CN105659818B - 一种挠性捷联惯性测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挠性捷联惯性测量系统，由动力调谐陀螺仪及伺服回路、石英加速度计及伺服回路、二次电源、I/F转换电路、计数器、计算机、模拟量输出电路组成，载体角速度信息通过陀螺仪伺服回路给出对应的电流，经I/F转换电路、计数器提供给计算机，视加速度信息通过加速度计伺服回路给出对应的电流，经I/F转换电路、计数器提供给计算机，本发明通过对动调陀螺仪力矩器和飞轮组件的改进实现了测量范围大于600°/s，为二次电源增加高压启动电路实现了系统启动时间小于10秒，可满足导弹武器大动态、快速发射的使用要求。<pb pnum="1" />

Description

一种挠性捷联惯性测量系统

技术领域

本发明涉及一种挠性捷联惯性测量系统，尤其涉及一种大动态快速启动挠性捷联惯性测量系统，可适用于要求快速发射的防空导弹、空空导弹、水中兵器等，属于惯性测量技术领域。

背景技术

中远程导弹的飞行弹道近似于抛物线且过程较平稳，因此，对惯性测量装置的测量范围要求相对较低，一般不超过±150°/s。由于飞行时间相对较长，要求惯性测量系统的精度较高，为此，惯性测量系统一般通过增加温控系统来保证高精度。另一方面，中远程导弹处于值班状态，准备时间较长，因此，增加温控系统不影响发射时间。但对于某些要求快速发射的导弹武器，比如，启动时间要求10s时，采用通常带温控的平台系统或捷联系统都不能满足要求，这是因为系统增加温控电路后从通电启动到稳定后的时间至少大于40分钟，在低温启动时的稳定时间更长，因此不能满足快速发射的要求。所以，对这些要求快速发射的武器系统原则上没有温控系统。

对于具有大机动的导弹武器，要求陀螺仪的测量范围越来越大。动调陀螺仪属于两自由度陀螺仪，由其组成的捷联系统使用两个带有再平衡回路的动力调谐陀螺仪用以测量绕弹体坐标系3个轴的转动角速度分量。国内在捷联系统中应用的动调陀螺仪测量范围一般在±300°/s以内，已经不能满足大机动的使用要求。因此，需要研制具有更高测量范围的动调陀螺仪。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种挠性捷联惯性测量系统，具有大动态、快速启动、高精度的优点。

本发明的技术解决方案：一种挠性捷联惯性测量系统，由陀螺仪及伺服回路、石英加速度计及伺服回路、二次电源、I/F转换电路、计数器、计算机、模拟量输出电路组成，载体角速度信息通过陀螺仪伺服回路给出对应的电流和视加速度信息通过加速度计伺服回路给出对应的电流，一路经模拟量输出电路转换成弹上所需的电压模拟量提供给弹上主控计算机，另一路经I/F转换电路、计数器提供给计算机，所述二次电源由晶振、选频器、功率放大器、转换开关、自振荡电路、反馈放大器和DC模块组成，外部输入的一次直流电源一路经DC模块进行电压变换后为I/F转换电路、计数器供电，外部输入的一次直流电源另一路为晶振供电，选频器对晶振的分频信号进行选频处理，选频后的电压信号经功率放大器放大后形成交流电，自振荡电路产生激励控制信号控制转换开关的通断，当转换开关处于断开状态时，反馈放大器不工作，经过功率放大器放大后形成的交流电直接输出，当转换开关处于接通状态时，反馈放大器工作，反馈放大器将经过功率放大器放大后形成的交流电与基准电压进行比较从而控制晶振分频信号的幅度，使功率放大器放大后形成的交流电稳定输出。

陀螺仪包括底座电机组件、挠性接头、飞轮组件、力矩器定圈组件、传感器、仪表密封壳体及前置放大器，其中飞轮组件与力矩器定圈组件共同组成力矩器，飞轮组件由磁钢环组件与飞轮组成，磁钢环组件与飞轮相固接形成气隙磁场构成陀螺转子的一部分，力矩器定圈组件由骨架、四个线圈和接线片组成，四个线圈粘贴在骨架上，所述飞轮采用软磁材料制成，磁钢环组件采用钐钴高磁能积永磁合金制成，磁钢环组件采用三排结构，中间一排为轴向充磁磁环，外面两排为径向充磁磁钢环，所述力矩器骨架采用氮化铝陶瓷。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明通过对二次电源进行改进，使二次电源通过自振荡电路产生所要求的频率信号，此信号控制转换开关，当开关处于断开状态时，反馈回路不起作用，交流电源实现高压启动，当开关处于接通状态时，反馈回路起作用，马达电源完成高压启动方式，系统快速稳定，达到稳定时间10秒以内的要求。

