CN117433419A - 机电式陀螺的转子偏转位置检测系统及方法、机电式陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机电式陀螺的转子偏转位置检测系统及方法、机电式陀螺，其基于电磁感应原理，通过在进动线圈的外部再并行绕制一组位置线圈，利用位置线圈来感应陀螺转子内高速旋转的永磁体的空间姿态造成的轴向磁场变化，再取样进动线圈内的电流驱动信号，从位置线圈输出信号中去除进动电流的互感信号，提取得到只受永磁体磁环的空间姿态影响的陀螺位置误差感应信号后，根据陀螺旋转位置产生的基准信号对陀螺位置误差感应信号进行采样，从而得到陀螺转子在直角坐标系内向X、Y两个方向偏转的角度，提供了一种高精度、强实时的陀螺转子偏转位置检测方案，为陀螺进动或者陀螺稳定平台的姿态改变提供输入参数，并且具有安装简单、成本低的优点。

Description

机电式陀螺的转子偏转位置检测系统及方法、机电式陀螺

技术领域

本发明涉及机电式陀螺技术领域，特别地，涉及一种机电式陀螺的转子偏转位置检测系统及方法，另外，还涉及一种采用上述系统的机电式陀螺。

背景技术

具有定轴性和进动性两种特性的机电式陀螺在航空、航天、航海领域发挥着重要作用，应用机电式陀螺时，一般将陀螺定子固定在随动平台内环上，陀螺转子则通过万向支架与定子连接，随动平台可做两自由度的角度偏转运动从而随动陀螺，陀螺转子、陀螺定子和随动平台共同组成一个动力陀螺稳定平台。高速自转的陀螺转子上可以安装光学系统和探测器等高精度测量仪表来探测感兴趣的目标，陀螺转子和随动平台之间的角度误差也可作为惯性导航系统的输入，用于控制陀螺稳定平台以及所在产品的姿态。为驱动陀螺转子起转并维持高速旋转，通常在陀螺转子内安装一个永磁体，在陀螺定子内安装多组旋转线圈，通过给旋转线圈通交流电并按照陀螺转子旋转位置进行电流换相，从而驱动永磁体带动陀螺转子高速旋转，基本原理类似于同步电机。并且，为使陀螺转子上的探测系统主动搜索和跟踪目标，机电式陀螺的驱动控制系统会给陀螺定子上的一组进动线圈通电，使陀螺的自转轴向指定方位偏转，即驱动陀螺进动。而当陀螺进动时，陀螺驱动控制系统需要快速、精准地测量陀螺转子的偏转角度位置，从而驱动随动平台跟随陀螺进动，消除陀螺转子轴和定子轴之间的角度误差，也可为惯性导航系统测量陀螺转子自转轴的指向方位提供输入参数。由于陀螺转子存在进动或者陀螺稳定平台的姿态改变而存在角度偏差，在电机转轴上安装光电编码器、霍尔开关或者旋转变压器检测电机位置并用于电机控制的传统方法则不再适用机电式转子陀螺，故而需要针对机电式陀螺转子的特性设计一种新的偏转位置检测技术。

发明内容

本发明提供了一种机电式陀螺的转子偏转位置检测系统及方法、机电式陀螺，以解决现有技术无法准确检测机电式陀螺的转子偏转位置的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种机电式陀螺的转子偏转位置检测系统，包括：

位置线圈，绕制在进动线圈的外部且与进动线圈位于同一水平面，用于感应进动线圈的电流变化和陀螺转子偏转角度误差导致的磁通量变化，位置线圈的输出信号包括进动电流互感信号和陀螺位置误差感应信号；

信号调理电路，用于去除位置线圈输出信号中耦合的进动电流互感信号，仅输出陀螺位置误差感应信号；

位置检测传感器，分别沿随动平台的两个自由度运动方向安装在陀螺定子上，用于检测陀螺转子的旋转位置并输出两个自由度运动方向上的基准方波信号，其中，随动平台的两个自由度运动方向为直角坐标系的X、Y方向；

信号处理器，用于根据两个基准方波信号的上升沿和下降沿对陀螺位置误差感应信号进行ADC采样保持，并基于采样的信号值换算得到陀螺转子在一个旋转周期内向X、Y两个方向的偏转角度。

进一步地，所述信号调理电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、电容C3、运算放大器N1和运算放大器N2，电阻R1和电阻R2的第一端与进动线圈连接，以接入进动电流取样信号，电阻R2的第二端与电阻R3的第一端、电容C1的第一端连接，电阻R4的第一端与位置线圈连接，以接入位置线圈输出信号，第二端与电容C2的第一端连接，电容C1和电容C2的第二端均与运算放大器N1的反相输入端连接，电阻R5和电容C3的第一端均与运算放大器N1的反相输入端连接，电阻R5和电容C3的第二端均与运算放大器N1的输出端连接，运算放大器N1的输出端与电阻R6的第一端连接，电阻R6的第二端分别与电阻R7的第一端、运算放大器N2的反相输入端连接，电阻R1和电阻R3的第二端、运算放大器N1和运算放大器N2的同相输入端均接地，通过调整电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2的值，使得进动电流取样信号和位置线圈输出信号中耦合的进动电流互感信号在运算放大器N1的输出端相互抵消。

