CN110672082B - 一种基于上推式磁悬浮平台的集中质量振动陀螺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于上推式磁悬浮平台的集中质量振动陀螺，包括悬浮质量块、检测传感器、基座及多个绕组线圈和固定永磁铁，所述检测传感器、绕组线圈、固定永磁铁均安装于基座上，所述悬浮质量块在绕组线圈和固定永磁铁的作用下悬浮于检测传感器上方；所述多个绕组线圈和固定永磁铁都以检测传感器为圆心均匀分布于基座上，所述检测传感器与绕组线圈通过控制电路连接，所述检测传感器用于检测悬浮质量块的位置和磁场变化。该发明具有能减小各种结构振动的阻尼，对悬浮质量块结构对称性的要求低，精度高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及陀螺技术领域，尤其涉及一种基于上推式磁悬浮平台的集中质量振动陀螺。
背景技术
陀螺仪是测量运载体相对于惯性空间角运动的传感器，是惯性导航和姿态测量系统的基础核心器件。在精确制导、无人系统、石油勘探、稳定平台、空间飞行器等领域具有非常重要的应用价值。
根据陀螺仪的工作原理，陀螺仪主要分为四大类：机械转子陀螺、振动陀螺、光学陀螺和新型陀螺。其中振动陀螺是一种无转子陀螺，它用振动元件取代了传统陀螺的机械转子，用微幅振动取代了高速旋转，通过振动结构的哥氏效应实现角速度测量，具有性能稳定、结构简单、可靠性高、承载能力大等优势。
振动陀螺的性能主要取决于谐振子的品质因数（Q 值）和谐振子的结构精度。振动陀螺的品质因数及其均匀性、稳定性直接影响谐振子振动的稳定性，从而影响陀螺的精度。为了减少振动陀螺的阻尼，提高陀螺工作 Q 值，目前可采用的方法主要有材料优化、振动结构优化以及真空封装等技术。这些技术能够在一定程度上提升陀螺的 Q 值，但是提升范围有限，付出的成本也比较高。决定振动陀螺精度第二个因素就是陀螺谐振子的结构精度，或者结构对称性和均匀性，它直接影响谐振子的振型方向，从而影响陀螺的精度。为提高陀螺谐振子的结构精度，需要较高的加工工艺水平，但由于谐振子对结构精度非常敏感，所以给提高工艺精度带来了极大的挑战。现在的振动陀螺技术中，利用对称结构的谐振子振动来检测角速度。在这种工作方式下，陀螺的测量精度较大程度依赖于谐振子的结构精度，且陀螺的内部阻尼不均匀，同样会对陀螺的性能产生影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能减小各种结构振动的阻尼、对悬浮质量块结构对称性的要求低、精度高的基于上推式磁悬浮平台的集中质量振动陀螺。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于上推式磁悬浮平台的集中质量振动陀螺，包括悬浮质量块、检测传感器、基座及多个绕组线圈和固定永磁铁，所述检测传感器、绕组线圈、固定永磁铁均安装于基座上，所述悬浮质量块在绕组线圈和固定永磁铁的作用下悬浮于检测传感器上方；所述多个绕组线圈以检测传感器为圆心均匀分布于基座上，所述多个固定永磁铁以检测传感器为圆心均匀分布于基座上，所述检测传感器与绕组线圈通过控制电路连接，所述检测传感器用于检测悬浮质量块的位置变化。
作为对上述技术方案的进一步改进：
所述绕组线圈分别沿检测传感器对称设置。
所述绕组线圈的数量至少为三个。
所述检测传感器包括两互相垂直设置的x向传感器和y向传感器，所述绕组线圈包括x向线圈和y向线圈，x向线圈沿x向传感器对称设置，y向线圈沿y向传感器对称设置。
所述检测传感器为电容检测传感器或光电检测传感器或霍尔传感器。
所述绕组线圈与检测传感器之间的距离为P1，固定永磁铁与检测传感器之间的距离为P2，其中P2＞P1。
