CN105486327A - 微机械陀螺测试用角速度发生装置 - Google Patents

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Abstract

微机械陀螺测试用角速度发生装置，属于惯性测量领域，本发明为解决传统微陀螺测试系统体积大、移动不便的问题。本发明包括箱体式支撑框架、减速电机、转盘、连杆、陀螺测试台、电机调速单元和直流电源；箱体式支撑框架的一个侧面作为工作面，该工作面上设置有转盘和陀螺测试台，且陀螺测试台设置有载臂，转盘的边缘和载臂的悬空端通过连杆转动连接；减速电机设置在箱体式支撑框架内部，减速电机的输出轴伸出箱体式支撑框架的工作面与转盘的中心固定连接；减速电机的输出轴带动转盘转动，进而通过连杆带动陀螺测试台摆动；直流电源为电机调速单元提供工作电源，电机调速单元控制减速电机输出不同转速以测试陀螺测试台上的微机械陀螺的角速度。

Description

微机械陀螺测试用角速度发生装置
技术领域
本发明涉及一种微陀螺测试系统，属于惯性测量领域。
背景技术
导航系统中最常用、最成熟的是惯性导航系统，惯性导航系统用惯性电子元件测量、感知目标的姿态、角速度等信息，在航空、航天器、航海器导航系统中发挥着非常重要的作用。
目前常用的陀螺测试工具是单轴或多轴的转台，转台航空航天器导航系统中所用的陀螺仪设备在地面测试，在一定程度上简化了对陀螺系统的测试工作。转台工作时，人为给转台预定一个控制信号，转台的电机根据控制信号输出标准电压使转台按指定角速度转动，从而提供了一个参考信号。被测陀螺仪固定在转台上，当转台转动时，被测陀螺仪跟着转台一起运动，陀螺仪根据其运动情况输出一个角速度信号。将陀螺仪输出的角速度信号进行滤波后与转台的角速度比较，从而达到测试陀螺仪的目的。已有的转台测量的速率范围一股在0.01°/s～1200°/s(俄罗斯某型单轴转台)，0.01°/s～300°/s，这些转台测量范围较大，精确度能达到0.001％甚至更高。但这种高精度的转台设备一股重量大，体积大，功率高，而且为了保证特定温度范围内的精度一股会连带有恒温箱，这使得整个设备不易移动。此外，转台一股都会带有精密的角度传感器等元件，频繁的移动会影响测试精度。通常在微陀螺研制的初期和产品出厂时，对需要对微机械陀螺的基本功能进行测试，传统的微陀螺测试转台在初期和出场测试并不方便，急需要小型化的可移动的微陀螺测试装置，对微陀螺研制初期和产品出厂时进行测试。
发明内容
本发明目的是为了解决传统微陀螺测试系统体积大、移动不便的问题，提供了一种微机械陀螺测试用角速度发生装置。
本发明所述微机械陀螺测试用角速度发生装置，它包括箱体式支撑框架、减速电机、转盘、连杆、陀螺测试台、电机调速单元和直流电源；
箱体式支撑框架的一个侧面作为工作面，该工作面上设置有转盘和陀螺测试台，陀螺测试台设置在转盘的上方，转盘和陀螺测试台均为圆盘形结构，且陀螺测试台设置有载臂，陀螺测试台和载臂构成乒乓球拍结构，转盘的边缘和载臂的悬空端通过连杆转动连接；
减速电机设置在箱体式支撑框架内部，减速电机的输出轴伸出箱体式支撑框架的工作面，减速电机的输出轴与转盘的中心固定连接；减速电机的输出轴带动转盘转动，进而通过连杆带动陀螺测试台摆动；
直流电源为电机调速单元提供工作电源，电机调速单元控制减速电机输出不同转速以测试陀螺测试台上的微机械陀螺的角速度。
本发明的优点：本发明具有实质性的进步，整个测试系统通过调整转盘直径、连杆和测试台臂的长短可以对整个系统的体积进行调节，该系统相对于传统的微陀螺测试转台具有结构简单、易于装配、体积小和成本低的特点。由于该系统采用了PWM脉宽调制技术，角速度的输出具有较大的范围。
附图说明
图1是本发明所述微机械陀螺测试用角速度发生装置的结构示意图；
图2是图1的右视图；
图3是角速度信号分析示意图
图4是电机调速模块控制原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述微机械陀螺测试用角速度发生装置，它包括箱体式支撑框架1、减速电机2、转盘3、连杆4、陀螺测试台5、电机调速单元6和直流电源7；
箱体式支撑框架1的一个侧面作为工作面，该工作面上设置有转盘3和陀螺测试台5，陀螺测试台5设置在转盘3的上方，转盘3和陀螺测试台5均为圆盘形结构，且陀螺测试台5设置有载臂8，陀螺测试台5和载臂8构成乒乓球拍结构，转盘3的边缘和载臂8的悬空端通过连杆4转动连接；