进一步地，电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2的值调整过程为：

在一个静止状态的陀螺样件上给进动线圈输入一路驱动信号，测量并记录位置线圈输出信号与进动电流取样信号之间的互感电压比k、位置线圈输出信号相比于进动电流取样信号的滞后相位然后调整电阻R4和电容C2的值，使位置线圈输出信号经放大滤波后在运算放大器N1输出端的相位延迟为180°、输出输入电压比为A，并调整电阻R2、电阻R3、电容C2的值，使进动电流取样信号经放大滤波后在运算放大器N1输出端的相位延迟为/>输出输入电压比为k×A。

进一步地，陀螺转子的外表面上设置位置反射环，位置反射环包括具有高反射系数的亮面和具有低反射系数的暗面，亮面和暗面的形状均为矩形，且亮面和暗面的分界线与陀螺转子永磁体的N极方向一致或者存在固定夹角，所述位置检测传感器为反射式光耦，两个反射式光耦间隔90°安装在陀螺定子上，且分别与随动平台的两个自由度运动方向一致，当陀螺转子旋转一周时，所述反射式光耦通过检测位置反射环上亮面和暗面的变化，输出一个基准方波信号。

进一步地，当陀螺转子和陀螺定子之间的偏转角度为0°时，反射式光耦发射和反射光线的区域中心应落在位置反射环的中心点。

进一步地，沿X方向设置的位置检测传感器输出的基准方波信号为第一基准方波信号，沿Y方向设置的位置检测传感器输出的基准方波信号为第二基准方波信号，所述信号处理器在第二基准信号的下降沿采样得到的陀螺位置误差感应信号值反映了陀螺转子向X轴正向偏转的角度，在第二基准信号的上升沿采样得到的陀螺位置误差感应信号值反映了陀螺转子向X轴负向偏转的角度，在第一基准信号的下降沿采样得到的陀螺位置误差感应信号值反映了陀螺转子向Y轴正向偏转的角度，在第一基准信号的上升沿采样得到的陀螺位置误差感应信号值反映了陀螺转子向Y轴负向偏转的角度，将反映向X轴正向偏转角度和向X轴负向偏转角度的两个信号值相减后除以二，再乘以转换系数，得到陀螺转子向X轴方向的偏转角度，将反映向Y轴正向偏转角度和向Y轴负向偏转角度的两个信号值相减后除以二，再乘以平均转换系数，得到陀螺转子向Y轴方向的偏转角度。

进一步地，将随动平台锁定在零位不动，驱动陀螺转子跟踪目标，使陀螺转子自转轴始终指向目标方位，通过目标模拟器运动提供一个标准角度，使得目标相对于陀螺偏转中心点，从零位向X轴正向偏转标准角度，陀螺跟踪目标到位后，采样得到对应的陀螺位置误差感应信号值，并计算得到信号值与标准角度之间的转换系数，重复上述过程，分别将偏转方向变更为X轴负向、Y轴正向和Y轴负向，并分别计算得到信号值与标准角度之间的转换系数，再取四个转换系数的均值作为平均转换系数。

进一步地，所述进动线圈和位置线圈位于陀螺转子永磁体的磁环内或者磁环外。

另外，本发明还提供一种机电式陀螺的转子偏转位置检测方法，采用如上所述的转子偏转位置检测系统，包括以下内容：

在进动线圈的外部绕制一组位置线圈，且位置线圈与进动线圈位于同一水平面；

去除位置线圈输出信号中耦合的进动电流互感信号，仅输出陀螺位置误差感应信号；

分别沿随动平台的两个自由度运动方向在陀螺定子上安装位置检测传感器；

根据两个位置检测传感器输出的基准方波信号的上升沿和下降沿对陀螺位置误差感应信号进行ADC采样保持，并基于采样的信号值换算得到陀螺转子在一个旋转周期内向X、Y两个方向的偏转角度。