所述控制电路位于基座上，所述控制电路包括第一模数转换器，数字信号处理器，第二模数转换器，所述第一模数转换器接收检测传感器检测出悬浮质量块的位置信号并将其转换为数字信号输入数字信号处理器中，由数字信号处理器计算悬浮质量块的实际位移值及偏移量，进而输出绕组线圈的电流信号，再由第二模数转换器将电流信号转换为模拟信号输入至绕组线圈中。
所述集中质量振动陀螺通过控制绕组线圈的电流驱动悬浮质量块在平行于基座的平面上振动，检测传感器检测悬浮质量块沿X轴向和Y轴向的振动信号。
所述悬浮质量块沿X轴向振动稳态解为：
其中为悬浮质量块（1）的驱动力幅值， 
为悬浮质量块（1）沿X轴向的刚度，
为悬浮质量块（1）沿X轴向的阻尼比，
，
为悬浮质量块（1）的驱动力频率，
为悬浮质量块（1）沿X轴向固有频率，
。
所述悬浮质量块沿Y轴向振动稳态解为：
其中，为悬浮质量块（1）沿X轴向的品质因数，
为悬浮质量块（1）沿X轴向的阻尼比，
为悬浮质量块（1）沿Y轴向的阻尼比，为悬浮质量块（1）沿Y轴向的刚度，
， 
为悬浮质量块（1）的驱动力频率， 
为悬浮质量块（1）沿Y轴向的固有频率，
。
本发明的原理在于：
本发明的一种基于上推式磁悬浮平台的集中质量振动陀螺，基于电磁悬浮原理，固定在安装基座的固定永磁体起到稳定悬浮质量块的作用，而固定在基座上的绕组线圈在为悬浮质量块提供支撑悬浮排斥力的同时，通过控制电路的调控，调节每个绕组线圈给悬浮质量块作用力的大小，能够驱动悬浮质量块在某一方向上进行振动，也可以在另一方向上产生与哥氏力相平衡的电磁分力。为了实现稳定的磁悬浮控制，利用检测传感器对悬浮质量块的位置进行测量作为反馈信号，从而实现悬浮的闭环控制。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1）本发明的一种基于上推式磁悬浮平台的集中质量振动陀螺，以基座和基座上的绕组线圈和固定永磁铁为磁悬浮平台，以磁悬浮的方式支撑集中振动质量块，通过调节每个绕组线圈给悬浮质量块作用力的大小，能够驱动悬浮质量块在某一方向上进行振动，也可以在另一方向上产生与哥氏力相平衡的电磁分力，其振动是整体的刚性振动，消除了谐振子结构不均匀带来的各种误差，因此陀螺可以保持高稳定的振动模态，相比传统对称的悬浮质量块，降低了其结构精度要求。
2）本发明的一种基于上推式磁悬浮平台的集中质量振动陀螺，以磁悬浮的方式支撑集中悬浮质量块，无固定支撑锚点，悬浮质量块作为谐振子，谐振子整体做刚性振动，而非结构内部的变形振动。谐振子位于平行于基座平面上方的平面内，沿X轴向或Y轴向振动，通过检测传感器检测其X轴向或Y轴向振动，以实现对Z轴向转动角速度的测量。所以悬浮质量块的往复振动不受自身材料的阻尼约束，降低了其结构阻尼的影响，降低了对谐振子尺寸精度的要求，提高了品质因数以及其均匀性、稳定性。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是悬浮质量块稳定闭环控制示意图。
图3是本发明磁悬浮振动陀螺工作原理图。
图4是驱动和敏感模态的振动信号示意图。
图5是控制电路原理图。
图6是霍尔传感器的工作原理图。
图中各标号表示：
1、悬浮质量块；2、检测传感器；21、x向传感器；22、y向传感器；3、绕组线圈；31、x向线圈；32、y向线圈；4、固定永磁铁；5、基座。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明的一种基于上推式磁悬浮平台的集中质量振动陀螺，包括悬浮质量块1、检测传感器2、基座5及多个绕组线圈3和固定永磁铁4，检测传感器2、绕组线圈3、固定永磁铁4均安装于基座5上，悬浮质量块1在绕组线圈3和固定永磁铁4的作用下悬浮于检测传感器2上方；多个绕组线圈3以检测传感器2为圆心均匀分布于基座5上，多个固定永磁铁4以检测传感器2为圆心均匀分布于基座5上，检测传感器2与绕组线圈3通过控制电路连接，检测传感器2用于检测悬浮质量块1的位置和磁场变化。