(2)本发明陀螺仪中的飞轮采用软磁材料制成，磁钢环组件采用钐钴高磁能积永磁合金制成，磁钢环组件为提高气隙磁密，由多块磁钢拼装磁环，采用三排结构，这些措施使主气隙磁感应密度Bδ达到4900Gs以上；力矩器骨架使用氮化铝陶瓷，这种材料的导热系数为80～100W/m.K，对陀螺大速率工作时局部温度集中有一定效果，可提高陀螺仪标度系数线性度精度。

附图说明

图1为本发明的系统组成示意图；

图2为二次电源的组成结构示意图；

图3为陀螺仪的组成结构示意图；

图4为陀螺仪飞轮组件磁钢组成结构示意图；

图5为陀螺仪力矩器定圈组件的外形图；

图6为本发明总体结构外观示意图。

具体实施方式

如图1所示，挠性捷联惯性测量系统，由动力调谐陀螺仪及伺服回路、石英加速度计及伺服回路、二次电源、I/F转换电路、计数器、计算机、模拟量输出电路等组成，由陀螺仪及伺服回路、石英加速度计及伺服回路、二次电源、I/F转换电路、计数器、计算机、模拟量输出电路组成，载体角速度信息通过陀螺仪伺服回路给出对应的电流和视加速度信息通过加速度计伺服回路给出对应的电流，一路经模拟量输出电路转换成弹上所需的电压模拟量提供给弹上主控计算机，另一路经I/F转换电路、计数器提供给计算机，然后通过485总线提供给弹上计算机完成姿态和导航计算。本发明为了实现快速启动，本发明对二次电源重新进行了设计，为了实现大动态，对动力调谐陀螺仪进行了改进，具体的改进如下：

(1)二次电源的设计

系统工作时，弹上提供的27V电源经电连接器输入到惯性测量系统的二次电源线路板以产生所需的直流电压、交流电压及频标。为了满足系统的快速发射要求，系统的启动时间小于10秒，对给陀螺仪马达供电的交流电源电路进行了改进。如图2所示，二次电源由晶振、选频器、功率放大器、转换开关、自振荡电路、反馈放大器和DC模块组成，外部输入的一次直流电源一路经DC模块进行电压变换后为I/F转换电路、计数器供电，外部输入的一次直流电源另一路为晶振供电，选频器对晶振的分频信号进行选频处理，选频后的电压信号经功率放大器放大后形成交流电，自振荡电路产生激励控制信号控制转换开关的通断，当转换开关处于断开状态时，反馈放大器不工作，经过功率放大器放大后形成的交流电直接输出，当转换开关处于接通状态时，反馈放大器工作，反馈放大器将经过功率放大器放大后形成的交流电与基准电压进行比较从而控制晶振分频信号的幅度，使功率放大器放大后形成的交流电稳定输出，达到稳定时间10秒以内的要求。

(2)动力调谐陀螺仪的改进

如图3所示，大速率陀螺仪主要由底座电机组件、挠性接头、飞轮组件、力矩器定圈组件、传感器、仪表密封壳体及前置放大器等组成。

陀螺仪与伺服电路一起构成闭环回路，其输出方程见式(1)：

$I_G=\frac{H}{K_{GT}}\mathrm{\&omega;}\mathrm{...}\left(1\right)$

式中：I_G——陀螺仪的加矩电流(亦即输出电流)，A；

H——陀螺仪的角动量，kg·m2/s；

K_GT——陀螺仪的力矩器系数，N·m/A；

ω——陀螺仪的输入角速度，rad/s。

当H和K_GT保持常量时，陀螺仪的输出电流I_G与输入角速度ω成比例。当I_G、K_GT保持常量时，要提高陀螺仪输入角速率，必须减小陀螺仪的角动量H。

本发明采取如下措施提高陀螺仪测量范围：降低陀螺仪角动量H、同时提高陀螺仪力矩系数K_GT的措施，使陀螺仪的最大测量范围达到±600°/s。降低陀螺仪角动量H的措施为：减小陀螺仪转子径向尺寸以减小转动惯量或增加电机极对数的方式降低电机转速。

