CN114279427B - 一种高稳定性挠性陀螺仪设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高稳定性挠性陀螺仪设计方法，从挠性陀螺仪的力矩器、信号器、前置放大电路、电机轴系的选材、设计和工艺优化、热力学计算、电路功能完善等方面出发，通过评估、论证、试验和改进完善，提出了相应的高稳定性挠性陀螺仪的设计方法，使其标度因数温度稳定性和小速率线性度得到显著提升：标度因数温度稳定性由不小于12000ppm提高到不大于3500ppm，同时小速率线性度由不小于4.5％提高到不大于0.5％，能够满足惯性导航及姿态控制系统标定过程中重复性和灵敏度需要。

Description

一种高稳定性挠性陀螺仪设计方法

技术领域

本发明涉及机电式惯性传感器领域，特别是一种高稳定性挠性陀螺仪的设计方法，实现高的标度因数温度稳定性及小速率线性度。

背景技术

惯性导航及姿态控制系统标定过程中，陀螺仪标度因数随温度变化会导致系统综合精度随温度变化而变化，进而引起系统的标定重复性差；且小速率线性度差也会带来系统灵敏度低，控制精度难以提升。因此高稳定性陀螺仪是惯性导航及姿态控制系统提升标定精度的关键，其中的标度因数温度稳定性及小速率线性度的提高则是提升陀螺仪稳定性的重点。

发明内容

挠性陀螺仪标度因数温度稳定性及小速率线性度误差影响因素较多，本发明从陀螺的总体架构以及力矩器、信号器、陀螺电机及轴系、支承与调谐结构、前置放大电路、制造工艺等各个方面进行综合评估与改进优化，最终查找及验证影响陀螺仪标度因数温度稳定性及小速率线性度的主要误差源。本发明从挠性陀螺仪的力矩器、信号器、前置放大电路、电机轴系的选材、设计和工艺优化、热力学计算、电路功能完善等方面出发，通过评估、论证、试验和改进完善，提出了相应的高稳定性挠性陀螺仪的设计方法，使其标度因数温度稳定性和小速率线性度得到显著提升：标度因数温度稳定性由不小于12000ppm提高到不大于3500ppm，同时小速率线性度由不小于4.5％提高到不大于0.5％，能够满足惯性导航及姿态控制系统标定过程中重复性和灵敏度需要。

本发明的技术方案为：

一种高稳定性挠性陀螺仪设计方法，其特征在于：对所述挠性陀螺仪中的力矩器、信号器、电机轴系以及前置放大电路进行设计：

其中通过设计使信号器、力矩器及电机轴系在全温范围内具有不受温度影响的磁场、电场和结构的温度稳定性，具体设计如下：

所述力矩器由力矩器绕组部件和力矩器磁钢部件组成；对于力矩器绕组部件，通过选用线胀系数小、电阻温度系数低的零组件原材料、漆包线、胶黏剂，并在零件加工、绕组绕制及成型、粘接工序过程中优化工艺，达到消除制造应力和零组件温度蠕变的影响；对于力矩器磁钢部件选用磁温系数极低的磁钢，对充磁后磁钢进行优化稳磁，使力矩器工作气隙磁场受温度变化影响极小；

所述信号器由信号器导磁环、信号器绕组以及信号器铁芯组成；选用温度影响小的铁镍磁性材质及电阻温度系数低的漆包线、线胀系数小的胶黏剂，在零件加工、绕组绕制及成型、粘接工序过程中优化工艺，消除制造应力和电磁场随温度的变化量，使信号器电场、磁场和结构稳定性随温度变化减小，提高信号器器标度因数温度稳定性；

通过选择最佳的力矩器工作气隙和信号器工作气隙，减小陀螺常值漂移，避免内部干扰，控制信号器磁吸力在容许范围内，提高陀螺敏感灵敏度和反馈力矩修正陀螺转子的灵敏度，进而提高陀螺小速率线性度；