其中固定永磁体4和绕组线圈3用于实现悬浮质量块1的稳定悬浮，绕组线圈3同时还负责驱动悬浮质量块1的稳定振动，利用绕组线圈3对悬浮质量块1进行驱动，保证悬浮质量块1能够在一定范围内做稳定振动，为实现角速度的测量做准备。
绕组线圈3分别沿检测传感器2对称设置。
绕组线圈3的数量至少为三个。本实施例中，绕组线圈3为四个，检测传感器2包括两互相垂直设置的x向传感器21和y向传感器22，绕组线圈3包括x向线圈31和y向线圈32，x向线圈31沿x向传感器21对称设置，y向线圈32沿y向传感器22对称设置。两个x向线圈31和两个y向线圈32。
检测传感器2为电容检测传感器或光电检测传感器或霍尔传感器。本实施例中采用的是霍尔传感器。
绕组线圈3与检测传感器2之间的距离为P1，固定永磁铁4和检测传感器2之间的距离为P2，其中P2＞P1。固定永磁铁4位于绕组线圈3外侧。
控制电路位于基座5上，控制电路包括第一模数转换器，数字信号处理器，第二模数转换器，第一模数转换器接收检测传感器2检测出悬浮质量块1的位置信号并将其转换为数字信号输入数字信号处理器中，由数字信号处理器计算悬浮质量块1的实际位移值及偏移量，进而输出绕组线圈3的电流信号，再由第二模数转换器将该信号转换为模拟信号输入至绕组线圈3中。
悬浮质量块1的驱动信号与稳定悬浮信号都与绕组线圈3通入的电流有关，且为了实现稳定的控制，驱动和悬浮均有相应的检测装置（即检测传感器2）以实现闭环控制。
本实施例的控制电路，能够实现谐振子的稳定悬浮，通过电磁检测传感器2测试悬浮质量块1（谐振子）的位置作为反馈，从而达到一定精度的稳定悬浮。采用其他常规现有的控制电路也能实现本发明。
本实施例中，绕组线圈3、固定永磁铁4均匀地成圆形布置在基座5上，检测传感器2则分别沿着坐标轴x轴、y轴的方向安装。悬浮振动块1则位于绕组线圈3及固定永磁铁4所形成圆形的中心的上方，且悬浮质量块1为磁性材料。
磁悬浮振动陀螺采用的驱动方式是电磁悬浮与驱动，霍尔传感器用于闭环驱动和检测悬浮质量块1的振动。悬浮质量块1在基座5固定永磁体4和绕组线圈3的作用下稳定悬浮，在控制电路中驱动振动程序控制下沿着x轴进行振动，并且其沿着x轴和y轴的位移信号通过其正下方的霍尔传感器检测输出，驱动振动程序控制绕组线圈3中的电流，从而实现稳定悬浮与振动。
为实现磁悬浮振动陀螺的工作，首先需要将振动悬浮质量块1悬浮起来，图2为悬浮质量块1稳定闭环控制示意图，其悬浮基本原理是磁悬浮原理，外部检测传感器2可以按照布置方式有选择性地测量定向的磁场变化，反映悬浮质量块1在某一固定方向的位移量，其检测的位移量是悬浮质量块1的实际位移量，与目标位移比较后可以判断出悬浮质量块1相对偏移量，然后数字信号处理器（本实施例为单片机）会发出信号改变通过绕组线圈3的电流，从而改变一个轴向上两个绕组线圈3给悬浮质量块1的合力，使悬浮质量块1向着偏移量减少的方向移动，所以悬浮质量块1的稳定是相对的，是基于绕组线圈3变化磁场的控制使其位移控制在一定范围内。
将悬浮质量块1（即谐振子）稳定悬浮后，即可对谐振子的振动进行驱动，以便于实现角速度测量。如图3所示，本发明中，谐振子的振动由绕组线圈3直接驱动，通过控制通入绕组线圈3的电流即可实现谐振子的振动控制。同时，由于绕组线圈3还负责谐振子的悬浮，所以通入的电流信号应是实现悬浮和驱动控制的叠加。在本实施例中，将绕组线圈3中通入电流，使得谐振子在电磁力
的作用下沿着X方向做一定振幅的振动，该振动模态被称为驱动模态，其中
为驱动力幅值，
为驱动力频率。通过求解X轴向上的动力学方程，可以得到X方向振动的稳态解如下所示：
其中，
为X方向的刚度，
为X方向的阻尼比，
为驱动力频率与谐振子X方向固有频率之比，
。同时X方向的振动信号由x向传感器21进行检测，并作为反馈信号从而实现更精确的振动驱动。
当谐振子处于稳定振动状态时，即可对输入的角速度进行检测。当磁悬浮平台绕着Z轴旋转时或有角速度
