CN105973270B - 一种陀螺定向仪角动量检测及补偿方法 - Google Patents

一种陀螺定向仪角动量检测及补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于测量和定位定向技术领域，特别涉及一种陀螺定向仪角动量检测及补偿方法。本发明包括陀螺电机内部的定子上以120°间隔有3个霍尔元件1，在转轴的一周均匀分布着K个磁钢2，用来检测陀螺电机转速；当霍尔片上的电流恒定不变时，电机转速的变化导致垂直于电流方向的磁场强度发生变化，不同的磁场强度会使得霍尔元件的输出电压不同；当每个磁钢经过霍尔传感器时，霍尔元件便输出一个脉冲。本发明由霍尔元件能够精确的测量陀螺仪转子的实时转速，通过实时的转子速度与预期转子的速度差及速度差的变化率为输入，保证陀螺转子的速度能够得到相应的补偿，有效抑制陀螺转子的转速波动，达到提高陀螺寻北装置的寻北精度。

Description

一种陀螺定向仪角动量检测及补偿方法
技术领域
本发明属于测量和定位定向技术领域，特别涉及一种陀螺定向仪角动量检测及补偿方法。
背景技术
陀螺电机是为定向仪提供动量矩并使之具有陀螺效应的重要元件和敏感元件，转速的大小变化直接影响陀螺电机的角动量，影响寻北定向精度，是影响磁悬浮定向仪精度的重要因素。很多因素会导致无刷直流电机转速波动，引入寻北测量误差，包括电机自身结构引起的齿槽转矩影响、控制电流的非理想方波变化、电源的稳定性，都会导致电磁转矩的随机波动，从而引起转速的随机波动。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在对陀螺定向仪进行测量补偿验证的基础上，通过对测量数据的分析提高稳速精度的陀螺定向仪角动量检测及补偿方法。
本发明的目的是这样实现的：
(1)陀螺电机内部的定子上以120°间隔有3个霍尔元件1，在转轴的一周均匀分布着K个磁钢2，用来检测陀螺电机转速；当霍尔片上的电流恒定不变时，电机转速的变化导致垂直于电流方向的磁场强度发生变化，不同的磁场强度会使得霍尔元件的输出电压不同；当每个磁钢经过霍尔传感器时，霍尔元件便输出一个脉冲，采用M/T法对霍尔元件输出的脉冲信号进行测量，得到陀螺电机转速；由霍尔元件输出电压的大小确定当前的陀螺电机转速；得到精确的陀螺电机转速的误差Δn，然后进行速度补偿控制，
即陀螺电机的角动量补偿；
(2)利用实时转速，得到实施转速误差Δn，实时补偿陀螺角动量，采用模糊控制和PID控制相结合的控制方法来对角动量进行补偿，模糊控制器为三维模糊控制器，输入分别为转速误差，转速变化率，转速误差变化的变化率，输出为PID控制器的参数变化率detkp,detki,detkd；
(3)将补偿后的角动量进行寻北；陀螺定向仪有陀螺电机、测角装置、力矩器和磁悬浮支撑组成
H：陀螺角动量,H＝Jω＝2πf＝2πpn/60，n：转速；ωie：地球漂移角速率15.041(°h)；φ:地理纬度；α北：陀螺电机轴与北向夹角；I：力反馈电流；KT：陀螺力矩系数；
(4)当陀螺电机的转速得到补偿后送入测角装置，补偿由于转速误差所带来的定向误差；
本发明的有益效果在于：
本发明由霍尔元件能够精确的测量陀螺仪转子的实时转速，通过实时的转子速度与预期转子的速度差及速度差的变化率为输入，通过模糊PID控制方法，使得力矩器做出相应的动作，保证陀螺转子的速度能够得到相应的补偿，即补偿陀螺转子的角动量，使得陀螺转子能维持稳定的高速转动，有效抑制陀螺转子的转速波动，达到提高陀螺寻北装置的寻北精度。
附图说明
图1为本发明专利陀螺电机结构图。
图2为霍尔元件实测转速结构图。
图3为本发明专利定向仪陀螺运动模型图。
图4为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明公开了一种陀螺定向仪陀螺角动量检测及补偿方法，能够完成陀螺电机转速测量并实现对电机转速引起陀螺角动量的补偿，从而实现陀螺角动量稳，提高了陀螺定向仪精度。利用陀螺电机内部的霍尔元件测量陀螺电机转速，利用测得的实时转速对陀螺角动量进行实时补偿，角动量参与定向寻北计算，补偿由于转速误差所带来的定向误差。本发明能够完成陀螺电机转速测量，能满足陀螺定向仪快速高精度定向的需求。本发明通过确定一种陀螺定向仪陀螺电机转速检测及补偿方法，能够完成陀螺电机转速测量并实现对电机转速引起陀螺角动量的补偿，从而实现陀螺角动量稳定。利用陀螺电机内部的霍尔元件测量陀螺电机转速。利用M/T算法进行电压信号到实时转速的转换。采用模糊控制和PID控制相结合的控制方法来对角动量进行补偿，模糊控制器设计为三维模糊控制器。将补偿后的角动量进行寻北，由寻北公式可知，当角动量波动较小时，寻北角度精度才更高，补偿由于转速误差所带来的定向误差。
陀螺定向仪寻北原理公式可知寻北定向精度与转速n相关。转速恒定则陀螺角动量稳定。
通过对磁悬浮定向仪进行原理性叙述，确定磁悬浮定向仪中陀螺电机转速是引起定向误差的一个误差源，同时它又是磁悬浮定向仪满足环境适应性的主要创新点，通过对磁悬浮分系统的理论分析，确定其检测、控制及误差补偿策略，控制精度对磁悬浮定向仪系统的精度影响，进行具有针对性的检测控制及补偿研究。
下面结合附图对本发明进一步说明。Step1：陀螺电机内部的定子上以120°间隔有3个霍尔元件1，在转轴的一周均匀分布着K个磁钢2，用来检测陀螺电机转速。当霍尔片上的电流恒定不变时，电机转速的变化导致垂直于电流方向的磁场强度发生变化，不同的磁场强度会使得霍尔元件的输出电压不同。当每个磁钢经过霍尔传感器时，霍尔元件便输出一个脉冲，这里采用M/T法对霍尔元件输出的脉冲信号进行测量，得到陀螺电机转速。由霍尔元件输出电压的大小便可以知道当前的陀螺电机转速。从而得到精确的陀螺电机转速的误差Δn，然后进行速度补偿控制，即陀螺电机的角动量补偿。
Step2：利用实时转速，得到实施转速误差Δn，实时补偿陀螺角动量，这里采用模糊控制和PID控制相结合的控制方法来对角动量进行补偿，模糊控制器设计为三维模糊控制器，输入分别为转速误差，转速变化率，转速误差变化的变化率，输出为PID控制器的参数变化率detkp,detki,detkd,这种设计能够使得转速补偿更为精确和快速。
Step3：将补偿后的角动量进行寻北。陀螺定向仪有陀螺电机3、测角装置4、力矩器5和磁悬浮支撑6组成。由寻北公式可知，当角动量波动较小时，寻北角度精度才更高。
注：H：陀螺角动量,H＝Jω＝2πf＝2πpn/60，n：转速；ωie：地球漂移角速率15.041(°h)；φ:地理纬度；α北：陀螺电机轴与北向夹角；I：力反馈电流；KT：陀螺力矩系数。
Step4：当陀螺电机的转速得到补偿后送入测角装置，补偿由于转速误差所带来的定向误差。
当转速得到补偿的时候，detn变小，detH变小，alpa的变化更小，及寻北稳定精度得到提高。

