CN103968819A - 测量陀螺飞轮高速转子两维摆角的非接触式测量传感器 - Google Patents

Abstract

一种测量陀螺飞轮高速转子两维摆角的非接触式测量传感器，采用电涡流探头作为敏感元件检测探头到飞轮转子侧面的距离随转子倾侧产生的变化，实现飞轮转子两维倾侧角的非接触式测量，在飞轮转子圆周上均布四组电涡流探头组，将两个相对电涡流探头组的输出信号进行差分运算，消除其中的共模成分，实现两维摆角测量解耦。本发明使摆角非接触测量功能与飞轮转子旋转转速无关，从而提高飞轮转子倾侧摆角测量频率。

Description

测量陀螺飞轮高速转子两维摆角的非接触式测量传感器

技术领域

本发明涉及一种测量陀螺飞轮高速转子两维摆角的非接触式测量传感器。

背景技术

随着航天事业的发展，如何降低航天器的成本，同时又保持其高可靠性和富于竞争力的性能指标，这是一项日益增长的需求。姿态控制系统是航天器中较昂贵的分系统之一，这是由于其硬件成本高、所需要的系统集成和测试费用高。因此，在保持姿控分系统精确的指向性能要求的同时，简化姿控分系统并降低其成本，这将有助于显著降低航天器的成本。

卫星姿态控制系统一般基于对角动量的直接控制。控制的最终目的是使卫星或卫星的一部分指向地球、其他航天器或其它天体。现有条件下，为实现高精度，可以采用三个飞轮，通过改变各个飞轮的转速，航天器内总角动量的大小和方向便可得到控制。这些飞轮通常三个一组以正交方式安装。重量和成本就成为这种多个飞轮配置方案的一个主要缺点。

针对现有卫星姿态控制系统的这些不足之处，加拿大研究机构提出了一种新型的执行机构——陀螺飞轮。该装置可为航天器提供偏置角动量，并且能够对所有三个轴施加控制力矩，因此该装置同时起到一个偏置动量飞轮和两个零动量飞轮的作用，达到了同样水准的指向精度性能，使得姿控系统设计所需要的部件数量减少。这对诸如通信、遥感以及空间科学等应用卫星的低成本、轻量化的姿态控制系统是十分有吸引力的。

陀螺飞轮是由加拿大Bristol公司研发的一种新型的航天器姿态控制装置。并在加拿大航天局SCISAT小型科学试验卫星上进行了飞行验证。非接触式两维摆角传感器是实现陀螺飞轮三轴控制力矩输出的核心部件之一。

Bristol公司设计的陀螺飞轮采用光电方式实现飞轮转子两维侧摆角度的非接触式测量。其工作原理是将飞轮转子外表面加工为球面，通过机械加工或表面涂覆形成三角形几何特性。当飞轮转子旋转时，将一束光发射到飞轮转子表面，然后接收飞轮表面反射的光信号。飞轮表面的几何特征的变化引起反射光强的变化，形成一串脉冲信号。脉冲信号的宽度取决于飞轮转子的转速和倾侧角度。在飞轮转速已知时可以解算出飞轮转子的倾侧角度。

现有的这种测量飞轮转子倾侧角度的技术存在以下几点问题：

1、测量倾侧角度与飞轮转子转速相关，当飞轮转子加减速对倾侧角度测量带来误差和干扰。

2、倾侧角度的采样频率取决于飞轮转子转速。飞轮转子转速快，数据刷新率高；飞轮转子转速慢，数据刷新率低。倾侧角度测量频率的变化给后续控制系统的设计带来困难。

3、对数字控制方法而言，提高采样频率可以提高控制精度。但采用现有方法无法根据控制算法的需要改变倾侧角度的采样频率。

4、现有方法将倾侧角度的测量转换为测量脉冲宽度，对测量实时性造成影响。在脉冲高电平或低电平持续期间发生的倾角变化无法测量得到。

发明内容

本发明提供一种测量陀螺飞轮高速转子两维摆角的非接触式测量传感器，使摆角非接触测量功能与飞轮转子旋转转速无关，从而提高飞轮转子倾侧摆角测量频率。

为了达到上述目的，本发明提供一种测量陀螺飞轮高速转子两维摆角的非接触式测量传感器，该非接触式测量传感器设置在陀螺飞轮整机上，所述的陀螺飞轮整机包含陀螺飞轮整机壳体），设置在陀螺飞轮整机壳体内的飞轮转子，所述的陀螺飞轮整机壳体上设置四个正交的孔；