另外，本发明还提供一种机电式陀螺，采用如上所述的转子偏转位置检测系统。

本发明具有以下效果：

本发明的机电式陀螺的转子偏转位置检测系统，针对陀螺转子高速旋转和快速进动的运动特性，利用了陀螺转子内现成的永磁体，通过在进动线圈外增加一组位置线圈来感应陀螺转子偏转角度造成的磁场变化和进动线圈内的交流电流变化，再利用信号调理电路对位置线圈的输出信号进行处理，去除掉位置线圈输出信号中耦合的进动电流互感信号，仅输出陀螺位置误差感应信号，然后通过在陀螺定子上沿随动平台的两个自由度运动方向分别安装位置检测传感器来检测陀螺转子的旋转位置，以输出两个自由度方向上的基准方波信号，最后，根据两个基准方波信号的上升沿和下降沿对陀螺位置误差感应信号进行ADC采样保持，即可基于采样的信号值换算得到陀螺转子在一个旋转周期内向X、Y两个方向的偏转角度。本发明基于电磁感应原理，通过在进动线圈的外部再并行绕制一组位置线圈，利用位置线圈来感应陀螺转子内高速旋转的永磁体的空间姿态造成的轴向磁场变化，再取样进动线圈内的电流驱动信号，从位置线圈输出信号中去除进动电流的互感信号，提取得到只受永磁体磁环的空间姿态影响的陀螺位置误差感应信号后，根据陀螺旋转位置产生的基准信号对陀螺位置误差感应信号进行采样，从而得到陀螺转子在直角坐标系内向X、Y两个方向偏转的角度，提供了一种高精度、强实时的陀螺转子偏转位置检测方案，为陀螺进动或者陀螺稳定平台的姿态改变提供输入参数，并且具有安装简单、成本低的优点。

另外，本发明的机电式陀螺的转子偏转位置检测方法、机电式陀螺转子同样具有上述优点。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的机电式陀螺的转子偏转位置检测系统的模块结构示意图。

图2是本发明优选实施例中在进动线圈外部并行绕制一圈位置线圈，且进动线圈和位置线圈位于永磁体磁环外的主视结构示意图。

图3是本发明优选实施例中在进动线圈外部并行绕制一圈位置线圈，且进动线圈和位置线圈位于永磁体磁环外的俯视结构示意图。

图4是本发明优选实施例中在进动线圈外部并行绕制一圈位置线圈，且进动线圈和位置线圈位于永磁体磁环内的主视结构示意图。

图5是本发明优选实施例中在进动线圈外部并行绕制一圈位置线圈，且进动线圈和位置线圈位于永磁体磁环内的俯视结构示意图。

图6是本发明优选实施例的信号调理电路的电路原理示意图。

图7是本发明优选实施例中假设陀螺转子向X轴正向偏转，从斜上方观察永磁体、进动线圈、位置线圈所在水平面的示意图。

图8是本发明优选实施例中陀螺转子跟踪目标向X轴正向偏转的示意图。

图9是本发明优选实施例中在陀螺转子的外表面上设置位置反射环的示意图。

图10是本发明优选实施例中在陀螺定子上间隔90°安装两个反射式光耦的示意图。

图11是本发明优选实施例中反射式光耦对准位置反射环的中心点的示意图。

图12是本发明另一实施例的机电式陀螺的转子偏转位置检测方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。

可以理解，如图1所示，本发明的优选实施例提供一种机电式陀螺的转子偏转位置检测系统，包括位置线圈、信号调理电路、位置检测传感器和信号处理器，所述信号调理电路分别与位置线圈和信号处理器电性连接，所述位置检测传感器与信号处理器电性连接。其中，所述位置线圈绕制在进动线圈的外部且与进动线圈位于同一水平面，用于感应进动线圈的电流变化和陀螺转子偏转角度误差导致的磁通量变化，位置线圈的输出信号包括进动电流互感信号和陀螺位置误差感应信号；所述信号调理电路用于去除位置线圈输出信号中耦合的进动电流互感信号，仅输出陀螺位置误差感应信号；所述位置检测传感器分别沿随动平台的两个自由度运动方向安装在陀螺定子上，用于检测陀螺转子的旋转位置并输出两个自由度运动方向上的基准方波信号，其中，随动平台的两个自由度运动方向为直角坐标系的X、Y方向；所述信号处理器则用于根据两个基准方波信号的上升沿和下降沿对陀螺位置误差感应信号进行ADC采样保持，并基于采样的信号值换算得到陀螺转子在一个旋转周期内向X、Y两个方向的偏转角度。

可以理解，本实施例的机电式陀螺的转子偏转位置检测系统，针对陀螺转子高速旋转和快速进动的运动特性，利用了陀螺转子内现成的永磁体，通过在进动线圈外增加一组位置线圈来感应陀螺转子偏转角度造成的磁场变化和进动线圈内的交流电流变化，再利用信号调理电路对位置线圈的输出信号进行处理，去除掉位置线圈输出信号中耦合的进动电流互感信号，仅输出陀螺位置误差感应信号，然后通过在陀螺定子上沿随动平台的两个自由度运动方向分别安装位置检测传感器来检测陀螺转子的旋转位置，以输出两个自由度方向上的基准方波信号，最后，根据两个基准方波信号的上升沿和下降沿对陀螺位置误差感应信号进行ADC采样保持，即可基于采样的信号值换算得到陀螺转子在一个旋转周期内向X、Y两个方向的偏转角度。本发明基于电磁感应原理，通过在进动线圈的外部再并行绕制一组位置线圈，利用位置线圈来感应陀螺转子内高速旋转的永磁体的空间姿态造成的轴向磁场变化，再取样进动线圈内的电流驱动信号，从位置线圈输出信号中去除进动电流的互感信号，提取得到只受永磁体磁环的空间姿态影响的陀螺位置误差感应信号后，根据陀螺旋转位置产生的基准信号对陀螺位置误差感应信号进行采样，从而得到陀螺转子在直角坐标系内向X、Y两个方向偏转的角度，提供了一种高精度、强实时的陀螺转子偏转位置检测方案，为陀螺进动或者陀螺稳定平台的姿态改变提供输入参数，并且具有安装简单、成本低的优点。

