CN114295863B - 一种基于单磁悬浮控制敏感陀螺的三轴加速度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于单磁悬浮控制敏感陀螺的三轴加速度测量方法。磁悬浮控制敏感陀螺转子通过磁悬浮轴承实现主动差动控制，磁悬浮转子的轴向单自由度悬浮通过全主动轴向磁轴承控制，径向两自由度悬浮通过全主动径向磁轴承控制。当磁悬浮控制敏感陀螺安装到载体上，载体运动产生加速度，磁悬浮转子受力在平衡位置附近可以线性化，最终得到转子受力‑控制电流与受力‑位移的一次线性关系，通过测量磁轴承的控制电流和转子位移就可以得到载体加速度，该方法可以通过单个磁悬浮控制敏感陀螺完成载体三轴加速度的测量，实现了单个磁悬浮控制敏感陀螺完成三轴加速度计的功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于单磁悬浮控制敏感陀螺的三轴加速度测量方法，适用于载体的加速度测量，仅用单个磁悬浮控制敏感陀螺即可完成载体三轴加速度的测量。
技术背景
加速度计是测量运载体线加速度的仪表，传统的加速度计是由检测质量(也称敏感质量)、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成，加速度计常用语惯性导航系统中，经过积分得到载体速度，然后再积分得到载体的位移。在惯导系统中，加速度计通常和陀螺组成惯导系统，实现载体姿态和位移的测量。
传统惯导系统需要三个加速度计和三个陀螺实现载体三轴加速度测量和三轴姿态角测量，该系统需要6个惯性器件组成一个惯导系统，使系统结构复杂，且一个器件出现损坏，导致整个惯导系统不能工作。
本发明所涉及的磁悬浮控制敏感陀螺通过主动磁轴承实现转子的五自由度稳定悬浮。其中，转子的三自由度平动悬浮通过全主动磁轴承控制，两自由度偏转通过洛伦兹力磁轴承控制。当磁悬浮控制敏感陀螺安装到载体上，载体运动产生加速度，磁悬浮转子受力在平衡位置附近可以线性化，最终得到转子受力-控制电流与受力-位移的一次线性关系，通过测量磁轴承的控制电流和转子位移就可以得到载体加速度，即通过单个磁悬浮控制敏感陀螺完成载体三轴加速度的测量。
为了克服传统惯导系统的缺点，磁悬浮控制敏感陀螺不仅能够实现航天器的姿态角速度测量，而且能够实现加速度测量，所以通过单个磁悬浮控制敏感陀螺就能够实现载体三轴加速度的测量和两轴姿态角速度的测量，所以，使用两个磁悬浮控制敏感陀螺就能够实现惯导系统的冗余配置，组成的惯导系统具有更高的可靠性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：利用磁悬浮控制敏感陀螺磁悬浮转子主动控制的特性，提出一种利用磁悬浮控制敏感陀螺进行三自由度加速度的测量的方法。该方法依据平衡位置附近得到的转子受力-控制电流与受力-位移的一次线性关系，通过测量磁轴承的控制电流和转子位移，得到载体加速度。
2、本发明的技术解决方案是：磁悬浮控制敏感陀螺转子通过磁悬浮轴承实现主动差动控制，磁悬浮转子的轴向单自由度悬浮通过全主动轴向磁轴承控制，径向两自由度悬浮通过全主动径向磁轴承控制。当磁悬浮控制敏感陀螺安装到载体上，载体运动产生加速度，磁悬浮转子受力在平衡位置附近可以线性化，最终得到转子受力-控制电流与受力-位移的一次线性关系，通过测量磁轴承的控制电流和转子位移就可以得到载体加速度，该方法可以通过单个磁悬浮控制敏感陀螺完成载体三轴加速度的测量，具体包括以下步骤：
(1)建立磁悬浮转子轴向悬浮模型和径向悬浮模型
实际的磁轴承系统中，每一个通道的电磁力都是由两个出力方向相反的电磁铁实现，以x方向为正偏移时，在差动方式下，转子受到的力有上下两个电磁铁产生电磁力的差给出，即：