所述电机轴系由装在陀螺转子上的电机轴、内衬套、外衬套及装在内外衬套两边的轴承、锁紧螺母、弹簧垫片、电机转子组件上的转子骨架组成；其中内外衬套两边轴承的外圈、外衬套(18)组成轴承外轴系，内外衬套两边轴承的内圈、内衬套、电机转子骨架组成轴承内轴系；通过优化仿真确定最佳的电机轴、内衬套、外衬套材质及内外衬套两边轴承的支承距离，使内轴系、外轴系及电机轴在极限温度下的蠕变量接近相等；

所述前置放大电路对信号器敏感信号进行差动输出后经过仪表运算放大器放大，再传输给后续解调电路；前置放大电路上设置了调零电路、移相电路和梯度调试电路；通过调试调零电阻，使陀螺两个通道的零位最小，陀螺工作在电气零位，建立了陀螺工作的零位基准；通过调试移相电容，使陀螺两通道信号器容抗参数一致，相移处于0°对称状态，为信号后续处理建立了相位基准；通过调试梯度电阻，使陀螺输出比例梯度相同，批一致性好，便于后续处理电路的调试和误差处理。

进一步的，力矩器磁钢采用磁温变化系数不大于-0.012％/℃的高稳定性稀土钐钴磁钢，所用胶黏剂的线胀系数不大于0.3×10^-4/℃；力矩器绕组漆包线的电阻温度系数不大于1.2×10^-3/℃，力矩器刻度系数不小于55g·cm/A，绕组的极限电流密度不大于50A/mm²。

进一步的，信号器所用胶黏剂的线胀系数不大于0.3×10^-4/℃，信号器绕组(20)漆包线的电阻温度系数不大于0.6×10^-3/℃，绕组绕制不带胶或漆；信号器梯度不小于12.5mV/′，绕组的极限电流密度不大于3.5A/mm²。

进一步的，力矩器工作气隙不大于0.5mm，信号器工作气隙不大于0.2mm。

进一步的，内轴系、外轴系及电机轴在极限温度下的蠕变量差异不大于1％。

进一步的，所述挠性陀螺仪采用陀螺舱、电机舱和信号处理舱三舱布局，各舱具有独立的电磁屏蔽功能。

进一步的，所述挠性陀螺仪标度因数温度稳定性不大于3500ppm，极限速率范围为±180°/s，±2°/s范围内的速率线性度不大于0.5％，工作环境温度范围为-45℃～+100℃。

有益效果

本发明具有以下优点：

三舱布局使陀螺各功能部分相互独立，强弱电区分走线，各功能部分间存在的电磁信号互不干扰。

陀螺动量矩的提高，确保陀螺具有较高的惯性抗干扰能力。

优化电机轴系尺寸，选择相互匹配的零组件材质，确保电机外轴系与内轴系随温度变化同步蠕变。

优化力矩器结构，合理选择力矩器零组件材质及参数，提高力矩器反馈控制精度，确保陀螺标度因数温度稳定性的提高。

优化信号器结构，合理选择信号器零组件材质及参数，提高信号器灵敏度及敏感信号的温度稳定性，确保陀螺标度因数温度稳定性及小速率线性度的提高。

优化前置放大电路，使陀螺敏感信号的零位调试、相位调试、刚性中心调试、梯度调试相互独立，确保陀螺转子(2)能够始终工作在“自由”状态。

本发明可以在惯性机电式陀螺仪领域进行推广，对使用机电式陀螺仪的高精度惯性导航及姿态控制系统的标定及综合精度的提升有重大意义。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为高稳定性挠性陀螺仪结构示意图；

图2为前置放大电路图；

图3为力矩器磁钢部件结构图；

图4为力矩器绕组部件结构图。

图1～图4中，1—前盖，2—陀螺转子，3—力矩器绕组部件，4—紧固螺钉，5—座体，6—电机转子部件，7—电机定子部件，8—平衡螺钉，9—后盖部件，10—前置放大电路板，11—后罩组件，12—电连接器，13—抽气嘴，14—锁紧螺母，15—弹簧垫片，16—轴承，17—内衬套，18—外衬套，19—接线板，20—信号器绕组，21—力矩器磁钢，22—固紧环，23—磁温补偿片，24—力矩器绕组，25—力矩器骨架。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