其中，所述进动线圈和位置线圈位于陀螺转子永磁体的磁环外。具体地，如图2和图3所示，陀螺定子外径表面绕制一组进动线圈，进动线圈与陀螺转子内的永磁体磁环在同一个水平面，陀螺驱动控制系统给该组进动线圈内输入与陀螺旋转频率同频的交流电流，可使陀螺转子向一个指定方向偏转，从而驱动陀螺进动。本发明在进动线圈的外部再绕制一组位置线圈，与进动线圈、永磁体磁环位于同一水平面，该位置线圈的输出信号来自电磁感应，其输出信号由两部分组成：一是进动线圈内的交流电流在位置线圈上产生的互感信号；二是陀螺转子内的永磁体在高速旋转时，因陀螺转子偏转角度误差而导致的轴向磁通量变化在位置线圈上产生的感应电流。后续可通过信号调理电路对位置线圈的输出信号进行处理，提取其中受陀螺转子偏转角度误差影响的感应电流信号，经过放大、滤波、采样后，可以计算陀螺转子的偏转角度。另外，旋转线圈产生的磁场主要为径向方向，位于进动线圈、位置线圈、永磁体所在的水平面内，因此，旋转驱动电流变化导致的磁场变化对位置线圈输出信号基本无影响，可忽略不计。

可选地，如图4和图5所示，所述进动线圈和位置线圈还可以位于陀螺转子永磁体的磁环外，陀螺定子上的进动线圈、位置线圈和陀螺转子内的永磁体磁环在同一水平面，围绕陀螺定子上线圈安装部位的外径绕制一组进动线圈，然后在进动线圈外部再绕制一组位置线圈，位置线圈通过电磁感应，感应进动电流变化以及陀螺转子偏转角度误差导致的磁通量变化，工作原理与上述内容相同，在此不再赘述。

可以理解，由于位置线圈的输出信号受陀螺进动影响，不能直接用于测量陀螺转子的偏转角度误差，故而需要通过信号调理电路去除耦合在位置线圈输出信号中的进动电流互感信号，只保留陀螺位置误差感应信号输出。具体地，如图6所示，所述信号调理电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、电容C3、运算放大器N1和运算放大器N2，电阻R1和电阻R2的第一端与进动线圈连接，以接入进动电流取样信号，电阻R2的第二端与电阻R3的第一端、电容C1的第一端连接，电阻R4的第一端与位置线圈连接，以接入位置线圈输出信号，位置线圈的另一端接地，第二端与电容C2的第一端连接，电容C1和电容C2的第二端均与运算放大器N1的反相输入端连接，电阻R5和电容C3的第一端均与运算放大器N1的反相输入端连接，电阻R5和电容C3的第二端均与运算放大器N1的输出端连接，运算放大器N1的输出端与电阻R6的第一端连接，电阻R6的第二端分别与电阻R7的第一端、运算放大器N2的反相输入端连接，电阻R1和电阻R3的第二端、运算放大器N1和运算放大器N2的同相输入端均接地，通过调整电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2的值，使得进动电流取样信号和位置线圈输出信号中耦合的进动电流互感信号在运算放大器N1的输出端相互抵消。其中，电阻R1为取样电阻，其通常选用阻值为1欧～2欧的低阻抗、高精度电阻器，取样电阻R1上的电压信号反映了进动电流变化。另外，进动电流取样信号和位置线圈输出信号必须是与陀螺旋转频率同频的交流信号，在陀螺转子的设计实例中，该频率通常为125Hz或100Hz。并且，信号调理电路的工作中心频率应设置与陀螺旋转频率一致，例如125Hz，以滤除其它频率的干扰。

其中，信号调理电路中电阻值和电容值需根据加工好的机电式陀螺的实测数据进行调整。具体地，电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2的值调整过程为：

在一个静止状态的陀螺样件上给进动线圈输入一路驱动信号，测量并记录位置线圈输出信号与进动电流取样信号之间的互感电压比k、位置线圈输出信号相比于进动电流取样信号的滞后相位然后调整电阻R4和电容C2的值，使位置线圈输出信号经放大滤波后在运算放大器N1输出端的相位延迟为180°、输出输入电压比为A，并调整电阻R2、电阻R3、电容C2的值，使进动电流取样信号经放大滤波后在运算放大器N1输出端的相位延迟为/>输出输入电压比为k×A。