Claims (1)

1.一种陀螺定向仪角动量检测及补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：陀螺电机内部的定子上以120°间隔有3个霍尔元件(1)，在转轴的一周均匀分布着K个磁钢(2)，用来检测陀螺电机转速；当霍尔元件上的电流恒定不变时，电机转速的变化导致垂直于电流方向的磁场强度发生变化，不同的磁场强度会使得霍尔元件的输出电压不同；当每个磁钢经过霍尔元件时，霍尔元件便输出一个脉冲，采用M/T法对霍尔元件输出的脉冲信号进行测量，得到陀螺电机转速；由霍尔元件输出电压的大小确定当前的陀螺电机转速；得到精确的陀螺电机转速的误差Δn，然后进行速度补偿控制，
即陀螺电机的角动量补偿；
步骤2：利用实时转速，得到实时转速误差Δn，实时补偿陀螺角动量，采用模糊控制和PID控制相结合的控制方法来对角动量进行补偿，模糊控制器为三维模糊控制器，输入分别为转速误差，转速变化率，转速误差变化的变化率，输出为PID控制器的参数变化率detkp,detki,detkd；
步骤3：将补偿后的角动量进行寻北；陀螺定向仪由陀螺电机、测角装置、力矩器和磁悬浮支撑组成
α＝arc(sin(KTI定子I转子)Hωiecosφ)
H：陀螺角动量,H＝Jω＝J2πf＝J 2πpn/60，n：转速；ωie：地球漂移角速率15.041°/h；φ:地理纬度；α：陀螺电机轴与北向夹角；I定子：力矩器定子电流；I转子：力矩器转子电流；KT：陀螺力矩系数；
步骤4：当陀螺电机的转速得到补偿后送入测角装置，补偿由于转速误差所带来的定向误差；α:计算的陀螺电机轴与北向夹角；
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