减速电机2设置在箱体式支撑框架1内部，减速电机2的输出轴伸出箱体式支撑框架1的工作面，减速电机2的输出轴与转盘3的中心固定连接；减速电机2的输出轴带动转盘3转动，进而通过连杆4带动陀螺测试台5摆动；
直流电源7为电机调速单元6提供工作电源，电机调速单元6控制减速电机2输出不同转速以测试陀螺测试台5上的微机械陀螺的角速度。
箱体式支撑框架1采用2mm厚的钢板焊接而成。
转盘3的边缘开有一个横向通孔，并通过螺杆或滚动轴承与连杆4的下端转动连接；载臂8的悬空端开有一个横向通孔，并通过螺杆或滚动轴承与连杆4的上端转动连接。
减速电机2输出转速的范围为0-10rpm。
陀螺测试台5通过滚动轴承与箱体式支撑框架1的工作面转动连接。
将待测试的微机械陀螺置于陀螺测试台5上，当电机调速单元6控制减速电机2以某一恒定的速度带动转盘3进行旋转时，连杆4通过载臂8带动陀螺测试台5以恒定的角速度运动的，通过调整电机调速单元6输出的电压值，就会实现调节减速电机2的旋转速度，从而可以实现陀螺测试台5以不同的角速度进行运动，固定在陀螺测试台5上的被测试的微机械陀螺输出其感应到的角速度，就能够实现微机械陀螺的角速度测试是否与给定值相等。
参见图3，转盘3的边缘的上下通孔与中心连线和连杆4之间的夹角是α，连杆4与载臂8的夹角为β，设转盘3匀速转动，线速度为v0，转盘3带动连杆4运动，连杆4上下运动带动陀螺测试台5摆动，连杆4下端的线速度为vx，其中vx＝v0*sinα，α的变化范围是0-180°；连杆4带动陀螺测试台5摆动，陀螺测试台5的线速度vx′＝vx*sinβ，其中β的变化范围是βmin-βmax，βmin＝72°，βmax＝108°，由于sin72°≈0.95，sin108°≈0.95，sinβ的变化范围为0.95-1，变化幅度为0.05，变化幅度很小，所以近似vx′≈vx*1≈v0*sinα*1。即陀螺测试台5中心线速度只与角α有关，α变化范围为0°到180°，所以陀螺测试台5中心线速度近似以正弦规律变化。
具体实施方式二：下面结合图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，电机调速单元6包括滞回比较器6-1、积分器6-2、电压比较器6-3和功率开关管6-4；直流电源7的电源输出端同时与滞回比较器6-1的电源输入端、电压比较器6-3的一个电压信号输入端和功率开关管6-4的电源输入端相连；滞回比较器6-1的方波信号输出端与积分器6-2的输入端相连，积分器6-2的三角波信号输出端与电压比较器6-3的另一个电压信号输入端相连，电压比较器6-3的PWM驱动信号输出端与功率开关管6-4的驱动信号输入端相连，功率开关管6-4的开关量输出端与减速电机2的开关量输入端相连。
电机调速单元6中滞回比较器6-1、积分器6-2构成振荡电路，具体实施方案如下：电源电路7采用普通开关电源输出12V直流电压，功率30W，电机调速电路6是本发明控制电路的核心。电机调速电路6的主要元件采用LM324芯片，一个LM324芯片包含4个运算放大器U1a、U1b、U1c和U1d。其中U1a作为一个积分器6-2，U1c作为一个滞回比较器6-1，将滞回比较器6-1和积分器6-2首尾相连形成正反馈闭环系统，形成震荡电路。U1c构成的电压比较器输出的方波经过U1a构成的积分器积分就能得到三角波。因此U1a和U1c两个运算放大器组成一个正反馈闭环三角波发生器，输出稳定的三角波。U1d产生6V的参考电压作为振荡器电路的虚拟地，这是为了振荡器电路能在单电源情况下也能工作而不需要用正负双电源。U1d作为一个电压比较器，直流电源通过电阻网络形成的可调电压经过U1b形成的电压跟随器作为可调节的参考电压，将三角波信号与直流电源7提供的一个可调节的参考信号进行比较，若三角波瞬时电压大于参考电压，则输出高电平。若三角波瞬时电压小于参考电压，则输出低电平。将电压比较器6-3输出的这个方波作为PWM驱动信号，通过调节电压比较器6-3的参考电压来调节PWM驱动信号的占空比。功率开关管6-4采用IRF5210N沟道场效应管，它来驱动减速电机2，PWM驱动信号作为IRF5210N沟道场效应管的栅极控制信号来控制管子的导通状态，低电平时场效应管截止，高电平时场效应管导通，通过改变PWM驱动信号占空比，调节场效应管导通时间来控制电源流向减速电机2的电流大小，从而改变减速电机2的转速。