可以理解，在本发明的一具体实例中，在一个静止状态的陀螺样件上，给进动线圈输入一路频率125Hz、幅值5V的正弦信号，用示波器测量并记录位置线圈输出信号与进动电流取样信号之间的相互关系，包括互感电压比k和位置线圈输出信号相比于进动电流取样信号的滞后相位其中，k＝U₂/U₁，/>U₂和U₁分别表示位置线圈输出信号和进动电流取样信号的波峰幅值，t₂表示位置线圈输出信号的一个波峰时刻，t₁表示进动电流取样信号中与t₂最近的一个波峰时刻，T表示位置线圈输出信号和进动电流取样信号的周期，由输入正弦信号的频率决定，例如，T＝1/125Hz＝8.5ms，k表示互感电压比，主要受进动线圈和位置线圈的匝数比影响，/>表示位置线圈输出信号滞后进动电流取样信号的相位，单位为角度，通常为90°左右，实测在90°±10°范围内。在根据k和/>的实际测量数据，调整电阻R4和电容C2的值，使位置线圈输出信号经放大滤波后在运算放大器N1输出端的相位延迟为180°、输出输入电压比为A，调整电阻R2、电阻R3、电容C2的值，使进动电流取样信号经放大滤波后在运算放大器N1输出端的相位延迟为/>输出输入电压比为k×A，从而使得进动电流取样信号和位置线圈输出信号中耦合的进动电流互感信号在运算放大器N1的输出端相互抵消。因此，运算放大器N1的输出端只剩下陀螺转子偏转角度误差导致的感应电流经过放大滤波的信号，运算放大器N2所在的反相比例放大电路使该信号再次反相，从而输出陀螺位置误差感应信号。

另外，还可以调整电阻R6和电阻R7的值，使最终输出的陀螺位置误差感应信号在陀螺转子偏转角度最大时的波峰小于10v但接近10v，从而连接输入电压范围为±10v的ADC采样芯片。当然，如果选型其它输入电压范围的ADC采样芯片，也可以再调整电阻R6和电阻R7的值，使陀螺位置误差感应信号电压与ADC采样电压范围相匹配。

可以理解，信号调理电路输出的陀螺位置误差感应信号只受陀螺转子偏转角度影响，是一个与转子旋转频率同频的交流信号，故而需要获取检测陀螺转子旋转位置的基准信号，以便于计算陀螺转子向X轴和Y轴的偏转角度。具体地，根据随动平台的两个自由度运动方向建立XY直角坐标系，为了控制陀螺旋转，在陀螺定子上安装了检测陀螺转子旋转位置的两个位置检测传感器，两个位置检测传感器分别设置在X轴方向和Y轴方向上，两个位置检测传感器可以输出两路基准方波信号，基于两路基准方波信号可以检测陀螺转子的旋转位置。其中，沿X轴方向设置的位置检测传感器输出的基准方波信号为第一基准方波信号，沿Y轴方向设置的位置检测传感器输出的基准方波信号为第二基准方波信号。

例如，假设陀螺转子向X轴正向偏转，从斜上方观察永磁体、进动线圈、位置线圈所在水平面的示意图如图7所示，图中描述了陀螺转子的四个旋转位置，分别对应基准2下降沿、基准1下降沿、基准2上升沿和基准1上升沿四个基准点，与X、Y坐标方向对应，其中，俯视时陀螺顺时针旋转，基准2表示第二基准方波信号，基准1表示第一基准方波信号。转子永磁体在基准2下降沿、基准2上升沿时与位置线圈位于同一水平面，转子永磁体N极在基准1下降沿时向水平面下方偏转，转子永磁体N极在基准1上升沿时向水平面上方偏转。根据电磁感应定律，在基准1下降沿时，位置线圈内磁通量最大而磁通量变化率为0，位置线圈上感应电动势为0；在基准2下降沿时，位置线圈内磁通量为0而磁通量变化率最大，位置线圈上感应电动势最大且为正极性，从而产生N极朝向水平面上方的感应磁场来阻碍磁通量变化。

因此，所述信号处理器应在基准2的下降沿、基准1的下降沿、基准2的上升沿、基准1的上升沿发生时对陀螺位置误差感应信号进行ADC采样保持，从而采样得到在直角坐标系内分解的陀螺位置误差感应信号，以便于计算陀螺转子向X方向和Y方向的偏转角度。其中，所述信号处理器在第二基准信号的下降沿采样得到的陀螺位置误差感应信号值反映了陀螺转子向X轴正向偏转的角度，在第二基准信号的上升沿采样得到的陀螺位置误差感应信号值反映了陀螺转子向X轴负向偏转的角度，在第一基准信号的下降沿采样得到的陀螺位置误差感应信号值反映了陀螺转子向Y轴正向偏转的角度，在第一基准信号的上升沿采样得到的陀螺位置误差感应信号值反映了陀螺转子向Y轴负向偏转的角度，将反映向X轴正向偏转角度和向X轴负向偏转角度的两个信号值相减后除以二，再乘以转换系数，得到陀螺转子向X轴方向的偏转角度，将反映向Y轴正向偏转角度和向Y轴负向偏转角度的两个信号值相减后除以二，再乘以平均转换系数，得到陀螺转子向Y轴方向的偏转角度。

