CN115603612B - 一种宇航用陀螺仪启停方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于陀螺仪技术领域，具体为一种宇航用高启停裕度、低工作功耗陀螺仪启停方法，克服现有陀螺仪启动方法存在的工作力矩裕度小、工作功耗高、抗干扰能力差、启停方式效率低等问题，本发明在陀螺仪启动时，采用高压启动，在工作时，采用低压运行、过激激磁方式，具有启动力矩裕度大、工作功耗小、抗干扰能力强的特点，避免了陀螺仪中动压陀螺电机在启停工作过程中存在力矩裕度不足的环节，理论上可以使动压陀螺电机的跑合寿命接近无限长。

Description

一种宇航用陀螺仪启停方法

技术领域

本发明属于陀螺仪技术领域，具体为一种陀螺仪启停方法，尤其为一种宇航用高启停裕度、低工作功耗陀螺仪启停方法。

背景技术

陀螺仪启停寿命和功耗决定着飞行器的工作寿命和工作效率，在空间站、卫星、运载飞船等领域有着广泛的应用。

由于尺寸及重量的限制，陀螺仪中动压陀螺电机通常采用磁滞类型动压陀螺电机，能够实现动压陀螺电机转子的启动，不需要增加额外的启动电路或装置。但是磁滞类型动压陀螺电机的工作效率低，启动力矩小，加上动压陀螺电机的轴承摩擦以及转子的风阻摩擦，会造成陀螺仪的启动力矩裕度不足，功耗高，严重影响飞行器工作寿命和工作效率。

柱型动压轴承动压陀螺电机的转子、定子依靠柱型动压轴承支承，轴承的工作间隙仅有1μm～3μm，在动压陀螺电机定子接通供电后，动压陀螺电机定子提供旋转磁场，磁化磁滞材料，产生转子旋转磁场，带动转子转动，此时动压陀螺电机的轴承产生滑动摩擦，当旋转磁场的电磁拉力越大，则动压陀螺电机的启动可靠性越高；当转子转速达到一定程度时，轴承转子与定子在泵入气压的作用下产生分离，直到转子转速与定子磁场旋转速度达到同步，此时，动压陀螺电机的功耗主要受制于电磁效率、轴承的动态摩擦力矩和转子的风阻摩擦力矩，一旦动压陀螺电机受到外界作用力，其工作力矩裕度就决定了动压陀螺电机转子的抗干扰能力。

可以看出，现有陀螺仪启动方法依然存在一定的问题，如恒压启动方式存在启停力矩裕度小，启停工作方式效率低问题；变频启动方式存在工作功耗大，工作过程转子抗干扰能力差等问题。因此，提高启停及工作过程中的力矩裕度，降低工作功耗是宇航用陀螺仪长寿命、高效率的关键。

发明内容

本发明针对现有技术中，陀螺仪启动方法存在的工作力矩裕度小、工作功耗高、抗干扰能力差、启停方式效率低等问题，提出了一种宇航用高启停裕度、工作力矩裕度大、低工作功耗、抗干扰能力好的陀螺仪启停方法。

本发明的技术方案是：

一种宇航用高启停裕度、低工作功耗陀螺仪启停方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、确定相关参数；

上述相关参数包括动压陀螺电机的启动母线高压电压幅值U₁、高压工作时间t_s、动压陀螺电机的工作母线低压电压幅值U、动压陀螺电机工作时的过激脉冲宽度h及过激脉冲间隔时间t；

步骤2、动压陀螺电机启停；

步骤2.1、开启供电开关，定子的母线施加幅值为U₁的交流电压；

步骤2.2、经过高压工作时间t_s之后，定子的母线施加幅值为U的交流电压；

步骤2.3、经过过激脉冲间隔时间t后，定子的母线施加幅值为U₁、宽度为h的过激脉冲；步骤2.4、经设定个数的过激脉冲之后，动压陀螺电机定子激磁电流降到最低，动压陀螺电机低功耗运行，返回步骤2.3，直至接收停止指令，执行步骤2.5；

步骤2.5、关闭供电开关，完成一次陀螺仪启停工作。

进一步地，步骤1中基于下述方法确定高压工作时间t_s：

基于动压陀螺电机的转子浮起时间t_f确定高压工作时间t_s：

t_s＝2.5×t_f。

进一步地，通过测试动压陀螺电机的摩擦力矩曲线，确定动压陀螺电机的转子浮起时间t_f。

进一步地，步骤1中动压陀螺电机的启动母线高压电压幅值U₁满足以下要求：

首先，确保在母线施加幅值为U₁的交流电压时，定子对磁滞材料的磁化，使得磁滞材料的磁场强度达到B_Max，其中B_Max为磁滞材料的最大磁场强度；

其次，确保磁滞材料能够持续维持磁滞材料的最大磁场强度B_Max的时间t_Max大于等于动压陀螺电机的转子浮起时间t_f；

最后，确保在幅值为U₁的启动母线高压电压作用下，定子激磁电流能够满足仪表内部过载电流的要求和启动功耗P_Max的要求。

进一步地，步骤1中动压陀螺电机的工作母线低压电压幅值U满足在该电压下产生的电磁拉力Me能够拖动动压陀螺电机转子，使转子同步，同时，满足使转子同步所需要的时间小于同步时间t₀要求。