图1所示为挠性陀螺仪结构示意图，挠性陀螺仪外形轮廓尺寸为φ21.8×30mm，总体架构为三舱布局，即陀螺舱、电机舱和信号处理舱，各舱具有独立的电磁屏蔽功能。陀螺转子(2)受到外部干扰力矩作用下绕挠性支承中心偏转，位于陀螺转子(2)上的信号器导磁环随陀螺转子(2)偏转某一角度α，于是信号器导磁环与位于陀螺座体(5)上装信号器绕组(20)的铁芯之间的信号器工作气隙发生变化，从而使气隙磁阻变化，信号器绕组(20)将敏感该磁阻变化引起的电压变化。座体(5)上180°对称布局的两组信号器绕组(20)在前置放大电路板(10)上桥路连接，信号器敏感电压通过两桥臂差动输出电压的变化量，该电压变化量经放大电路放大后传输给后续信号处理电路进行处理，并以比例电流形式反馈给力矩器绕组部件(3)产生修正陀螺转子(2)的反馈力矩，实现对陀螺转子(2)的适时修正。

在上述陀螺工作过程中，信号器敏感电压的差动输出、陀螺转子(2)能否工作在相对“不敏感区”、力矩器产生的反馈力矩及驱动陀螺转子(2)高速旋转的电机轴系等，均可能受温度变化的影响而变化，反映为陀螺敏感电压以及标度因数随温度的变化的不稳定性。解决该温度变化影响的关键是作为电磁器件的信号器、力矩器及提供动力的电机轴系必须在全温范围内具有不受温度影响的磁场、电场和结构的温度稳定性。

所述力矩器由力矩器绕组部件(3)和力矩器磁钢部件组成，如图3所示。力矩器磁钢部件由固紧环(22)、磁温补偿片(23)和八块扇形力矩器磁钢(21)组成；力矩器绕组部件(3)由四个弧形力矩器绕组(24)、挠性接线板(19)和筒型窗口式骨架(25)组成。力矩器绕组部件(3)的结构温度稳定性会影响电场温度稳定性，通过选用线胀系数小、电阻温度系数低的零组件原材料、漆包线、胶黏剂，并在零件加工、绕组绕制及成型、粘接等工序过程中优化工艺，从而达到消除制造应力和零组件温度蠕变的影响；力矩器磁钢部件(图3)是力矩器激磁磁场源，选用磁温系数极低的磁钢，对充磁后磁钢进行优化稳磁，使力矩器工作气隙磁场受温度变化影响极小。通过以上措施，可使电场、磁场和部件结构稳定性随温度变化减小，能有效提高力矩器标度因数温度稳定性。具体而言，力矩器磁钢(21)采用磁温变化系数不大于-0.012％/℃的高稳定性稀土钐钴磁钢，所用胶黏剂的线胀系数不大于0.3×10^-4/℃；力矩器绕组漆包线的电阻温度系数不大于1.2×10^-3/℃，力矩器刻度系数不小于55g·cm/A，绕组的极限电流密度不大于50A/mm²。

所述信号器由安装在陀螺转子(2)上的信号器导磁环、安装在座体(5)上的信号器绕组(20)，以及安装信号器绕组(20)的信号器铁芯组成。信号器绕组(20)的阻抗、匝间电容、绕组结构稳定性对其工作气隙磁场、电场随温度变化影响较大，通过选用温度影响小的铁镍磁性材质及电阻温度系数低的漆包线、线胀系数小的胶黏剂，在零件加工、绕组绕制及成型、粘接等工序过程中优化工艺，以消除制造应力和电磁场随温度的变化量，使信号器电场、磁场和结构稳定性随温度变化减小，可有效提高信号器器标度因数温度稳定性。具体而言，信号器所用胶黏剂的线胀系数不大于0.3×10^-4/℃，信号器绕组(20)漆包线的电阻温度系数不大于0.6×10^-3/℃，绕组绕制不带胶或漆；信号器梯度不小于12.5mV/′，绕组的极限电流密度不大于3.5A/mm²。