可以理解，陀螺位置误差感应信号的采样值跟陀螺转子偏转角度之间的换算应通过实物测试得到转换系数，建立换算关系后才能用于控制。因此，本发明还提出了一种利用陀螺转子内部集成的光学系统和探测器完成换算校准的方案，校准过程为：

将随动平台锁定在零位不动，驱动陀螺转子跟踪目标，使陀螺转子自转轴始终指向目标方位，通过目标模拟器运动提供一个标准角度，使得目标相对于陀螺偏转中心点，从零位向X轴正向偏转标准角度，陀螺跟踪目标到位后，采样得到对应的陀螺位置误差感应信号值，并计算得到信号值与标准角度之间的转换系数，重复上述过程，分别将偏转方向变更为X轴负向、Y轴正向和Y轴负向，并分别计算得到信号值与标准角度之间的转换系数，再取四个转换系数的均值作为平均转换系数。

具体地，陀螺驱动控制系统将随动平台锁定在零位不动，驱动陀螺转子跟踪目标，使陀螺转子自转轴始终指向目标方位，外部通过目标模拟器运动提供一个高精度的标准角度，使得目标相对于陀螺偏转中心点，从零位向X轴正向偏转标准角度θ，例如标准角度θ设定为1°、2°、3°、4°、5°等，精度控制在±0.01°，陀螺跟踪目标到位后，陀螺转子自转轴也向X轴正向偏转了一个角度θ，如图8所示。读取对应的陀螺位置误差感应信号采样值，记录采样值和偏转角度，并计算采样值到偏转角度的转换系数。重复上述过程，将偏转方向依次变更为Y轴正向、X轴负向和Y轴负向，并分别计算采样值到偏转角度的转换系数。理论上，四次计算得到的转换系数应相等，考虑到误差影响，故而取四个转换系数的均值作为平均转换系数。

其中，所述位置检测传感器可以采用光电传感器或者基准线圈。在本发明中，优选采用反射式光耦。作为优选的，陀螺转子的外表面上设置位置反射环，位置反射环包括具有高反射系数的亮面和具有低反射系数的暗面，亮面和暗面的形状均为矩形，且亮面和暗面的分界线与陀螺转子永磁体的N极方向一致或者存在固定夹角，所述位置检测传感器为反射式光耦，两个反射式光耦间隔90°安装在陀螺定子上，且分别与随动平台的两个自由度运动方向一致，当陀螺转子旋转一周时，所述反射式光耦通过检测位置反射环上亮面和暗面的变化，输出一个基准方波信号。

可以理解，如图9所示，在陀螺转子的外表面上沿周向加工出一圈位置反射环，所述位置反射环通过镀膜和表面毛化的处理方式分为亮面和暗面两种不同的反射区域，其中，亮面具有高反射特性，而暗面具有低反射特性。可选地，亮面的反射系数大于90％，暗面的反射系数小于10％。位置反射环的一半为亮面，另一半为暗面，亮面和暗面的形状均为矩形，且亮面和暗面的分界线与陀螺转子永磁体的N极方向一致或者存在固定夹角。如图10所示，在陀螺定子上间隔90°安装两个反射式光耦，两个反射式光耦分别沿X轴方向和Y轴方向。当陀螺转子旋转一周时，由于位置反射环的亮面和暗面变化，会分别发生一次由暗到亮、再由亮到暗的变化，因此，每个反射式光耦的输出信号为包括一个上升沿和一个下降沿的方波基准信号，从而可以检测陀螺转子的旋转位置。当然，在本发明的其它实施例中，还可以采用滞回比较器和反相器对反射式光耦的输出信号进行整形滤波处理，以保证方波基准信号的准确性。

可以理解，本发明通过在陀螺转子的外表面上设计由亮面和暗面组成的位置反射环，然后在陀螺定子上间隔90°安装两个反射式光耦，以在陀螺转子旋转和进动过程中检测位置反射环上亮面和暗面的变化，根据位置反射环上亮面和暗面的变化得到陀螺转子的旋转位置，即使陀螺转子和陀螺定子间的偏转角度变化时，仍然能准确测量陀螺转子的旋转位置，为陀螺转子偏转角度计算提供了关键输入信号，并且具有安装简单、占用体积小、不受电磁干扰影响、测量精度高的优点。