输入时，由于哥氏效应谐振子会产生Y方向上的等效哥氏力
，从而导致谐振子发生Y向的振动，该振动模态被称为敏感模态，其中m为悬浮质量块的质量。同样通过求解Y方向的动力学方程，可得Y向的振动为：
其中，为X轴品质因数，
为y方向的刚度，
为驱动力频率
与谐振子Y方向固有频率
之比，
。
利用检测传感器测出Y向的振动信号，经过解调即可得到对应的角速度大小。由上述分析可知，由于谐振子质量、结构刚度、阻尼等参数都是已知的常数，所以Y方向上的振动幅值
与输入的角速度大小
是成比例的
，所以通过y向传感器22检测Y向的振动幅值即可实现角速度的测量。同样通过Y方向的y向传感器22对敏感模态的振动信号进行检测，将振动信号输出至数字处理电路中，由其中的“误差抑制与补偿”模块进行解算以获得角速度的大小，所获得的检测振动信号一方面作为角速度测量信号进行输出以实现角速度的测量，另一方面也作为驱动模态振动控制信号的反馈，从而实现精确的振动控制，提高陀螺的工作性能。所获得的驱动及敏感模态振动信号如图4所示，可以发现不仅两者的振动幅值不相等，两信号之间还存在相位角，这些变量可以作为信号解调的参考信息。
获得振动信号后，还需要将这一信号进行解调，所以还需配备控制电路。本实施例的控制电路图为常规的陀螺控制电路图。如图5所示为控制电路原理图，它主要包括数字信号处理器、检测闭环回路、驱动闭环回路这三个模块。
数字信号处理器需要依据检测再平衡控制回路算法、悬浮控制算法、驱动自动增益控制回路算法所输出的数据进行分析，进而实现陀螺误差抑制与补偿，提高陀螺的性能。
检测闭环回路主要包括第一模数转换器AD转换和检测再平衡控制回路算法模块。陀螺的敏感振动信号由霍尔传感器进行测量，所获得的信号为模拟信号，将其转换为数字信号后输入检测再平衡控制回路算法中。通过解调检测模态振动信号，即可得到输入角速度的大小，并且这一信号会与驱动自动增益控制回路算法和悬浮控制算法的输出结果进行综合，实现谐振子的稳定悬浮和驱动。
驱动闭环回路主要包括驱动自动增益控制回路算法和第二模数转换器DA转换，它主要实现谐振子驱动模态的稳定激励，驱动信号由数字处理器综合分析后给出，然后将数字信号转换为模拟信号，即可实现对谐振子的驱动。
具体步骤如下：首先依据悬浮控制算法和驱动自动增益控制回路算法得出需要施加在绕组线圈3上的电流，并利用第二模数转换器将该计算结果由数字信号转换为模拟信号，从而实现振动悬浮质量块1的稳定悬浮和振动控制。当沿着Z轴有角速度输入时，振动悬浮质量块1会在Y向产生振动，该振动信号会被相应的霍尔传感器检测到。利用第一模数转换器进行AD转换，将检测到的模拟信号转换为数字信号，该数字信号作为反馈信息同时输入至驱动自动增益控制回路算法、悬浮控制算法和检测再平衡控制回路算法。经过这三种算法的分析，结合陀螺误差抑制与补偿算法，即可输出较高精度的角速度测试数据，从而实现角速度的测量。同时，这些算法所产生的数据会作为继续维持悬浮以及驱动振动的反馈信息，从而实现更加稳定的悬浮及驱动控制。
本实施例中的悬浮控制算法，驱动自动增益控制回路算法和检测再平衡控制回路算法均为常规算法。
由于悬浮质量块1与基座5分离，所以只能够采用非接触测量的方式对陀螺所需的位移信号进行测量。非接触检测方式多种多样，本发明所采用的检测方式为霍尔传感器检测。
霍尔传感器一般由半导体材料制作而成，其工作原理如图6所示，一个通有电流的半导体薄片如果被放在均匀的磁场中，按图中所示电流沿着X方向，电场强度为
，并且所加的磁场方向与电场方向垂直，在 Z 轴方向，磁感应强度大小为B，则在 Y 轴方向会产生垂直于电场和磁场平面的横向电场，通过检测Y轴方向产生的电动势就可以判断其磁场强度。
基于霍尔效应的霍尔传感器由于具有体积小、重量轻、抗震动、耐冲击和寿命长等优点，广泛应用于检测带磁性物体位移。本发明将两个分别负责驱动轴和检测轴信号测量的霍尔传感器分布在一起，但正由于其方向的敏感性，两个霍尔传感器能够分别检测悬浮永磁体在X轴和Y轴方向上的位移量，互相不会产生干扰。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
