JPS6316969Y2

JPS6316969Y2 -

Info

Publication number: JPS6316969Y2
Application number: JP1986071344U
Authority: JP
Priority date: 1978-01-16
Filing date: 1986-05-14
Publication date: 1988-05-13
Also published as: JPS5498468A; US4255979A; IL56223A; GB2012998B; NO150456B; CA1098738A; SE7900342L; GB2012998A; FR2414716B1; SE447509B; NO790106L; DE2901503A1; JPS61205018U; DE2901503C2; NO150456C; FR2414716A1

Description

【考案の詳細な説明】本考案は乾式の２軸同調ジヤイロの制御に関す
る。一般に、同調ジヤイロとは、２軸を自在継手
で支持するジンバルを用いる２つの自由度をもつ
ジヤイロをいう。この種のジヤイロでは、ジンバ
ルの慣性は、与えられた回転速度における自在継
手の正方向のばねトルクを打ち消すような負のば
ねトルクを発生する。一般にこのジヤイロの同調
は、通常の動作速度において負の慣性トルクが正
のばねトルクと等しくなるように、ジンバルに慣
性おもりを付加することによつて行なわれる。こ
こで正のばねトルクとはロータの変位角に比例し
て増加するトルクであり、変位角をゼロに近付け
るようにする働きをする。一方、負のばねトルク
もロータの変位角に比例して増加するトルクであ
るが、逆に変位角をゼロから離そうとする働きを
する。

２軸ジヤイロは一般にジヤイロスコープと呼ば
れており、互いに90゜離れたＸ軸とＹ軸を有する。
ジヤイロスコープのロータは各軸に関して傾くこ
とができる。ジンバルのダンピングに液体を用い
るものを湿式ジヤイロ、それ以外のものを乾式ジ
ヤイロという。本考案は乾式のジヤイロの制御に
関するものである。

本考案による制御は「レート捕獲」と呼ばれる
方法を用いている。

ジヤイロに傾きの“レート”（即ち、傾き率）
を入力するとトルクが発生し、ジヤイロにトルク
を入力すると傾きの“レート”が発生する。即
ち、ジヤイロはレート・トルク変換器であり、ま
た、トルク・レート変換器でもある。角速度を入
力すれば出力トルクが得られることになる。２軸
ジヤイロは３つのジンバルを有する。このジヤイ
ロは互いに90゜離れた２つの入力軸を有する。こ
の２つの入力軸はまた、ロータのスピン軸に直交
する平面内に位置することになる。ロータをこの
２つの入力軸から傾かないようにするために、一
般に２つの「レート捕獲」ループ回路が設けられ
る。このループは、あたかもロータを“捕獲”し
たかのように動作しロータが傾くのを妨げるので
ある。ジヤイロは２つの機能要素を有するものと
考えることができる。即ち、ロータの傾斜変位を
検出するピツクオフと、ロータの位置決めをする
トルカコイルである。捕獲ループの目的は、ジヤ
イロを搭載した車輌の運動によつて入力軸にレー
ト変化が発生したとき、これを検出してピツクオ
フの出力電圧を零に保つようにすることである。
ジヤイロはその性質上、慣性系において常に定常
状態を保とうとする。従つて運動中の車輌から見
れば、この運動に応じてあたかもロータが傾斜す
るように見える。ジヤイロピツクオフはロータと
車輌の特定軸との間の角度を検出し、この角度が
増加するとこれに比例してピツクオフの出力電圧
も増加する。出力電圧の符号は傾き方向を示す。
このピツクオフ出力電圧はジヤイロの捕獲ループ
を介して電流に変換されトルカコイルに与えられ
る。これによりピツクオフの出力電圧が零になる
ようにロータの角度が調整される。結局ピツクオ
フの出力電圧を零にするように維持することは、
車輌の特定軸とロータの回転軸との角度を一定に
保つことになる。このジヤイロの捕獲ループにお
いて重要な値は、トルカコイルに与えられる電流
の大きさと極性である。電流の大きさは車輌の運
動に基づいて発生した入力軸に関するレートに直
接比例した量であり、極性はこのレートの方向を
示すものである。従つてレート捕獲ループはロー
タが傾くのを妨げるとともに、ピツクオフの出力
電圧から傾き量の測定を行なうこともできる。

米国特許第3354726号には浮揚流体およびそれ
に関連する欠点のない２軸装置が開示されてい
る。上述のようなレート捕獲ループでは、傾き角
の大きさおよび方向の正確な取扱いが必要にな
る。捕獲ループの出力段においては前述のように
ジヤイロトルカに与える電流が供給される。これ
までの捕獲ループでは、この電流を非常に高精度
の電流検出用抵抗で計測し、電流を電圧に変換
し、この変換電圧を高精度のアナログ−デイジタ
ル（Ａ／Ｄ）変換器でデジタル化し、このデジタ
ル信号に基づく電流をトルカに与えて制御を行な
つていた。ところがこのようなＡ／Ｄ変換器を捕
獲ループの他に設けることはジヤイロ全体のコス
トを高くすることになる。このＡ／Ｄ変換器が不
必要となればジヤイロの費用が低減する。そこで
本考案はＡ／Ｄ変換器が不要なジヤイロ制御装置
を提供することを目的とする。