另外，为了保证反射式光耦工作正常，在陀螺转子旋转和进动过程中，应保证反射式光耦与位置反射环表面的距离始终保持在一定范围内，例如1mm～5mm(具体根据光耦器件参数确定)。可选地，当陀螺转子和陀螺定子之间的偏转角度为0°时，反射式光耦发射和反射光线的区域中心应落在位置反射环的中心点，如图11所示，从而保证当陀螺转子和陀螺定子间的角度发生偏转后，反射式光耦发射和反射光线的区域始终落在位置反射环内，以保证陀螺转子旋转位置检测的准确性。另外，当转子陀螺上安装了光学探测系统时，反射式光耦的发射光线波长应避开光学探测系统的有效波长范围，例如，针对中红外探测系统，选择发射940nm红外光的反射式光耦，即与红外遥控器的发射器同波长；而当转子陀螺未安装光学探测系统时，也可以选择发射其他波长的反射式光耦，可以降低器件选型难度和成本。

另外，如图12所示，本发明的另一实施例还提供一种机电式陀螺的转子偏转位置检测方法，优选采用如上所述的转子偏转位置检测系统，包括以下内容：

步骤S1：在进动线圈的外部绕制一组位置线圈，且位置线圈与进动线圈位于同一水平面；

步骤S2：去除位置线圈输出信号中耦合的进动电流互感信号，仅输出陀螺位置误差感应信号；

步骤S3：分别沿随动平台的两个自由度运动方向在陀螺定子上安装位置检测传感器；

步骤S4：根据两个位置检测传感器输出的基准方波信号的上升沿和下降沿对陀螺位置误差感应信号进行ADC采样保持，并基于采样的信号值换算得到陀螺转子在一个旋转周期内向X、Y两个方向的偏转角度。

可以理解，本实施例的机电式陀螺的转子偏转位置检测方法，针对陀螺转子高速旋转和快速进动的运动特性，利用了陀螺转子内现成的永磁体，通过在进动线圈外增加一组位置线圈来感应陀螺转子偏转角度造成的磁场变化和进动线圈内的交流电流变化，再利用信号调理电路对位置线圈的输出信号进行处理，去除掉位置线圈输出信号中耦合的进动电流互感信号，仅输出陀螺位置误差感应信号，然后通过在陀螺定子上沿随动平台的两个自由度运动方向分别安装位置检测传感器来检测陀螺转子的旋转位置，以输出两个自由度方向上的基准方波信号，最后，根据两个基准方波信号的上升沿和下降沿对陀螺位置误差感应信号进行ADC采样保持，即可基于采样的信号值换算得到陀螺转子在一个旋转周期内向X、Y两个方向的偏转角度。本发明基于电磁感应原理，通过在进动线圈的外部再并行绕制一组位置线圈，利用位置线圈来感应陀螺转子内高速旋转的永磁体的空间姿态造成的轴向磁场变化，再取样进动线圈内的电流驱动信号，从位置线圈输出信号中去除进动电流的互感信号，提取得到只受永磁体磁环的空间姿态影响的陀螺位置误差感应信号后，根据陀螺旋转位置产生的基准信号对陀螺位置误差感应信号进行采样，从而得到陀螺转子在直角坐标系内向X、Y两个方向偏转的角度，提供了一种高精度、强实时的陀螺转子偏转位置检测方案，为陀螺进动或者陀螺稳定平台的姿态改变提供输入参数，并且具有安装简单、成本低的优点。

另外，本发明的另一实施例还提供一种机电式陀螺，优选采用如上所述的转子偏转位置检测系统。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种机电式陀螺的转子偏转位置检测系统，其特征在于，包括：

位置线圈，绕制在进动线圈的外部且与进动线圈位于同一水平面，用于感应进动线圈的电流变化和陀螺转子偏转角度误差导致的磁通量变化，位置线圈的输出信号包括进动电流互感信号和陀螺位置误差感应信号；

信号调理电路，用于去除位置线圈输出信号中耦合的进动电流互感信号，仅输出陀螺位置误差感应信号；

位置检测传感器，分别沿随动平台的两个自由度运动方向安装在陀螺定子上，用于检测陀螺转子的旋转位置并输出两个自由度运动方向上的基准方波信号，其中，随动平台的两个自由度运动方向为直角坐标系的X、Y方向；

信号处理器，用于根据两个基准方波信号的上升沿和下降沿对陀螺位置误差感应信号进行ADC采样保持，并基于采样的信号值换算得到陀螺转子在一个旋转周期内向X、Y两个方向的偏转角度。

2.如权利要求1所述的机电式陀螺的转子偏转位置检测系统，其特征在于，所述信号调理电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、电容C3、运算放大器N1和运算放大器N2，电阻R1和电阻R2的第一端与进动线圈连接，以接入进动电流取样信号，电阻R2的第二端与电阻R3的第一端、电容C1的第一端连接，电阻R4的第一端与位置线圈连接，以接入位置线圈输出信号，第二端与电容C2的第一端连接，电容C1和电容C2的第二端均与运算放大器N1的反相输入端连接，电阻R5和电容C3的第一端均与运算放大器N1的反相输入端连接，电阻R5和电容C3的第二端均与运算放大器N1的输出端连接，运算放大器N1的输出端与电阻R6的第一端连接，电阻R6的第二端分别与电阻R7的第一端、运算放大器N2的反相输入端连接，电阻R1和电阻R3的第二端、运算放大器N1和运算放大器N2的同相输入端均接地，通过调整电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2的值，使得进动电流取样信号和位置线圈输出信号中耦合的进动电流互感信号在运算放大器N1的输出端相互抵消。