Claims (8)
1.一种基于上推式磁悬浮平台的集中质量振动陀螺，其特征在于：包括悬浮质量块（1）、检测传感器（2）、基座（5）及多个绕组线圈（3）和固定永磁铁（4），所述检测传感器（2）、绕组线圈（3）、固定永磁铁（4）均安装于基座（5）上，所述悬浮质量块（1）在绕组线圈（3）和固定永磁铁（4）的作用下悬浮于检测传感器（2）上方；所述多个绕组线圈（3）以检测传感器（2）为圆心均匀分布于基座（5）上，所述多个固定永磁铁（4）以检测传感器（2）为圆心均匀分布于基座（5）上，所述检测传感器（2）与绕组线圈（3）通过控制电路连接，所述检测传感器（2）用于检测悬浮质量块（1）的位置变化；
所述控制电路位于基座（5）上，所述控制电路包括第一模数转换器，数字信号处理器，第二模数转换器，所述第一模数转换器接收检测传感器（2）检测出悬浮质量块（1）的位置信号并将其转换为数字信号输入数字信号处理器中，由数字信号处理器计算悬浮质量块（1）的实际位移值及偏移量，进而输出绕组线圈（3）的电流信号，再由第二模数转换器将电流信号转换为模拟信号输入至绕组线圈（3）中；
所述集中质量振动陀螺通过控制绕组线圈（3）的电流驱动悬浮质量块（1）在平行于基座（5）的平面上振动，检测传感器（2）检测悬浮质量块（1）沿X轴向和Y轴向的振动信号。
2.根据权利要求1所述的基于上推式磁悬浮平台的集中质量振动陀螺，其特征在于：所述绕组线圈（3）分别沿检测传感器（2）对称设置。
3.根据权利要求2所述的基于上推式磁悬浮平台的集中质量振动陀螺，其特征在于：所述绕组线圈（3）的数量至少为三个。
4.根据权利要求3所述的基于上推式磁悬浮平台的集中质量振动陀螺，其特征在于：所述检测传感器（2）包括两互相垂直设置的x向传感器（21）和y向传感器（22），所述绕组线圈（3）包括x向线圈（31）和y向线圈（32），x向线圈（31）沿x向传感器（21）对称设置，y向线圈（32）沿y向传感器（22）对称设置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于上推式磁悬浮平台的集中质量振动陀螺，其特征在于：所述检测传感器（2）为电容检测传感器或光电检测传感器或霍尔传感器。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的基于上推式磁悬浮平台的集中质量振动陀螺，其特征在于：所述绕组线圈（3）与检测传感器（2）之间的距离为P1，固定永磁铁（4）与检测传感器（2）之间的距离为P2，其中P2＞P1。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的基于上推式磁悬浮平台的集中质量振动陀螺，其特征在于：所述悬浮质量块（1）沿X轴向振动稳态解为：
其中
为悬浮质量块（1）的驱动力幅值， 
为悬浮质量块（1）沿X轴向的刚度，
为悬浮质量块（1）沿X轴向的阻尼比，
，
为悬浮质量块（1）的驱动力频率，
为悬浮质量块（1）沿X轴向固有频率，
。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的基于上推式磁悬浮平台的集中质量振动陀螺，其特征在于：所述悬浮质量块（1）沿Y轴向振动稳态解为：
其中，
为悬浮质量块（1）沿X轴向的品质因数，
为悬浮质量块（1）沿X轴向的阻尼比，
为悬浮质量块（1）沿Y轴向的阻尼比，为悬浮质量块（1）沿Y轴向的刚度，
， 
为悬浮质量块（1）的驱动力频率， 为悬浮质量块（1）沿Y轴向的固有频率，
。
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