进一步地，步骤1中动压陀螺电机工作时的过激脉冲宽度h满足以下要求：

在幅值为U₁的启动母线高压电压工作下，过激脉冲宽度h能够使磁滞材料磁路饱和，磁场强度达到B_Max。

进一步地，步骤1中基于下述方法确定过激脉冲间隔时间t：

过激脉冲间隔时间t为定子母线电压幅值由U₁转换成U后，磁滞材料的磁场强度从B_Max降低到B₀所需要的时间，其中B₀为动压陀螺电机在最小激磁电流I_min作用下需要的磁滞材料的磁场强度。

本发明的有益效果是：

1)本发明在陀螺仪启动时，采用高压启动，解决了陀螺仪启动时力矩裕度不足的问题。

2)本发明在动压陀螺电机工作时，采用低压运行、过激激磁方式解决了动压陀螺电机功耗大、工作力矩裕度不足、抗干扰能力差的问题。

3)本发明启停工作方式具有高启停裕度、工作功耗小、抗干扰能力强的特点，避免了动压陀螺电机在启停工作过程中存在力矩裕度不足的环节，理论上可以使动压陀螺电机的跑合寿命接近无限长。

附图说明

图1为实施例中动压陀螺电机结构示意图；

图2为实施例中高压启动、低压运行、过激激磁的陀螺仪启停方法原理图；

图中附图标记为：

1、动压陀螺电机轴；2、锁紧螺母；3、左止推板；4、磁滞材料；5、转子；6、右定子；7、轴套；8、右止推板；9、轴承转子；10、左定子；11、左定子支架；12、右定子支架。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

本实施例针对具有图1所示动压陀螺电机的陀螺仪，设计一种高压启动、低压运行、过激激磁的陀螺仪启停方法，该方法同样适用于具有其他结构类型动压陀螺电机的陀螺仪。

图1中的动压陀螺电机具体包括动压陀螺电机轴1、轴套7、轴承转子9、转子5、左止推板3、右止推板8、左定子组件、右定子组件、磁滞材料4及两个锁紧螺母2。

轴套7套装并固定在动压陀螺电机轴1上。轴承转子9为轴向长度小于轴套7轴向长度的套筒，套装在轴套7上，二者之间具有径向间隙。转子5为筒状，套装并固定在轴承转子9上，转子5左右端面分别开设同心的左环形缺口和右环形缺口，且左环形缺口和右环形缺口相互对称。磁滞材料4沿左环形缺口和右环形缺口侧壁周向布置。左止推板3和右止推板8分别套装在动压陀螺电机轴1的左右两端，且左止推板3的第一侧面和右止推板8的第一侧面分别抵靠在轴套7的左右两个端面，左止推板3的第一侧面和右止推板8的第一侧面分别与轴承转子9的左右两个端面之间具有轴向间隙。左定子组件包括左定子支架11与左定子10，左定子支架11为桶状，底部开设与动压陀螺电机轴1配合的通孔，通过通孔套装并固定在动压陀螺电机轴1的左端且底部内壁面抵靠在左止推板3的第二侧面；右定子组件包括右定子支架12与右定子6，右定子支架12为桶状，底部开设与动压陀螺电机轴1配合的通孔，通过通孔套装并固定在动压陀螺电机轴1的右端且底部内壁面抵靠在右止推板8的第二侧面；左定子10和右定子6均为筒状，分别同轴套装并固定在左定子支架11和右定子支架12的侧壁外周面，且同轴嵌入转子5的左环形缺口和右环形缺口内。两个锁紧螺母2与动压陀螺电机轴1左右两端螺纹连接，压紧左定子支架11和右定子支架12的底部，进行轴向锁紧。

具体高压启动、低压运行、过激激磁的陀螺仪启停方法包括以下步骤：

1)高压启动、低压运行、过激激磁启停工作模式参数确定。

①通过动压陀螺电机磁路结构、磁滞材料的最大磁场强度B_Max、磁滞材料能够持续维持磁滞材料的最大磁场强度B_Max的时间t_Max、动压陀螺电机的转子5浮起时间t_f、过载电流、启动功耗P_Max的复合约束条件确定动压陀螺电机的启动母线高压电压幅值U₁。