3.如权利要求2所述的机电式陀螺的转子偏转位置检测系统，其特征在于，电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和电容C2的值调整过程为：

在一个静止状态的陀螺样件上给进动线圈输入一路驱动信号，测量并记录位置线圈输出信号与进动电流取样信号之间的互感电压比k、位置线圈输出信号相比于进动电流取样信号的滞后相位然后调整电阻R4和电容C2的值，使位置线圈输出信号经放大滤波后在运算放大器N1输出端的相位延迟为180°、输出输入电压比为A，并调整电阻R2、电阻R3、电容C2的值，使进动电流取样信号经放大滤波后在运算放大器N1输出端的相位延迟为/>输出输入电压比为k×A。

4.如权利要求1所述的机电式陀螺的转子偏转位置检测系统，其特征在于，陀螺转子的外表面上设置位置反射环，位置反射环包括具有高反射系数的亮面和具有低反射系数的暗面，亮面和暗面的形状均为矩形，且亮面和暗面的分界线与陀螺转子永磁体的N极方向一致或者存在固定夹角，所述位置检测传感器为反射式光耦，两个反射式光耦间隔90°安装在陀螺定子上，且分别与随动平台的两个自由度运动方向一致，当陀螺转子旋转一周时，所述反射式光耦通过检测位置反射环上亮面和暗面的变化，输出一个基准方波信号。

5.如权利要求4所述的机电式陀螺的转子偏转位置检测系统，其特征在于，当陀螺转子和陀螺定子之间的偏转角度为0°时，反射式光耦发射和反射光线的区域中心应落在位置反射环的中心点。

6.如权利要求1所述的机电式陀螺的转子偏转位置检测系统，其特征在于，沿X方向设置的位置检测传感器输出的基准方波信号为第一基准方波信号，沿Y方向设置的位置检测传感器输出的基准方波信号为第二基准方波信号，所述信号处理器在第二基准信号的下降沿采样得到的陀螺位置误差感应信号值反映了陀螺转子向X轴正向偏转的角度，在第二基准信号的上升沿采样得到的陀螺位置误差感应信号值反映了陀螺转子向X轴负向偏转的角度，在第一基准信号的下降沿采样得到的陀螺位置误差感应信号值反映了陀螺转子向Y轴正向偏转的角度，在第一基准信号的上升沿采样得到的陀螺位置误差感应信号值反映了陀螺转子向Y轴负向偏转的角度，将反映向X轴正向偏转角度和向X轴负向偏转角度的两个信号值相减后除以二，再乘以转换系数，得到陀螺转子向X轴方向的偏转角度，将反映向Y轴正向偏转角度和向Y轴负向偏转角度的两个信号值相减后除以二，再乘以平均转换系数，得到陀螺转子向Y轴方向的偏转角度。

7.如权利要求6所述的机电式陀螺的转子偏转位置检测系统，其特征在于，将随动平台锁定在零位不动，驱动陀螺转子跟踪目标，使陀螺转子自转轴始终指向目标方位，通过目标模拟器运动提供一个标准角度，使得目标相对于陀螺偏转中心点，从零位向X轴正向偏转标准角度，陀螺跟踪目标到位后，采样得到对应的陀螺位置误差感应信号值，并计算得到信号值与标准角度之间的转换系数，重复上述过程，分别将偏转方向变更为X轴负向、Y轴正向和Y轴负向，并分别计算得到信号值与标准角度之间的转换系数，再取四个转换系数的均值作为平均转换系数。

8.如权利要求1所述的机电式陀螺的转子偏转位置检测系统，其特征在于，所述进动线圈和位置线圈位于陀螺转子永磁体的磁环内或者磁环外。

9.一种机电式陀螺的转子偏转位置检测方法，采用如权利要求1～8任一项所述的转子偏转位置检测系统，其特征在于，包括以下内容：

在进动线圈的外部绕制一组位置线圈，且位置线圈与进动线圈位于同一水平面；

去除位置线圈输出信号中耦合的进动电流互感信号，仅输出陀螺位置误差感应信号；

分别沿随动平台的两个自由度运动方向在陀螺定子上安装位置检测传感器；

根据两个位置检测传感器输出的基准方波信号的上升沿和下降沿对陀螺位置误差感应信号进行ADC采样保持，并基于采样的信号值换算得到陀螺转子在一个旋转周期内向X、Y两个方向的偏转角度。

10.一种机电式陀螺，其特征在于，采用如权利要求1～8任一项所述的转子偏转位置检测系统。