地；通过定子线圈L1、L2的输入端输出一路差分信号至多路选通器；多路选通器在微控制器电路的控制下分时选通5路差分信号并输出至前置放大器；每路差分信号经过前置放大器放大后获得交流信号，相敏解调电路将交流信号转换为直流电压信号后输入至限幅电路；限幅电路将直流电压信号限制在0-5V后输入至带有模数转换功能的微控制器，经微控制器进行A/D转换后输出10路加力控制信号，每路加力控制信号经过与之对应的电平转换电路进行电平转换后输入至相应的功率三极管，由功率三极管进行功率变换后输出加力电流至对应的定子线圈的输入端。

所述电平转换电路包括比较器芯片，微控制器输出的加力控制信号输入至比较器芯片的一个输入端，+2.5V的固定电平输入至比较器芯片的另一个输入端；当加力控制信号为高电平+5V时，比较器芯片输出+15V，当加力控制信号为低电平0V时，比较器芯片输出为-15V；比较器芯片输出的电平信号经电阻R11后与功率三极管的基极相连，功率三极管的发射极与定子线圈的输入端相连；功率三极管的集电极通过限流电阻R12与-5V电压相连。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

本发明的定中系统采用了一种匀速释放感性负载内积聚能量的电荷泄放电路。采用两电压调整二极管对接并串联电阻器的形式。当提供给负载的外部电流突然被切断时，为负载内电流的流动提供一个通路，使负载内存储的能量以适当的速度被释放，避免能量过快释放引起的尖峰电压对整个电路的不良影响。本发明的定中系统通过采用比较器芯片对微控制器的输出电平进行电压变换，以取得控制功率电路所需的电平。

附图说明

图1为磁悬浮电路的原理框图。

图2为轴向磁悬浮加力脉宽与浮子位移的关系。

图3为径向磁悬浮加力脉宽与浮子位移的关系。

图4为位置测量电桥、电荷泄放电路与定子线圈连接电路图。

图5为电平转换电路和功率三极管电路图。

图6为磁悬浮元件与浮子安装示意图，图6a为正视剖面图，图6b为俯视剖面图。

具体实施方式

三浮陀螺加速度计的磁悬浮定中系统采用的是基于伺服控制的数字时分式有源磁悬浮，磁悬浮是利用磁场力使磁性悬浮体（浮子）沿着加速度计的框架坐标的一个轴或绕着框架坐标的几个轴保持固定位置。在三浮陀螺加速度计液浮轴承间隙的活动范围内（径向约65μm，轴向约100μm），浮子组件可视为能在空间六个自由度上运动的刚体，除绕浮子轴转动的自由度用以敏感陀螺效应为，其余五自由度均应受磁悬浮支承定中约束实现全悬浮。三浮陀螺加速度计包括浮子和磁悬浮元件，

如图1所示，本发明的三浮陀螺加速度计的磁悬浮定中系统包括五路位置测量电桥、多路选通器、前置放大器、相敏解调电路、限幅电路、带有模数转换功能的微控制器、电平转换电路、功率三极管和电荷泄放电路。

磁悬浮元件包括径向磁悬浮元件和轴向磁悬浮元件。磁悬浮元件既用作位置传感器，又用作力发生器。磁悬浮元件用作位置传感器时工作于差动方式，可有效减小或消除输出信号的对称性误差，为提高检测灵敏度，采用惠斯通电桥加激磁信号，将浮子位移引起的元件电感变化转化为电压信号。轴向磁悬浮元件安装在浮子1的轴向上，径向磁悬浮元件安装在浮子1的径向上；轴向磁悬浮元件包括一对轴向定子2和一对轴向转子3，径向磁悬浮元件包括两对径向定子4和径向转子5。在图6a中，一对轴向定子2上的线圈组成同为一路的两组线圈，在图6b中相对的两个径向定子4上的线圈为同为一路的两组线圈，4个径向定子间隔90度排列。

如图4所示，每路位置测量电桥用于检测对应的一对定子线圈的输入端之间的电势差；每路位置测量电桥包括检测电阻R1、R2、激磁电源；检测电阻R1的一端与激磁电源相连，检测电阻R1的另一端与所述对应的一对定子线圈中的第一个定子线圈L1的输入端相连，检测电阻R2的一端与激磁电源相连，检测电阻的另一端与所述对应的一对定子线圈中的第二个定子线圈L2的输入端相连；定子线圈L1、L2的接地端接地；通过定子线圈L1、L2的输入端输出一路差分信号至多路选通器。L1和L2为磁悬浮元件定子上同为一路的两组线圈，电阻R1、R2与L1和L2共同组成一个位置测量电桥。磁悬浮元件需要检测五路信号，所以共有五个位置测量电桥，一路轴向，四路径向。当浮子移动时，会引起对应的线圈自感系数的变化，在激励信号的作用下，电桥两臂的电势差发生改变，而这一改变与浮子位置的变化成近似正比关系。由功率三极管送来的加力电流直接馈入定子线圈的输入端。轴向磁悬浮处于定中位置时L1=L2≈47mH,径向磁悬浮处于定中位置时L1=L2≈10mH。激励信号源采用正弦波连续激磁，激磁频率12KHz、幅值1.6Vrms。R1和R2的阻值要分别接近于线圈L1和L2交流阻抗，以使电桥对位置的变化最敏感。考虑到电阻器的生产规格，对于轴向的位置测量电桥，R1使用3600欧姆的电阻；R2的阻值，则根据三浮陀螺加速度计的不同情况通过专门的调试过程得出，一般情况下，R2的电阻值接近于3600欧姆。对于径向的位置测量电桥，R1使用750欧姆的电阻。R2的阻值也需要通过专门调试得出，一般来说接近于750欧姆。

