CN104457722B - 一种带控制的单轴双陀螺稳定系统及其控制方法 - Google Patents

一种带控制的单轴双陀螺稳定系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带控制的单轴双陀螺稳定系统及其控制方法。本稳定系统包括蓄电池、偏角传感器、加速度传感器、控制决策器、单轴双陀螺器；其中单轴双陀螺器包括机座和两个转速相反、稳定轴平行的陀螺转子，其中单个陀螺器包括定子下部、定子上部、磁极、滚动球轴承、电枢绕组、定子励磁绕组、螺栓、转子、电枢铁芯、换向器、绝缘套筒、电刷、轴承端盖、推力球轴承。它是利用定子励磁绕组通电后产生磁场并作用于转子闭合框形成磁电动力旋转扭矩而使其转动，大质量的转子转动后产生转动力矩，根据陀螺的定轴性原理，可以增加与机座相固定平台的稳定性，该陀螺稳定系统采用两个陀螺器同步使用，采用相反的转动。该系统结构简单、抗动力扰动能力强，适用于车辆、船舶、飞行器的稳定。

Description

一种带控制的单轴双陀螺稳定系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种带控制的稳定系统及其控制方法，特别是针对带控制的单轴双陀螺稳定系统及其控制方法。
背景技术
陀螺仪是一种机械装置，其主要部分是一个对旋转轴以极高角速度旋转的转子，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向，同时反抗任何改变转子轴向的力量，这就是陀螺仪的定轴性。利用这一原理制成了陀螺稳定平台。市场上主要用陀螺仪的特性制成感应器使用，直接式陀螺稳定平台较少，即使有应用，也是用电机带动转子作高速转动，效率较低。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种带控制的单轴双陀螺稳定系统及其控制方法。
带控制的单轴双陀螺稳定系统，包括蓄电池、偏角传感器、加速度传感器、控制决策器、单轴双陀螺器，其中单轴双陀螺器包括机座，在机座上设有两个转向相反的陀螺器，陀螺器包括定子下部、定子上部、磁极、定子端滚动球轴承、电枢绕组、定子励磁绕组、定位螺栓、转子、电枢铁芯、换向器、绝缘套筒、电刷器、转子上端滚动球轴承、轴承端盖、推力球轴承、旋进电机，其中电刷器包括电刷、弹簧片、电刷座、刷握，换向器包括绝缘缝隙、换向片；两个定子端滚动球轴承同心布置在机座的轴承孔内，定子下部的两个轴端与定子端滚动球轴承过盈配合，定子上部通过定位螺栓与定子下部连接，轴承盖通过螺栓固定在定子上部上，转子上端滚动球轴承通过过盈连接固定在定子上部上，换向器与绝缘套筒过盈连接，绝缘套筒与转子上端的轴过盈配合，换向片、弹簧片固定在刷握上，刷握固定在电刷座上，电刷器通过螺钉固定在定子上部，换向片与电刷接触，电枢绕组嵌入电枢铁芯槽内，转子与推力球轴承过盈连接，推力球轴承固定在定子下部上，定子励磁绕组固定在磁极上，磁极固定在定子下部上，旋进电机通过螺栓固定在机座上；偏角传感器与加速度传感器固定在平台上，分别通过导线与控制决策器相连通，控制决策器通过导线分别与电枢绕组、励磁绕组、旋进电机相连通，蓄电池通过导线分别与电枢绕组、励磁绕组、旋进电机相连通。
所述的两个转向相反的陀螺器的旋转轴平行，旋进电机对称布置。
所述的电枢绕组的绕线方式为同槽式单叠绕组。
带控制的单轴双陀螺稳定的控制方法为：两组定子励磁绕组所通的电流流向相反，每一组电枢绕组两端分别接在换向器上两个相隔180°的换向片上，两边的电刷同时只能接触两个相隔180°的换向片，使得每一组通电的电枢绕组在励磁绕组通电后产生的固定的磁场中受到始终不变向的且垂直于电枢绕组所在平面的磁场力作用，使得电枢铁芯转动，从而带动转子转动。当转子转动后，产生转动惯量H，H=JΩ，若需增大动量矩H，可以增大陀螺器转子的转动惯量J，也可以增大转子的转速Ω，两个陀螺器的转子产生的转动惯量分别为H1、H2。如果被稳定的平台受到绕x轴（如附图2）的干扰力矩Mx的作用时，偏角传感器检测到平台发生偏转，偏角传感器将偏转信号发送到控制决策器，由控制决策器根据一定的算法运算出纠偏所需的电流、电压量，从而控制旋进电机的转速，两个陀螺器分别绕轴y1、y2分别以方向相反的角速度ω1、ω2进动，分别产生陀螺力矩Mx1=H1ω1、Mx2=H2ω2，均与干扰力矩Mx反向，起到对抗干扰力矩Mx的作用，从而增加平台的稳定性。