Claims (6)

1.微机械陀螺测试用角速度发生装置，其特征在于，它包括箱体式支撑框架(1)、减速电机(2)、转盘(3)、连杆(4)、陀螺测试台(5)、电机调速单元(6)和直流电源(7)；
箱体式支撑框架(1)的一个侧面作为工作面，该工作面上设置有转盘(3)和陀螺测试台(5)，陀螺测试台(5)设置在转盘(3)的上方，转盘(3)和陀螺测试台(5)均为圆盘形结构，且陀螺测试台(5)设置有载臂(8)，陀螺测试台(5)和载臂(8)构成乒乓球拍结构，转盘(3)的边缘和载臂(8)的悬空端通过连杆(4)转动连接；
减速电机(2)设置在箱体式支撑框架(1)内部，减速电机(2)的输出轴伸出箱体式支撑框架(1)的工作面，减速电机(2)的输出轴与转盘(3)的中心固定连接；减速电机(2)的输出轴带动转盘(3)转动，进而通过连杆(4)带动陀螺测试台(5)摆动；
直流电源(7)为电机调速单元(6)提供工作电源，电机调速单元(6)控制减速电机(2)输出不同转速以测试陀螺测试台(5)上的微机械陀螺的角速度。
2.根据权利要求1所述微机械陀螺测试用角速度发生装置，其特征在于，箱体式支撑框架(1)采用2mm厚的钢板焊接而成。
3.根据权利要求1所述微机械陀螺测试用角速度发生装置，其特征在于，转盘(3)的边缘开有一个横向通孔，并通过螺杆或滚动轴承与连杆(4)的下端转动连接；载臂(8)的悬空端开有一个横向通孔，并通过螺杆或滚动轴承与连杆(4)的上端转动连接。
4.根据权利要求1所述微机械陀螺测试用角速度发生装置，其特征在于，减速电机(2)输出转速的范围为0-10rpm。
5.根据权利要求1所述微机械陀螺测试用角速度发生装置，其特征在于，陀螺测试台(5)通过滚动轴承与箱体式支撑框架(1)的工作面转动连接。
6.根据权利要求1所述微机械陀螺测试用角速度发生装置，其特征在于，电机调速单元(6)包括滞回比较器(6-1)、积分器(6-2)、电压比较器(6-3)和功率开关管(6-4)；直流电源(7)的电源输出端同时与滞回比较器(6-1)的电源输入端、电压比较器(6-3)的一个电压信号输入端和功率开关管(6-4)的电源输入端相连；滞回比较器(6-1)的方波信号输出端与积分器(6-2)的输入端相连，积分器(6-2)的三角波信号输出端与电压比较器(6-3)的另一个电压信号输入端相连，电压比较器(6-3)的PWM驱动信号输出端与功率开关管(6-4)的驱动信号输入端相连，功率开关管(6-4)的开关量输出端与减速电机(2)的开关量输入端相连。
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