Fx＝F+-F- (1)
式中，F+表示正方向磁轴承产生的电磁力，F-表示负方向磁轴承产生的电磁力，kr＝μ0N2A，α为相邻两个磁极之间夹角的一半，μ0为真空磁导率，A为磁极面积，N为单个磁极的线圈匝数,I0为线圈偏置电流,Ix为线圈偏置电流，δ为磁极与转子表面之间的气隙；
(4)测量轴向磁轴承控制电流和转子轴向位移，同时测量径向磁轴承控制电流和转子径向位移：
F＝kii+kss (3)
上式中F表示转子所受两轴电磁力，F＝(Fx，Fy)，ki和ks表示磁轴承的电流刚度和位移刚度，i＝(ixiyiz)表示径向磁轴承和轴向磁轴承的控制电流，s＝(sxsysz)表示转子径向和轴向位移，α为相邻两个磁极之间夹角的一半，μ0为真空磁导率，A为磁极面积，N为单个磁极的线圈匝数，I0为线圈偏置电流,Ix为线圈偏置电流，δ为磁极与转子表面之间的气隙；
(5)计算载体轴向单自由度加速度和径向两自由度加速度
载体运动导致转子所受惯性力ma通过电磁力F平衡，所以我们可以得到：
ma＝kii+kss (4)
上式中m表示转子质量，a＝(axayaz)表示被测载体径向两自由度和轴向单自由度加速度，i＝(ixiyiz)表示径向磁轴承和轴向磁轴承的控制电流，s＝(sxsysz)表示转子径向和轴向位移；
所以我们通过测量主动磁轴承控制电流和转子相对于定子的位移可以得到载体的角加速度；
此外，当载体处于低频率运动时，我们可以通过转子的稳定控制，保证转子始终悬浮于平衡位置，此时有s＝0，所以可以得到：
其中，ax表示载体X方向加速度，ay表示载体Y方向加速度，m表示磁悬浮转子质量，ki表示磁轴承的电流刚度，ix和iy表示径向磁轴承和轴向磁轴承的控制电流；
磁悬浮转子轴向磁轴承和径向磁轴承工作原理相同，但是轴向磁轴承需要承受转子重力，所以，转子承受的轴向电磁力可以表示为：
maz＝kiiz+kssz-mg (6)
上式中m表示转子质量，ki表示磁轴承的电流刚度，iz表示轴向磁轴承的控制电流，ks表示磁轴承的位移刚度，sz表示转子位移，g表示重力加速度，所以，通过测量轴向磁轴承的控制电流和转子轴向位移便可以实现载体轴向加速度的测量，同理，当转子稳定悬浮在平衡位置，此时sz＝0，所以我们可以得到：
上式中m表示转子质量，ki表示磁轴承的电流刚度，iz表示轴向磁轴承的控制电流，g表示重力加速度，等式(7)所示是轴向加速度测量原理，根据等式(4)、等式(5)和等式(7)我们可以得到基于磁悬浮控制敏感陀螺的载体加速度测量原理。
本发明的原理是：利用磁悬浮控制敏感陀螺对于实现航天器的姿态测量和控制一体化的特性，提出一种利用磁悬浮控制敏感陀螺进行三自由度平动加速度的测量的方法。该方法依据平衡位置附近得到的转子受力-控制电流与受力-位移的一次线性关系，通过测量磁轴承的控制电流和转子位移，得到载体加速度。
本发明方案与现有方案相比，主要优点在于：使用单个磁悬浮控制敏感陀螺可实现航天器三轴加速度测量，此外通过磁悬浮控制敏感陀螺还能够设计成惯导系统，实现三轴加速度测量和两轴角速度测量，通过配置两个磁悬浮控制敏感陀螺，不仅可以提高惯导系统的可靠性，而且还能够提高测量精度。
附图说明
图1加速度测量方案图；
图2加速度测量原理理图；
图3磁悬浮控制敏感陀螺在载体上安装示意图；
图4磁轴承工作原理；
具体实施方案
磁悬浮控制敏感陀螺转子通过磁悬浮轴承实现主动差动控制，磁悬浮转子的轴向单自由度悬浮通过全主动轴向磁轴承控制，径向两自由度悬浮通过全主动径向磁轴承控制。当磁悬浮控制敏感陀螺安装到载体上，载体运动产生加速度，磁悬浮转子受力在平衡位置附近可以线性化，最终得到转子受力-控制电流与受力-位移的一次线性关系，通过测量磁轴承的控制电流和转子位移就可以得到载体加速度，该方法可以通过单个磁悬浮控制敏感陀螺完成载体三轴加速度的测量，具体包括以下步骤：