提高陀螺仪力矩系数K_GT采取的措施为：增加力矩器线圈匝数W，提高工作气隙径向磁场的磁密B_δ。大速率陀螺仪采用动铁式永磁力矩器，由飞轮组件与力矩器定圈组件共同组成。其中飞轮组件如图4所示，由磁钢环组件与飞轮组成，两者相固接，形成气隙磁场，构成陀螺转子的一部分，参与旋转；力矩器定圈组件如图5所示，由骨架、四个线圈、接线片等组成，四个力矩器线圈粘贴在骨架上，两加矩轴的线圈互相垂直安放，力矩器定圈组件固定在陀螺仪基座上不动。其工作原理为：来自传感器的信号经放大回路产生电流并流入力矩器线圈，通电线圈在飞轮组件气隙磁场中产生电磁力并产生电磁力矩，此力矩作用到陀螺转子上去，使陀螺实现预期进动，并快速跟踪载体的角运动。

所述飞轮采用软磁材料制成，磁钢环组件采用钐钴高磁能积永磁合金制成，磁钢环组件为提高气隙磁密，由多块磁钢拼装磁环，采用三排结构，中间一排为轴向充磁磁环，外面两排为径向充磁磁钢环，磁钢选用低温度系数钐钴高磁能积永磁材料(磁能积水平达到(BH)max＝29～30MGOe)，这些措施使主气隙磁感应密度B_δ达到4900Gs以上。

动调陀螺仪力矩器骨架一般使用可加工陶瓷，此材料导热系数为1.8W/m.K，不利于线圈在长时间通大电流时产生的热量传导，使用氮化铝陶瓷，这种材料的导热系数为80～100W/m.K，对陀螺大速率工作时局部温度集中有一定效果，可提高陀螺仪标度系数线性度精度。使用耐高温自粘漆包线绕制力矩器线圈，耐温等级为250℃以上，保证陀螺仪长时间大速率使用的可靠性。

而由于改进后的陀螺仪挠性支承设计参数、陀螺仪转子质量、底座电机振动传递特性均没有改变，因此陀螺仪耐力学环境能力未降低。

为了实现捷联系统小型化的要求，捷联系统在电气连接上采用了大量的Cdb连接器，不便于系统拆卸和安装。而在惯性平台系统中，采用了母板走线的方式，各电路板通过母板的印制线进行连接，克服了电磁干扰的影响且有利于排故和维修。因此，如果能把平台系统采用母板的优点应用于捷联系统中，既可实现小型化的要求，又可降低电磁干扰的影响。

本发明未公开的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (2)

1.一种挠性捷联惯性测量系统，由陀螺仪及伺服回路、石英加速度计及伺服回路、二次电源、I/F转换电路、计数器、计算机、模拟量输出电路组成，载体角速度信息通过陀螺仪及伺服回路给出对应的电流和视加速度信息通过石英加速度计及伺服回路给出对应的电流，经模拟量输出电路转换成弹上所需的电压模拟量提供给弹上主控计算机，同时经I/F转换电路、计数器提供给计算机，其特征在于：所述二次电源由晶振、选频器、功率放大器、转换开关、自振荡电路、反馈放大器和DC模块组成，外部输入的一次直流电源一路经DC模块进行电压变换后为I/F转换电路、计数器供电，外部输入的一次直流电源另一路为晶振供电，选频器对晶振的分频信号进行选频处理，选频后的电压信号经功率放大器放大后形成交流电，自振荡电路产生激励控制信号控制转换开关的通断，当转换开关处于断开状态时，反馈放大器不工作，经过功率放大器放大后形成的交流电直接输出，当转换开关处于接通状态时，反馈放大器工作，反馈放大器将经过功率放大器放大后形成的交流电与基准电压进行比较从而控制晶振分频信号的幅度，使功率放大器放大后形成的交流电稳定输出。

2.根据权利要求1所述的一种挠性捷联惯性测量系统，陀螺仪包括底座电机组件、挠性接头、飞轮组件、力矩器定圈组件、传感器、仪表密封壳体及前置放大器，其中飞轮组件与力矩器定圈组件共同组成力矩器，飞轮组件由磁钢环组件与飞轮组成，磁钢环组件与飞轮相固接形成气隙磁场构成陀螺转子的一部分，力矩器定圈组件由骨架、四个线圈和接线片组成，四个线圈粘贴在骨架上；所述飞轮采用软磁材料制成，磁钢环组件采用钐钴高磁能积永磁合金制成，磁钢环组件采用三排结构，中间一排为轴向充磁磁环，外面两排为径向充磁磁钢环，所述骨架采用氮化铝陶瓷。