所述的非接触式测量传感器包含：

四个探头座，其分别设置在陀螺飞轮整机壳体上的正交孔内，四个探头座位于同一平面内；

四个电涡流探头组，其分别对应设置在探头座上，所述的每个电涡流探头组包含两个平行设置的电涡流探头，所述的八个电涡流探头组成差动输出电桥电路，输出电桥信号UX、UY、DX和DY；

振荡器电路，其设置在陀螺飞轮整机壳体上，电路连接所述的差动输出电桥电路，为电涡流探头提供激励信号；

信号处理电路，其设置在陀螺飞轮整机壳体上，其输入端连接所述的差动输出电桥电路的输出端，差动输出电桥电路输出的信号通过信号处理电路进行处理后，得到飞轮转子在X轴和Y轴上的倾侧角。

所述的飞轮转子外侧设置金属套筒，增强电涡流探头的输出信号，提高测量信号的信噪比。

所述的金属套筒为铝合金套筒或者铜合金套筒。

所述的四个电涡流探头组布置在飞轮转子四周形成八个电涡流探头分两层均布的结构。

所述的差动输出电桥电路包含两个差动输出电桥，一个差动输出电桥的输出信号为UX和UY，另一个差动输出电桥的输出信号为DX和DY。

两个对向设置的电涡流探头组上的四个电涡流探头组成一个差动输出电桥。

所述的信号处理电路对差动输出电桥电路输出的信号进行调制解调、一阶滤波、信号放大、二阶滤波后，得到飞轮转子在X轴和Y轴上的倾侧角：

其中，∠X是飞轮转子在X轴上的倾侧角，∠Y是飞轮转子在Y轴上的倾侧角。

本发明与现有技术相比有益效果为：

1、采用电涡流探头测量转子两维倾侧摆角，不需要飞轮转子的转速测量信号，也不需要飞轮转子旋转运动，可以在静态及动态下实现转子摆角测量。而现有技术只能在动态下实现摆角测量。

2、采用电涡流探头测量转子两维倾侧摆角，测量信号的带宽由探头的响应带宽决定，通常在20KHz以上，响应带宽更高。而现有技术的测量带宽取决于飞轮转速，通常在300Hz以下。

3、可实现的摆角采样频率由AD采样芯片决定，一般可以实现20kHz或更高。而现有技术的采样频率取决于飞轮转速，通常在300Hz以下。

4、所需飞轮转子外型简单，对飞轮转子的加工要求低，测量系统对零件加工误差的容错能力较强。而实现现有技术需要飞轮转子具有较复杂的外形特征，对飞轮转子的加工要求较高，测量系统对零件加工误差的容错能力较差。

附图说明

图1和图2是安装了非接触式测量传感器的陀螺飞轮整机的剖面图。

图3是陀螺飞轮整机壳体7的结构示意图。

图4是振荡器电路和信号处理电路的结构示意图。

图5和图6是电涡流探头的布置示意图。

图7是飞轮转子两维摆动示意图。

图8是振荡器电路和差动输出电桥的电路图。

图9是信号处理电路的电路图。

具体实施方式

以下根据图1～图9，具体说明本发明的较佳实施例。

如图1和图2所示，本发明提供的一种测量陀螺飞轮高速转子两维摆角的非接触式测量传感器，该非接触式测量传感器设置在陀螺飞轮整机上。

所述的陀螺飞轮整机包含陀螺飞轮整机壳体7，设置在陀螺飞轮整机壳体7内的飞轮转子4。

如图3所示，所述的陀螺飞轮整机壳体7上设置四个正交的孔8。

如图1和图2所示，所述的非接触式测量传感器包含：

四个探头座1，其分别设置在陀螺飞轮整机壳体7上的正交孔8内，四个探头座位于同一平面内；

四个电涡流探头组2，其分别对应设置在探头座1上，所述的每个电涡流探头组2包含两个平行设置的电涡流探头，所述的八个电涡流探头组成差动输出电桥电路；

振荡器电路5，其设置在陀螺飞轮整机壳体7上（如图4所示），电路连接所述的差动输出电桥电路，为电涡流探头提供激励信号；

信号处理电路6，其设置在陀螺飞轮整机壳体7上（如图4所示），其输入端连接所述的差动输出电桥电路的输出端，电涡流探头输出的信号通过信号处理电路进行解调、滤波及放大形成测量信号；