从位置测量电桥输出的五路差分信号都送到多路选通器的输入端。多路选通器的作用是在微控制器的控制下，依次选通这五路差分信号，送至后级电路进行处理。多路选通器可以选用双八路选1开关ADG507ATE，使能端及控制端由微控制器产生。每路差分信号经过前置放大器放大后获得交流信号，前置放大器的增益要选择合适的值，过小会降低磁悬浮信号的灵敏性，过大不仅不利于后级相敏解调电路的工作，也会降低整个系统的稳定性。前置放大器芯片可以选用AD公司的仪器放大器AD620，该芯片具有低功耗、低噪声、易使用等优点；该芯片输入阻抗高，输入失调电压小，可以用外接电阻的方法方便地调整放大器的增益。相敏解调电路将前置放大器输出的交流信号转换为直流信号。相敏解调电路可以采用AD公司的AD698芯片。限幅电路将相敏解调电路输出的直流信号限制在0-5V后输入至带有模数转换功能的微控制器，经微控制器进行A/D转换后输出10路加力控制信号，每路加力控制信号经过与之对应的电平转换电路进行电平转换后输入至相应的功率三极管，由功率三极管进行功率变换后输出加力电流至对应的定子线圈的输入端。。

如图4所示，每个电荷泄放电路包括一个电阻R3或R4，第一电压调整二极管V1或V3，第二电压调整二极管V2或V4。电阻的一端与磁悬浮元件的定子线圈输入端相连，电阻的另一端与第一电压调整二极管的阳极相连；第一电压调整二极管的阴极与第二电压调整二极管的阴极相连，第二电压调整二极管的阳极与磁悬浮元件的定子线圈接地端相连。电荷泄放电路为磁悬浮元件的定子线圈提供了一条低阻抗的能量释放通路，使得定子线圈内感应电动势幅值降低，持续时间延长，因此不会产生过高的尖峰脉冲，从而提高了电路的可靠性。电荷泄放电路之所以采用一对电压调整二极管，是因为磁悬浮元件的定子线圈上叠加有直流分量为0V，交流分量幅值为1.6V的测量激励信号，所以不能使用单向的稳压电路。另外，由于磁悬浮元件的定子线圈同时用作前放电路的传感器，所以不能仅仅并联一个电阻作为泄放通路。由于印制板上空间有限，只能使用表面安装，尺寸较小的电压调整二极管。从减少元器件数目的角度，理想的方案是采用工作电压接近15V的二极管，可不用串接电阻。但这些二极管由于工作电压高，所能承受的浪涌电流较低，如果通过最大电流强度为100mA的泄放电流，可靠性较差。所以电路中使用工作电压较低但浪涌电流高的二极管，并串以一定阻值的电阻，使尖峰脉冲的幅值达到较为理想的电位。电荷泄放电路仅对整个电路起保护作用，对电路的传递函数并无影响。

微控制器是整个电路的核心元件，可以选用Intel公司的准十六位微控制器80C198。它通过对输入信号进行A/D转换并计算分析后，输出脉冲调宽信号（加力控制信号）至电平转换电路，决定加力电流。同时微控制器还对多路选通器发送控制信号。由于微控制器的作用，使信号检测与加力这两个过程分时进行，互不干扰。在信号检测过程中，微控制器不输出加力控制信号，在加力过程中多路选通器不选通任何信号，从而不进行信号检测。

当浮子偏离定中位置趋向一端出现位移时，微控制器将给另一端电磁元件加入加力电流，使之对浮子产生与位移大小相关、方向相反的电磁吸引力，将浮子拉回到定中位置。由于加力电流采用脉冲调宽的控制方式施加至定子线圈，所以在一个测控周期内，加力脉冲宽度与浮子位置的关系就是最主要的控制特性关系。轴向与径向磁悬浮加力脉宽与浮子位移的函数曲线如图2、图3所示。可见轴向和径向磁悬浮元件的控制特性都呈现“三段式”特征，即具有小比例区、大比例区和饱和区。目前微控制器的控制率的详细参数如表1所示。