根据动压陀螺电机磁路结构，在确定动压陀螺电机的启动母线高压电压幅值U₁时，首先要确保在母线施加幅值为U₁的交流电压时，能够实现定子(本实施例包括左定子10和右定子6)对磁滞材料的有效饱和磁化，磁滞材料的磁场强度达到B_Max；此外，通过对磁路的瞬态仿真，计算磁滞材料能够持续维持磁滞材料的最大磁场强度B_Max的时间t_Max，能够满足动压陀螺电机的转子浮起时间t_f。另外，在设计启动母线高压电压幅值U₁时也不宜过大，要保证在幅值为U₁的启动母线高压电压作用下，定子激磁电流能够满足仪表内部过载电流的要求和启动功耗P_Max的要求。在此范围内U₁值越大越有利于启动力矩倍数的提高。

②根据计算或者摩擦力矩测试，确定动压陀螺电机的转子5浮起时间t_f，进而确定高压工作时间t_s。

高压工作时间t_s(此处的高压即为动压陀螺电机的幅值为U₁的启动母线高压电压)是由动压陀螺电机的转子5浮起时间t_f所决定：

t_s＝2.5×t_f

其中动压陀螺电机的转子5浮起时间t_f为设计值，t_f一般约为2s。也可以通过测试动压陀螺电机的摩擦力矩曲线，确定动压陀螺电机的转子5浮起时间t_f。

启动过程中，由于转子5浮起后，摩擦力矩会突然减小，摩擦力矩曲线会发生突然减小然后增大的特征，此时就是动压陀螺电机的转子5浮起时间点。

③根据动压陀螺电机的转子5负载L₀、电磁拉力Me及转子5浮起到转子5同步的同步时间t₀，确定动压陀螺电机的工作母线低压电压幅值U。

根据动压陀螺电机的转子5负载L₀、结合动压陀螺电机磁路，计算在磁路饱和状态下，满足在该电压下产生的电磁拉力Me能够拖动动压陀螺电机转子，使转子同步；同时，需要兼顾转子5浮起到转子5同步的同步时间t₀要求，动压陀螺电机的工作母线低压电压幅值U在满足上述要求的情况下，取值越小越有利于工作功耗的降低。

④根据磁场强度达到B_Max确定过激脉冲宽度h。

结合电磁仿真，在h的脉冲宽度下，需要使磁滞材料磁路饱和，磁场强度达到B_Max，在满足此条件的前提下，h值选取的宽度越小，越有利于动压陀螺电机总功耗的降低。

⑤根据在动压陀螺电机母线电压幅值转换成U后，磁滞材料的磁场强度从B_Max降低到B₀所需要的时间确定过激脉冲间隔时间t，其中B₀为动压陀螺电机在最小激磁电流I_min作用下需要的磁滞材料的磁场强度。

根据电磁仿真，磁滞材料在经过幅值为U₁电压过激后，磁路饱和，磁场强度为B_Max，定子激磁电流最小。计算动压陀螺电机转子5在外界作用力下，转子5负载最大力矩值L_Max，当动压陀螺电机电磁力矩Me等于转子5负载最大力矩L_Max时，计算动压陀螺电机在最小激磁电流I_min作用下，需要的磁滞材料的磁场强度B₀，则，过激脉冲间隔时间t为定子母线电压幅值转换成U后，磁滞材料的磁场强度从B_Max降低到B₀所需要的时间。

2)在完成以上参数确定之后，通过图2的供电模式对动压陀螺电机进行启停工作。

①施加幅值为U₁的启动母线高压电压：将动压陀螺电机的定子(本实施例包括左定子10和右定子6)的三相连接线通过线缆连接到图2所示的供电模式下。

开启供电开关，定子的母线施加幅值为U₁的交流电压，定子产生最大激磁电流I_Max，产生交变磁场，磁化磁滞材料4，在经过高压工作时间t_s之后，磁滞材料4表面产生最大磁场强度B_Max。

②动压陀螺电机启动：在最大电磁拉力Me_Max的作用下，转子5和轴承转子9组成的动压陀螺电机转子组件被拖动旋转，左止推板3、右止推板8与轴承转子9的工作面开始被泵入气体，气体同时被压入轴承转子9与轴套7的工作面，当压力达到一定程度时，动压陀螺电机转子5被浮起，动压陀螺电机的启动裕度最大。

③切入幅值为U的工作母线低压电压将动压陀螺电机转子5拉向同步：经过幅值为U₁的启动母线高压电压作用t_s之后，幅值为U的低压电压切入，由于电压的降低，动压陀螺电机定子激磁电流减小，磁滞材料4的磁化磁场减弱，此时，动压陀螺电机的电磁力仍能拖动转子5将转子5拉向同步，同步后，动压陀螺电机电磁力矩Me等于动压陀螺电机负载力矩L₀。