如图1和图2所示，所述的飞轮转子4外侧设置金属套筒3，增强电涡流探头的输出信号，提高测量信号的信噪比。所述的金属套筒3为铝合金套筒或者铜合金套筒。

如图5和图6所示，四个电涡流探头组2布置在飞轮转子4四周形成八个电涡流探头分两层均布的结构。八个电涡流探头编号为：x1，x2，x1’，x2’；y1，y2，y1’，y2’。其中电涡流探头x1，x1’，y1，y1’位于同一平面内，x2，x2’，y2，y2’位于同一平面内。

如图7所示，当飞轮转子发生侧摆时，飞轮转子边缘与电涡流探头之间的气隙发生变化，通过检测电涡流探头磁阻的变化就可以解算出飞轮转子的侧摆角度。

飞轮转子两维摆动角度的解耦及平动分量通过电涡流探头组成测量电桥的方式消除。差动输出电桥电路的组桥方式如图8所示，振荡器电路5为差动输出电桥提供激励信号，电涡流探头x1，x2，x1’，x2’组成电桥，输出上电桥信号UX和UY，电涡流探头y1，y2，y1’，y2’的输出信号组成电桥，输出下电桥信号DX和DY，如图9所示，差动输出电桥电路的输出信号UX、UY、DX和DY传输到信号处理电路6的输入端，在信号处理电路内依次经过调制解调、一阶滤波、信号放大、二阶滤波后，对输入信号进行摆角解算，得到飞轮转子在X轴和Y轴上的倾侧角：

其中，∠X是飞轮转子在X轴上的倾侧角，∠Y是飞轮转子在Y轴上的倾侧角。

本发明采用电涡流探头作为敏感元件检测探头到飞轮转子侧面的距离随转子倾侧产生的变化，实现飞轮转子两维倾侧角的非接触式测量。电涡流探头输出模拟信号，对摆角的采样频率只取决于数模转换的速率，因此可以根据控制系统的需要提高摆角测量频率。陀螺飞轮转子的工作转速一般在4000rpm以下，采用Bristol公司的技术方案，其采样频率为267Hz，采用本发明的技术方案，用常规的AD采样芯片可以达到的采样频率至少为20kHz，因此可以更准确地测量出飞轮转子侧摆角度的动态特性。

飞轮转子具有两维倾侧运动，仅使用一个电涡流传感器探头无法实现测量信号解耦。解决这个问题的方法是在飞轮转子圆周上均布四组电涡流探头组，将两个相对电涡流探头组的输出信号进行差分运算，消除其中的共模成分，实现两维摆角测量解耦。

陀螺飞轮转子采用挠性框架支承，其横向抗剪切刚度较差，在外载荷作用下会使飞轮转子产生微观的平动位移，同样会引起探头到飞轮侧面气隙厚度的变化，从而对摆角测量造成干扰。解决这个问题的方法是在四个电涡流探头组上分别设置两个电涡流探头，将其测量信号进行差分运算以消除转子平动产生的共模分量。

综合以上两条技术方案，实现飞轮转子侧摆运动解耦测量共需要八个电涡流探头，每个测量通道布置四个探头，为实现两次差分运算，将这四个探头连接成电桥桥路后输出，从而通过测量电路自动消除不需要的共模平动分量和正交测量通道的耦合分量。

陀螺飞轮转子采用碳钢制造，电涡流探头对碳钢材料的灵敏度系数较低，直接检测探头到碳钢表面气隙厚度的变化，探头输出信号较弱，测量信号的信噪比差。解决这个问题的方法是在飞轮转子碳钢基体外侧设计一层铝合金套筒或铜合金套筒。铝合金与铜合金的导电性能优于碳钢，电涡流传感器对这类材料的灵敏度系数较高，加入铝合金套筒或铜合金套筒后可以增强探头输出信号，提高测量信号的信噪比。