图1所示的力矩器工作气隙和信号器工作气隙对陀螺敏感信号的灵敏度和反馈力矩修正陀螺转子(2)的灵敏度影响较大。力矩器工作气隙大，气隙磁场弱，反馈力矩对陀螺转子(2)修正敏感度低；工作气隙小，气隙磁场强，反馈力矩对陀螺转子(2)修正敏感度高，但可能带来陀螺常值漂移增大或内部干扰。信号器工作气隙大，气隙磁场弱，对导磁环角度变化引起的磁阻变化敏感度低；工作气隙小，气隙磁场强，磁阻变化敏感度高，但可能带来信号器磁吸力增大而带来干扰误差。选择最佳的力矩器工作气隙和信号器工作气隙，既可以减小陀螺常值漂移，避免内部干扰，又能有效控制信号器磁吸力在容许范围内而不至于带来较大干扰误差，还可以有效提高陀螺敏感灵敏度和反馈力矩修正陀螺转子(2)的灵敏度，进而提高陀螺小速率线性度。通过优化设计，确定力矩器绝对工作气隙不大于0.5mm，信号器绝对工作气隙不大于0.2mm。

图1所示的陀螺电机的功能是为陀螺转子(2)提供高速旋转的动力，使其产生稳定的动量矩，陀螺转子(2)动量矩不小于6.5g·cm·s。电机轴系预紧力随温度的变化会导致转速及信号器工作气隙的稳定性，从而带来陀螺性能随温度的变化而变化。电机轴系由装在陀螺转子(2)上的电机轴、内衬套(17)、外衬套(18)及装在内外衬套两边的轴承(16)、锁紧螺母(14)、弹簧垫片(15)、电机转子组件(6)上的转子骨架组成。电机轴系设计的核心是随着温度的变化，轴系材料蠕变对轴系预紧力不产生变化，而轴系预紧力是加在轴承内圈的轴向力通过钢球施加在轴承外圈上的，控制好轴承内圈形成的尺寸链与外圈形成的尺寸链的温度蠕变量，可以改善温度变化对轴系预紧的影响。轴承外轴系由两轴承外圈、外衬套(18)组成，轴承内轴系由两轴承内圈、内衬套(17)、电机转子骨架组成，内轴系还需兼顾电机轴温度蠕变的影响。通常轴承材质是预先确定的，设计上通过优化仿真，确定最佳的电机轴、内衬套(17)、外衬套(18)材质及两轴承的支承距离，使内轴系、外轴系及电机轴的极限温度蠕变量接近相等，相互间在极限温度下的蠕变量差异不大于1％，以确保温度变化不带来轴系预紧力的变化。

图2所示的前置放大电路的功能是对信号器敏感信号进行差动输出后经过仪表运算放大器放大，再传输给后续解调电路。前置放大电路上设置了调零电路、移相电路和梯度调试电路。通过调试调零电阻R4、R40、R9、R90，使陀螺两个通道的零位最小，陀螺工作在电气零位，建立了陀螺工作的零位基准；通过调试移相电容C1、C4，使陀螺两通道信号器容抗参数一致，相移处于0°对称状态，为信号后续处理建立了相位基准；通过调试梯度电阻R11、R12，使陀螺输出比例梯度相同，批一致性好，便于后续处理电路的调试和误差处理。

本发明通过对挠性陀螺仪进行总体架构优化，动量矩提高，力矩器和信号器结构、选材、工作气隙、成型和粘接工艺优化；完善前置放大电路，增加调零、移相、梯度调试等信号处理功能；实现了标度因数温度稳定性不大于3500ppm，极限速率范围为±180°/s，±2°/s范围内的速率线性度不大于0.5％，工作环境温度范围为-45℃～+100℃，全温范围内陀螺具有高的标度因数温度稳定性及小速率线性度，陀螺仪抗干扰能力强，敏感信号受温度影响最小，且信号灵敏度高，阈值小。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种高稳定性挠性陀螺仪设计方法，其特征在于：对所述挠性陀螺仪中的力矩器、信号器、电机轴系以及前置放大电路进行设计：