表1控制率参数

由于磁悬浮元件的定子线圈同时也是电路的传感器，其上一直施加着测量所需的交流激磁信号（直流分量为0V，交流分量幅值约为1.6V）,所以微控制器输出的PWM逻辑控制信号(高电平约为+5V，低电平0V)不能直接控制功率三极管的通断，因此在它们中间增加了电平转换电路。

如图5所示，电平转换电路可以采用比较器芯片LM139，微控制器输出的PWM控制信号输入至比较器芯片的一个输入端，+2.5V的固定电平输入至比较器芯片的另一个输入端；当微控制器输出+5V高电平时，电压比较器的输出级截止，输出+15V电压。当微控制器输出0V低电平时，电压比较器的输出级导通，输出约为-15V电压。所述功率三极管采用PNP型三极管，当微控制器输出+5V高电平时，+15V电压通过2.4k电阻R11施加到PNP三极管的基极上，由于此时三极管集电级通过磁悬浮元件的定子线圈接到0V上，所以三极管截止，磁悬浮元件的定子线圈中没有加力电流。而当微控制器输出0V低电平时，电压比较器的输出级导通，输出约为-15V，这个电平通过2.4k电阻R11施加到三极管基极上,使三极管导通，使磁悬浮元件定子线圈中出现加力电流。作为执行器的磁悬浮元件的定子线圈的输入端接在功率三极管的发射极。功率三极管开通时工作于深度饱和状态，由于磁悬浮元件的定子线圈的直流电阻较小，需在三极管的集电极设置限流电阻R12。限流电阻R12，其阻值是根据加力电流的大小来决定的。如加力电流的幅值为100mA（为三极管的射极电流），而三极管基极电流为5mA，则流过限流电阻的电流应是95mA。如果磁悬浮元件的定子线圈的直流电阻为10Ω，三极管的饱和集射电压为0.3V，则可算出限流电阻的阻值应为39Ω。按最大加力占空比67%计算，限流电阻所消耗的热功率最大为0.24W。考虑到降额和提高可靠性的需要，实际电路中使用额定功率为1W的电阻作为限流电阻。

本发明的磁悬浮定中系统的电路性能指标满足在三浮陀螺加速度计上的使用要求。

Claims (2)

1.一种三浮陀螺加速度计的磁悬浮定中系统，三浮陀螺加速度计包括浮子和磁悬浮元件，其特征在于，磁悬浮定中系统包括五路位置测量电桥、多路选通器、前置放大器、相敏解调电路、限幅电路、带有模数转换功能的微控制器、电平转换电路、功率三极管和电荷泄放电路；磁悬浮元件包括轴向磁悬浮元件和径向磁悬浮元件；轴向磁悬浮元件包括1对定子线圈，径向磁悬浮元件包括4对定子线圈；

每个定子线圈连接一个电荷泄放电路；每个电荷泄放电路包括一个电荷泄放电阻R3或R4，第一电压调整二极管V1或V3，第二电压调整二极管V2或V4，电荷泄放电阻R3或R4的一端与定子线圈的输入端相连，电荷泄放电阻R3或R4的另一端与第一电压调整二极管的阳极相连；第一电压调整二极管的阴极与第二电压调整二极管的阴极相连，第二电压调整二极管的阳极与定子线圈的接地端相连；

每路位置测量电桥用于检测对应的一对定子线圈的输入端之间的电势差，共获得5路差分信号；每路位置测量电桥包括检测电阻R1、R2、激磁电源；检测电阻R1的一端与激磁电源相连，检测电阻R1的另一端与所述对应的一对定子线圈中的第一个定子线圈L1的输入端相连，检测电阻R2的一端与激磁电源相连，检测电阻R2的另一端与所述对应的一对定子线圈中的第二个定子线圈L2的输入端相连；定子线圈L1、L2的接地端接地；通过定子线圈L1、L2的输入端输出一路差分信号至多路选通器；多路选通器在微控制器电路的控制下分时选通5路差分信号并输出至前置放大器；每路差分信号经过前置放大器放大后获得交流信号，相敏解调电路将交流信号转换为直流电压信号后输入至限幅电路；限幅电路将直流电压信号限制在0-5V后输入至带有模数转换功能的微控制器，经微控制器进行A/D转换后输出10路加力控制信号，每路加力控制信号经过与之对应的电平转换电路进行电平转换后输入至相应的功率三极管，由功率三极管进行功率变换后输出加力电流至对应的定子线圈的输入端。

2.根据权利要求1所述的一种三浮陀螺加速度计的磁悬浮定中系统，其特征在于，所述电平转换电路包括比较器芯片，微控制器输出的加力控制信号输入至比较器芯片的一个输入端，+2.5V的固定电平输入至比较器芯片的另一个输入端；当加力控制信号为高电平+5V时，比较器芯片输出+15V，当加力控制信号为低电平0V时，比较器芯片输出为-15V；比较器芯片输出的电平信号经电阻R11后与功率三极管的基极相连，功率三极管的发射极与定子线圈的输入端相连；功率三极管的集电极通过限流电阻R12与-5V电压相连。