本发明与现有技术相比有益效果为：

1、采用电涡流探头测量转子两维倾侧摆角，不需要飞轮转子的转速测量信号，也不需要飞轮转子旋转运动，可以在静态及动态下实现转子摆角测量。而现有技术只能在动态下实现摆角测量。

2、采用电涡流探头测量转子两维倾侧摆角，测量信号的带宽由探头的响应带宽决定，通常在20KHz以上，响应带宽更高。而现有技术的测量带宽取决于飞轮转速，通常在300Hz以下。

3、可实现的摆角采样频率由AD采样芯片决定，一般可以实现20kHz或更高。而现有技术的采样频率取决于飞轮转速，通常在300Hz以下。

4、所需飞轮转子外型简单，对飞轮转子的加工要求低，测量系统对零件加工误差的容错能力较强。而实现现有技术需要飞轮转子具有较复杂的外形特征，对飞轮转子的加工要求较高，测量系统对零件加工误差的容错能力较差。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种测量陀螺飞轮高速转子两维摆角的非接触式测量传感器，该非接触式测量传感器设置在陀螺飞轮整机上，所述的陀螺飞轮整机包含陀螺飞轮整机壳体（7），设置在陀螺飞轮整机壳体（7）内的飞轮转子（4），其特征在于，

所述的陀螺飞轮整机壳体（7）上设置四个正交的孔（8）；

所述的非接触式测量传感器包含：

四个探头座（1），其分别设置在陀螺飞轮整机壳体（7）上的正交孔（8）内，四个探头座位于同一平面内；

四个电涡流探头组（2），其分别对应设置在探头座（1）上，所述的每个电涡流探头组（2）包含两个平行设置的电涡流探头，所述的八个电涡流探头组成差动输出电桥电路，输出电桥信号UX、UY、DX和DY；

振荡器电路（5），其设置在陀螺飞轮整机壳体（7）上，电路连接所述的差动输出电桥电路，为电涡流探头提供激励信号；

信号处理电路（6），其设置在陀螺飞轮整机壳体（7）上，其输入端连接所述的差动输出电桥电路的输出端，差动输出电桥电路输出的信号通过信号处理电路进行处理后，得到飞轮转子在X轴和Y轴上的倾侧角。

2.如权利要求1所述的测量陀螺飞轮高速转子两维摆角的非接触式测量传感器，其特征在于，所述的飞轮转子（4）外侧设置金属套筒（3），增强电涡流探头的输出信号，提高测量信号的信噪比。

3.如权利要求2所述的测量陀螺飞轮高速转子两维摆角的非接触式测量传感器，其特征在于，所述的金属套筒（3）为铝合金套筒或者铜合金套筒。

4.如权利要求1-3中任意一个所述的测量陀螺飞轮高速转子两维摆角的非接触式测量传感器，其特征在于，所述的四个电涡流探头组（2）布置在飞轮转子（4）四周形成八个电涡流探头分两层均布的结构。

5.如权利要求4所述的测量陀螺飞轮高速转子两维摆角的非接触式测量传感器，其特征在于，所述的差动输出电桥电路包含两个差动输出电桥，一个差动输出电桥的输出信号为UX和UY，另一个差动输出电桥的输出信号为DX和DY。

6.如权利要求5所述的测量陀螺飞轮高速转子两维摆角的非接触式测量传感器，其特征在于，两个对向设置的电涡流探头组（2）上的四个电涡流探头组成一个差动输出电桥。

7.如权利要求6所述的测量陀螺飞轮高速转子两维摆角的非接触式测量传感器，其特征在于，所述的信号处理电路（6）对差动输出电桥电路输出的信号进行调制解调、一阶滤波、信号放大、二阶滤波后，得到飞轮转子在X轴和Y轴上的倾侧角：

其中，∠X是飞轮转子在X轴上的倾侧角，∠Y是飞轮转子在Y轴上的倾侧角。