(1)建立磁悬浮转子轴向悬浮模型和径向悬浮模型
实际的磁轴承系统中，每一个通道的电磁力都是由两个出力方向相反的电磁铁实现，以x方向为正偏移时，在差动方式下，转子受到的力有上下两个电磁铁产生电磁力的差给出，即：
Fx＝F+-F- (8)
式中，F+表示正方向磁轴承产生的电磁力，F-表示负方向磁轴承产生的电磁力，kr＝μ0N2A，α为相邻两个磁极之间夹角的一半，μ0为真空磁导率，A为磁极面积，N为单个磁极的线圈匝数,I0为线圈偏置电流,Ix为线圈偏置电流，δ为磁极与转子表面之间的气隙；
(2)测量轴向磁轴承控制电流和转子轴向位移，同时测量径向磁轴承
控制电流和转子径向位移：
F＝kii+kss (10)
上式中F表示转子所受两轴电磁力，F＝(Fx，Fy)，ki和ks表示磁轴承的电流刚度和位移刚度，i＝(ixiyiz)表示径向磁轴承和轴向磁轴承的控制电流，s＝(sxsysz)表示转子径向和轴向位移，α为相邻两个磁极之间夹角的一半，μ0为真空磁导率，A为磁极面积，N为单个磁极的线圈匝数，I0为线圈偏置电流,Ix为线圈偏置电流，δ为磁极与转子表面之间的气隙；
(3)计算载体轴向单自由度加速度和径向两自由度加速度
载体运动导致转子所受惯性力ma通过电磁力F平衡，所以我们可以得到：
ma＝kii+kss (11)
上式中m表示转子质量，a＝(axayaz)表示被测载体径向两自由度和轴向单自由度加速度，i＝(ixiyiz)表示径向磁轴承和轴向磁轴承的控制电流，s＝(sxsysz)表示转子径向和轴向位移；
所以我们通过测量主动磁轴承控制电流和转子相对于定子的位移可以得到载体的角加速度；
此外，当载体处于低频率运动时，我们可以通过转子的稳定控制，保证转子始终悬浮于平衡位置，此时有s＝0，所以可以得到：
其中，ax表示载体X方向加速度，ay表示载体Y方向加速度，m表示磁悬浮转子质量，ki表示磁轴承的电流刚度，ix和iy表示径向磁轴承和轴向磁轴承的控制电流；
磁悬浮转子轴向磁轴承和径向磁轴承工作原理相同，但是轴向磁轴承需要承受转子重力，所以，转子承受的轴向电磁力可以表示为：
maz＝kiiz+kssz-mg (13)
上式中m表示转子质量，ki表示磁轴承的电流刚度，iz表示轴向磁轴承的控制电流，ks表示磁轴承的位移刚度，sz表示转子位移，g表示重力加速度，所以，通过测量轴向磁轴承的控制电流和转子轴向位移便可以实现载体轴向加速度的测量，同理，当转子稳定悬浮在平衡位置，此时sz＝0，所以我们可以得到：
上式中m表示转子质量，ki表示磁轴承的电流刚度，iz表示轴向磁轴承的控制电流，g表示重力加速度，等式(14)所示是轴向加速度测量原理，根据等式(11)、等式(12)和等式(14)我们可以得到基于磁悬浮控制敏感陀螺的载体加速度测量原理。
本发明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (5)
1.一种基于单磁悬浮控制敏感陀螺的三轴加速度测量方法，其特征在于：磁悬浮控制敏感陀螺转子通过磁悬浮轴承实现主动差动控制，磁悬浮转子的轴向单自由度悬浮通过全主动轴向磁轴承控制，径向两自由度悬浮通过全主动径向磁轴承控制，当磁悬浮控制敏感陀螺安装到载体上，载体运动产生加速度，磁悬浮转子受力在平衡位置附近可以线性化，最终得到转子受力-控制电流与受力-位移的一次线性关系，通过测量磁轴承的控制电流和转子位移就可以得到载体加速度，该方法可以通过单个磁悬浮控制敏感陀螺完成载体三轴加速度的测量，具体包括以下步骤：
(1)建立磁悬浮转子轴向悬浮模型和径向悬浮模型
实际的磁轴承系统中，每一个通道的电磁力都是由两个出力方向相反的电磁铁实现，以x方向为正偏移时，在差动方式下，转子受到的力有上下两个电磁铁产生电磁力的差给出，即：