本发明是利用定子励磁绕组通电后产生旋转磁场并作用于转子闭合铝框形成磁电动力旋转扭矩而使其转动，大质量的定子转动后产生转动力矩，根据陀螺的定轴性原理，可以增加与机座相固定平台的稳定性，该陀螺稳定系统采用两个陀螺器同步使用，采用相反的转动，以抵消各自的陀螺有害的横摆力矩。该系统结构简单、抗动力扰动能力强，适用于车辆、船舶、飞行器的稳定。
附图说明
图1为带控制的单轴双陀螺稳定系统局部剖视示意图；
图2为带控制的单轴双陀螺稳定系统结构示意图；
图3为陀螺器的剖视示意图；
图4为电枢绕组及定子励磁绕组的电流流向示意图；
图5为电枢绕组及换向器示意图；
图6为电枢绕组的接线图；
图中，机座1、定子下部2、定子上部3、磁极4、定子端滚动球轴承5、电枢绕组6.1、定子励磁绕组6.2、定位螺栓7、转子8、电枢铁芯9、换向器10、绝缘套筒11、电刷器12、转子上端滚动球轴承13、轴承端盖14、推力球轴承15、旋进电机16、电刷12.1、弹簧片12.2、电刷座12.3、刷握12.4、绝缘缝隙10.1、换向片10.2。
具体实施方式
如图1、3、4、5所示，一种带控制的单轴双陀螺稳定系统包括蓄电池、偏角传感器、加速度传感器、控制决策器、单轴双陀螺器，其中单轴双陀螺器包括机座1，在机座上设有两个转向相反的陀螺器，陀螺器包括定子下部2、定子上部3、磁极4、定子端滚动球轴承5、电枢绕组6.1、定子励磁绕组6.2、定位螺栓7、转子8、电枢铁芯9、换向器10、绝缘套筒11、电刷器12、转子上端滚动球轴承13、轴承端盖14、推力球轴承15，其中电刷器12包括电刷12.1、弹簧片12.2、电刷座12.3、刷握12.4，换向器10包括绝缘缝隙10.1、换向片10.2；两个定子端滚动球轴承5同心布置在机座1的轴承孔内，定子下部2的两个轴端与定子端滚动球轴承5 过盈配合，定子上部3通过定位螺栓7与定子下部2连接，轴承盖14通过螺栓固定在定子上部3上，转子上端滚动球轴承13通过过盈连接固定在定子上部3上，换向器10与绝缘套筒11过盈连接，绝缘套筒11与转子8上端的轴过盈配合，换向片12.1、弹簧片12.2固定在刷握12.4上，刷握12.4固定在电刷座12.3上，电刷器12通过螺钉固定在定子上部3，换向片10.2与电刷12.1接触，电枢绕组6.1嵌入电枢铁芯9槽内，转子8与推力球轴承15过盈连接，推力球轴承15固定在定子下部2上，定子励磁绕组6.2固定在磁极4上，磁极4固定在定子下部2，上旋进电机16通过螺栓固定在机座1上；偏角传感器与加速度传感器固定在平台上，分别通过导线与控制决策器相连通，控制决策器通过导线分别与电枢绕组6.1、励磁绕组6.2、旋进电机16相连通，蓄电池通过导线分别与电枢绕组6.1、励磁绕组6.2、旋进电机16相连通。磁极4、定子下部2和定子上部3都是由导磁良好的钢铁制成，电枢铁芯9由导磁良好的硅钢片叠成，转子8由导磁良好的钢铁制成，换向器有18个铜制换向片，排成圆筒形，固定在一个绝缘套筒11上，换向片间留有缝隙，相互绝缘；电枢绕组6.1通过电刷12.1供电，电刷12.1的主要成份是石墨，导电良好又润滑。电刷12.1固定在刷握12.4内，由弹簧片12.2压向换向器12；本发明有两个主磁极，故有两个电刷组，每个电刷组由两个电刷12.1构成。电刷组固定在电刷座12.3上，构成电刷器12。
如图1所示，单轴双陀螺稳定系统采用双陀螺器布置，两个陀螺的旋转轴平行，整个系统通过螺栓固定在载体上，旋进电机16对称布置。
如图6所示，电枢绕组6.1的绕线方式为同槽式单叠绕组，每槽元件数u为1，电机的元件总数S为电枢槽数Z与u的乘积，S=K=18（换向片数k=18）。
如图2、4所示，带控制的单轴双陀螺稳定系统其控制方法为：两组定子励磁绕组6.2所通的电流流向相反，每一组电枢绕组6.1两端分别接在换向器10上两个相隔180°的换向片10.2上，两边的电刷12.1同时只能接触两个相隔180°的换向片10.2，使得每一组通电的电枢绕组6.1在励磁绕组6.2通电后产生的固定的磁场中受到始终不变向的且垂直于电枢绕组6.1所在平面的磁场力作用，使得电枢铁芯9转动，从而带动转子8转动。当转子8转动后，产生转动惯量H，H=JΩ，若需增大动量矩H，可以增大陀螺器转子8的转动惯量J，也可以增大转子8的转速Ω，两个陀螺器的转子产生的转动惯量分别为H1、H2。如果被稳定的平台受到绕x轴（如附图2）的干扰力矩Mx的作用时，偏角传感器检测到平台发生偏转，偏角传感器将偏转信号发送到控制决策器，由控制决策器根据一定的算法运算出纠偏所需的电流、电压量，从而控制旋进电机16的转速，两个陀螺器分别绕轴y1、y2分别以方向相反的角速度ω1、ω2进动，分别产生陀螺力矩Mx1=H1ω1、Mx2=H2ω2，均与干扰力矩Mx反向，起到对抗干扰力矩Mx的作用，从而增加平台的稳定性。