其中通过设计使信号器、力矩器及电机轴系在全温范围内具有不受温度影响的磁场、电场和结构的温度稳定性，具体设计如下：

所述力矩器由力矩器绕组部件和力矩器磁钢部件组成；对于力矩器绕组部件，通过选用线胀系数小、电阻温度系数低的零组件原材料、漆包线、胶黏剂，并在零件加工、绕组绕制及成型、粘接工序过程中优化工艺，达到消除制造应力和零组件温度蠕变的影响；对于力矩器磁钢部件选用磁温系数极低的磁钢，对充磁后磁钢进行优化稳磁，使力矩器工作气隙磁场受温度变化影响极小；力矩器磁钢采用磁温变化系数不大于-0.012％/℃的高稳定性稀土钐钴磁钢，所用胶黏剂的线胀系数不大于0.3×10^-4/℃；力矩器绕组漆包线的电阻温度系数不大于1.2×10^-3/℃，力矩器刻度系数不小于55g·cm/A，绕组的极限电流密度不大于50A/mm²；

所述信号器由信号器导磁环、信号器绕组以及信号器铁芯组成；选用温度影响小的铁镍磁性材质及电阻温度系数低的漆包线、线胀系数小的胶黏剂，在零件加工、绕组绕制及成型、粘接工序过程中优化工艺，消除制造应力和电磁场随温度的变化量，使信号器电场、磁场和结构稳定性随温度变化减小，提高信号器标度因数温度稳定性；信号器所用胶黏剂的线胀系数不大于0.3×10^-4/℃，信号器绕组(20)漆包线的电阻温度系数不大于0.6×^10-3/℃，绕组绕制不带胶或漆；信号器梯度不小于12.5mV/′，绕组的极限电流密度不大于3.5A/mm²；

通过选择最佳的力矩器工作气隙和信号器工作气隙，减小陀螺常值漂移，避免内部干扰，控制信号器磁吸力在容许范围内，提高陀螺敏感灵敏度和反馈力矩修正陀螺转子的灵敏度，进而提高陀螺小速率线性度；力矩器工作气隙不大于0.5mm，信号器工作气隙不大于0.2mm；

所述电机轴系由装在陀螺转子上的电机轴、内衬套、外衬套及装在内外衬套两边的轴承、锁紧螺母、弹簧垫片、电机转子组件上的转子骨架组成；其中内外衬套两边轴承的外圈、外衬套(18)组成轴承外轴系，内外衬套两边轴承的内圈、内衬套、电机转子骨架组成轴承内轴系；通过优化仿真确定最佳的电机轴、内衬套、外衬套材质及内外衬套两边轴承的支承距离，使内轴系、外轴系及电机轴在极限温度下的蠕变量接近相等；

所述前置放大电路对信号器敏感信号进行差动输出后经过仪表运算放大器放大，再传输给后续解调电路；前置放大电路上设置了调零电路、移相电路和梯度调试电路；通过调试调零电阻，使陀螺两个通道的零位最小，陀螺工作在电气零位，建立了陀螺工作的零位基准；通过调试移相电容，使陀螺两通道信号器容抗参数一致，相移处于0°对称状态，为信号后续处理建立了相位基准；通过调试梯度电阻，使陀螺输出比例梯度相同，批一致性好，便于后续处理电路的调试和误差处理。

2.根据权利要求1所述一种高稳定性挠性陀螺仪设计方法，其特征在于：内轴系、外轴系及电机轴在极限温度下的蠕变量差异不大于1％。

3.根据权利要求1所述一种高稳定性挠性陀螺仪设计方法，其特征在于：所述挠性陀螺仪采用陀螺舱、电机舱和信号处理舱三舱布局，各舱具有独立的电磁屏蔽功能。

4.根据权利要求1所述一种高稳定性挠性陀螺仪设计方法，其特征在于：所述挠性陀螺仪标度因数温度稳定性不大于3500ppm，极限速率范围为±180°/s，±2°/s范围内的速率线性度不大于0.5％，工作环境温度范围为-45℃～+100℃。

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