Fx＝F+-F- (1)
式中，F+表示正方向磁轴承产生的电磁力，F-表示负方向磁轴承产生的电磁力，kr＝μ0N2A，α为相邻两个磁极之间夹角的一半，μ0为真空磁导率，A为磁极面积，N为单个磁极的线圈匝数,I0为线圈偏置电流,Ix为线圈偏置电流，δ为磁极与转子表面之间的气隙；
(2)测量轴向磁轴承控制电流和转子轴向位移，同时测量径向磁轴承控制电流和转子径向位移：
F＝kii+kss (3)
上式中F表示转子所受两轴电磁力，F＝(Fx，Fy)，ki和ks表示磁轴承的电流刚度和位移刚度，i＝(ix iy iz)表示径向磁轴承和轴向磁轴承的控制电流，s＝(sx sy sz)表示转子径向和轴向位移，α为相邻两个磁极之间夹角的一半，μ0为真空磁导率，A为磁极面积，N为单个磁极的线圈匝数，I0为线圈偏置电流,Ix为线圈偏置电流，δ为磁极与转子表面之间的气隙；
(3)计算载体轴向单自由度加速度和径向两自由度加速度
载体运动导致转子所受惯性力ma通过电磁力F平衡，所以我们可以得到：
ma＝kii+kss (4)
上式中m表示转子质量，a＝(ax ay az)表示被测载体径向两自由度和轴向单自由度加速度，i＝(ix iy iz)表示径向磁轴承和轴向磁轴承的控制电流，s＝(sx sy sz)表示转子径向和轴向位移；
所以我们通过测量主动磁轴承控制电流和转子相对于定子的位移可以得到载体的角加速度；
此外，当载体处于低频率运动时，我们可以通过转子的稳定控制，保证转子始终悬浮于平衡位置，此时有s＝0，所以可以得到：
其中，ax表示载体X方向加速度，ay表示载体Y方向加速度，m表示磁悬浮转子质量，ki表示磁轴承的电流刚度，ix和iy表示径向磁轴承和轴向磁轴承的控制电流；
磁悬浮转子轴向磁轴承和径向磁轴承工作原理相同，但是轴向磁轴承需要承受转子重力，所以，转子承受的轴向电磁力可以表示为：
maz＝kiiz+kssz-mg (6)
上式中m表示转子质量，ki表示磁轴承的电流刚度，iz表示轴向磁轴承的控制电流，ks表示磁轴承的位移刚度，sz表示转子位移，g表示重力加速度，所以，通过测量轴向磁轴承的控制电流和转子轴向位移便可以实现载体轴向加速度的测量，同理，当转子稳定悬浮在平衡位置，此时sz＝0，所以我们可以得到：
上式中m表示转子质量，ki表示磁轴承的电流刚度，iz表示轴向磁轴承的控制电流，g表示重力加速度，等式(7)所示是轴向加速度测量原理，根据等式(4)、等式(5)和等式(7)我们可以得到基于磁悬浮控制敏感陀螺的载体加速度测量原理。
2.根据权利要求1所述的一种基于单磁悬浮控制敏感陀螺的三轴加速度测量方法，其特征在于：径向磁轴承的四个通道采用的是差动控制方式，磁悬浮转子的轴向单自由度悬浮通过全主动轴向磁轴承控制，径向两自由度悬浮通过全主动径向磁轴承控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于单磁悬浮控制敏感陀螺的三轴加速度测量方法，其特征在于：当磁悬浮控制敏感陀螺安装到载体上，载体运动产生加速度，磁悬浮转子受力在平衡位置附近可以线性化，最终得到转子受力-控制电流与受力-位移的一次线性关系。
4.根据权利要求1所述的一种基于单磁悬浮控制敏感陀螺的三轴加速度测量方法，其特征在于：通过测量主动磁轴承控制电流和转子相对于定子的位移可以得到载体的加速度。
5.根据权利要求1所述的一种基于单磁悬浮控制敏感陀螺的三轴加速度测量方法，其特征在于：通过测量轴向磁轴承的控制电流和转子轴向位移便可以实现载体轴向加速度的测量。
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