Claims (3)

1.一种带控制的单轴双陀螺稳定系统，其特征在于具有蓄电池、偏角传感器、加速度传感器、控制决策器、单轴双陀螺器，其中单轴双陀螺器包括机座（1），在机座上设有两个转向相反的陀螺器，陀螺器包括定子下部（2）、定子上部（3）、磁极（4）、定子端滚动球轴承（5）、电枢绕组（6.1）、定子励磁绕组（6.2）、定位螺栓（7）、转子（8）、电枢铁芯（9）、换向器（10）、绝缘套筒（11）、电刷器（12）、转子上端滚动球轴承（13）、轴承端盖（14）、推力球轴承（15）、旋进电机（16），其中电刷器（12）包括电刷（12.1）、弹簧片（12.2）、电刷座（12.3）、刷握（12.4），换向器（10）包括绝缘缝隙（10.1）、换向片（10.2）；两个定子端滚动球轴承（5）同心布置在机座（1）的轴承孔内，定子下部（2）的两个轴端与定子端滚动球轴承（5） 过盈配合，定子上部（3）通过定位螺栓（7）与定子下部（2）连接，轴承端盖（14）通过螺栓固定在定子上部（3）上，转子上端滚动球轴承（13）通过过盈连接固定在定子上部（3）上，换向器（10）与绝缘套筒（11）过盈连接，绝缘套筒（11）与转子（8）上端的轴过盈配合，换向片（10.2）、弹簧片（12.2）固定在刷握（12.4）上，刷握（12.4）固定在电刷座（12.3）上，电刷器（12）通过螺钉固定在定子上部（3），换向片（10.2）与电刷（12.1）接触，电枢绕组（6.1）嵌入电枢铁芯（9）槽内，转子（8）与推力球轴承（15）过盈连接，推力球轴承（15）固定在定子下部（2）上，定子励磁绕组（6.2）固定在磁极（4）上，磁极（4）固定在定子下部（2）上，旋进电机（16）通过螺栓固定在机座（1）上；偏角传感器与加速度传感器固定在平台上，分别通过导线与控制决策器相连通，控制决策器通过导线分别与电枢绕组（6.1）、定子励磁绕组（6.2）、旋进电机（16）相连通，蓄电池通过导线分别与电枢绕组（6.1）、定子励磁绕组（6.2）、旋进电机（16）相连通。
2.根据权利要求1所述的一种带控制的单轴双陀螺稳定系统，其特征在于所述的两个转向相反的陀螺器的旋转轴平行，旋进电机（16）对称布置。
3.根据权利要求1所述的一种带控制的单轴双陀螺稳定系统，其特征在于电枢绕组（6.1）的绕线方式为同槽式单叠绕组。
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