④动压陀螺电机同步工作中的过激激磁：经过过激脉冲间隔时间t后，定子的母线施加幅值为U₁的过激脉冲，脉冲宽度为h。此时，磁滞材料4表面产生最大磁场强度B_Max，因为此时动压陀螺电机电磁力矩Me等于动压陀螺电机负载力矩L₀，在磁场强度增加的情况下，动压陀螺电机定子激磁电流迅速降低，磁滞材料4仍具有最大磁场强度B_Max，在外界作用力的干扰下，能够提供最大的电磁力矩。

⑤动压陀螺电机低功耗运行：经过5个过激脉冲之后，动压陀螺电机定子激磁电流降到最小，为最小激磁电流I_min，此时动压陀螺电机的效率达到最大，动压陀螺电机功耗最低。接着在每经过过激脉冲间隔时间t后，磁滞材料4被进行一次过激激磁，如此往复，使磁滞材料4性能一直维持在最大工作效率下，动压陀螺电机功耗一直维持在最低水平。

⑥停止时：关闭供电开关，定子磁场消失，动压陀螺电机转子5在摩擦力矩的作用下，逐渐降速，直到左止推板3、右止推板8与轴承转子9以及轴承转子9与轴套7的工作面接触摩擦，在摩擦力作用下，动压陀螺电机停止转动。至此，完成一次启停工作。

如此往复①～⑥的工作内容，可以实现在全启停过程中均能满足高启停裕度，在动压陀螺电机工作环节实现低功耗运行，理论上可以使陀螺仪的启停寿命接近无限长。

Claims (7)

1.一种宇航用陀螺仪启停方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、确定相关参数；

所述相关参数包括动压陀螺电机的启动母线高压电压幅值U₁、高压工作时间t_s、动压陀螺电机的工作母线低压电压幅值U、动压陀螺电机工作时的过激脉冲宽度h及过激脉冲间隔时间t；

步骤2、动压陀螺电机启停；

步骤2.1、开启供电开关，定子的母线施加幅值为U₁的交流电压；

步骤2.2、经过高压工作时间t_s之后，定子的母线施加幅值为U的交流电压；

步骤2.3、经过过激脉冲间隔时间t后，定子的母线施加幅值为U₁、宽度为h的过激脉冲；

步骤2.4、经设定个数的过激脉冲之后，动压陀螺电机定子激磁电流降到最低，动压陀螺电机低功耗运行，返回步骤2.3，直至接收停止指令，执行步骤2.5；

步骤2.5、关闭供电开关，完成一次陀螺仪启停工作。

2.根据权利要求1所述的一种宇航用陀螺仪启停方法，其特征在于，步骤1中基于下述方法确定高压工作时间t_s：

基于动压陀螺电机的转子浮起时间t_f确定高压工作时间t_s：

t_s＝2.5×t_f。

3.根据权利要求2所述的一种宇航用陀螺仪启停方法，其特征在于：通过测试动压陀螺电机的摩擦力矩曲线，确定动压陀螺电机的转子浮起时间t_f。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种宇航用陀螺仪启停方法，其特征在于，步骤1中动压陀螺电机的启动母线高压电压幅值U₁满足以下要求：

首先，确保在母线施加幅值为U₁的交流电压时，定子对磁滞材料的磁化，使得磁滞材料的磁场强度达到B_Max，其中B_Max为磁滞材料的最大磁场强度；

其次，确保磁滞材料能够持续维持磁滞材料的最大磁场强度B_Max的时间t_Max大于等于动压陀螺电机的转子浮起时间t_f；

最后，确保在幅值为U₁的启动母线高压电压作用下，定子激磁电流能够满足仪表内部过载电流的要求和启动功耗P_Max的要求。

5.根据权利要求4所述的一种宇航用陀螺仪启停方法，其特征在于：步骤1中动压陀螺电机的工作母线低压电压幅值U满足在该电压下产生的电磁拉力Me能够拖动动压陀螺电机转子，使转子同步，同时，满足使转子同步所需要的时间小于同步时间t₀要求。

6.根据权利要求5所述的一种宇航用陀螺仪启停方法，其特征在于，步骤1中动压陀螺电机工作时的过激脉冲宽度h满足以下要求：

在幅值为U₁的启动母线高压电压工作下，过激脉冲宽度h能够使磁滞材料磁路饱和，磁场强度达到B_Max。

7.根据权利要求6所述的一种宇航用陀螺仪启停方法，其特征在于，步骤1中基于下述方法确定过激脉冲间隔时间t：

过激脉冲间隔时间t为定子母线电压幅值由U₁转换成U后，磁滞材料的磁场强度从B_Max降低到B₀所需要的时间，其中B₀为动压陀螺电机在最小激磁电流I_min作用下需要的磁滞材料的磁场强度。

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