本考案はレート捕獲ループ制御装置を有する乾
式同調２自由度ジヤイロを開示するものである。
この構成は、ジヤイロが定電流源を用いてのパル
ス周波数でトルクを与えられるからアナログ−デ
イジタル変換器を必要としない。２個のジヤイロ
入力軸の変化はＸ，Ｙピツクオフにより検出され
る。これら信号は増幅されそしてＸおよびＹチヤ
ンネルにおいて復調される。ＸおよびＹ復調器か
らのこれら信号はフイルタを通されて整形回路に
加えられる。これらフイルタの出力はまたクロス
チヤンネル減衰回路にも加えられて誤差信号の電
子的な減衰を行なう。クロスチヤンネル減衰回路
と整形回路の出力はＸおよびＹ比較器に加えられ
る。これら比較器は他方において斜波発生器信号
を入力信号としている。比較器の出力においてそ
れらの入力からの信号の和を表わす信号がパルス
幅変調された信号となり、これが論理回路を通じ
て正から負のトルク電流の切換えを与える。

このような構成の制御装置をパルス再平衡レー
ト捕獲ループ制御方式による制御装置と呼ぶこと
にする。

第１図は本考案の２軸乾式同調ジヤイロのパル
ス再平衡レート捕獲ループ制御方式のブロツク図
である。このジヤイロは車輌に搭載され、車輌の
運動状態の測定に利用される。即ち、この２軸ジ
ヤイロを２組用意して車輌に搭載することによ
り、この車輌の４方向（ジヤイロの４軸に相当）
に関する移動レートを測定することができる。実
際には三次元空間においては独立した３方向に関
する移動レートが測定できれば十分であるが、４
方向についての測定を行なうことによつて冗長度
をもたせることができる。

車輌が運動すると、前述のように運動方向に関
する軸が傾斜する。この傾斜量は、ピツクオフの
出力に基づいて測定できる。レート捕獲ループに
よつてこの傾斜量は零にもつてゆかれる。従つて
車輌の各時点ごとの移動レートを常に測定するこ
とができるようになる。

例えば第１図で、ジヤイロ１０についてＸ入力
軸またはＹ入力軸に関してレートが与えられた場
合、即ちジヤイロ１０のロータの回転軸がＸ軸ま
たはＹ軸に関して傾斜した場合、ジヤイロピツク
オフ１３と１４はこの傾きに比例する電気信号を
交流増幅器１６と１７に与える。増幅器１６と１
７からの信号は復調器１８と１９、ノツチフイル
タ２０と２１、クロスチヤンネル減衰補償回路２
４と２５、を通される。主チヤンネル整形回路２
２，２３の出力は比較器２７と２８によりクロス
チヤンネル減衰補償回路と斜波発生器信号２６の
出力と加算される。この斜波発生器信号は強制リ
ミツトサイクル周波数である基本周波数を有する
パルス幅変調信号を発生するためのものである。
主チヤンネル整形回路２２と２３はループの安定
化と帯域幅調整を与える。クロスチヤンネル減衰
補償回路２４と２５の目的は乾式同調ジヤイロに
は新規である電子的減衰を与えるためである。ノ
ツチフイルタ２０と２１はホイールの動作により
誘起されるピツクオフ信号を最少にするためのも
のである。

以下、比較器２７と２８の動作についてより詳
しく述べる。これらの各比較器は、実際には直列
に接続された２つの回路から構成される。すなわ
ち、加算増幅器とコンパレータとである。第１図
では、この２つの回路が直列接続されたものをま
とめて比較器２７あるいは２８として示してあ
る。加算増幅器には３つの入力が与えられる。す
なわち、主チヤンネル整形回路２２，２３の出
力、クロスチヤンネル減衰補償回路２４，２５
の出力、斜波発生器信号２６、の３つである。
クロスチヤンネル減衰補償回路は、Ｙ軸の制御に
Ｘ軸のピツクオフ出力を考慮し、Ｘ軸の制御にＹ
軸のピツクオフ出力を考慮するといういわゆる
XY間のクロス制御を行うものであり、所定の減
衰補償を行つている。したがつて、クロスチヤン
ネルの誤差信号は、減衰された後に主チヤンネル
の誤差信号に加えられる。結局、加算増幅器の出
力は、主チヤンネル成分とクロスチヤンネル成分
との和に相当する誤差信号に、斜波信号が加えら
れたものとなる。

この様子は、第２図によく示されている。第２
図は斜波発生器と記されたグラフは、斜波発生器
信号２６の波形を示しており、合成誤差電圧と記
されたグラフは、主チヤンネル成分とクロスチヤ
ネル成分との合成誤差信号電圧を示している。し
たがつて、これらの加算結果は、同図の合成斜波
誤差と記したグラフのようになる。

この加算増幅器の後段に接続されたコンパレー
タは、加算増幅器の出力が正のときは論理“１”
を、負のときは論理“０”を出力する。この様子
は、第３Ｂ図に示されている。同図で斜波信号と
示した波形は、斜波発生器信号２６であり、加算
増幅器出力と表示した波形は、加算増幅器の出力
の正負を反転させた信号に相当する。この加算増
幅器出力では、破線のレベルが零レベルである。
斜波の中心線は実線で示されているが、破線のレ
ベルと実線のレベルとの差が誤差信号の値、すな
わち主チヤンネル成分とクロスチヤンネル成分と
の和に相当する。この加算増幅器出力がコンパレ
ータに与えられる。したがつて、このコンパレー
タの出力、すなわち比較器２７，２８としての出
力は、第３Ｂ図に比較器と表示した波形となる。
図の加算増幅器出力は、前述のように正負を反転
させた表示になつているので、破線レベルより下
の区間では論理“１”、上の区間では論理“０”
となる。このようにして、比較器２７，２８の出
力パルスは、主チヤンネル成分とクロスチヤンネ
ル成分との誤差に応じてデユーテイ比が定まる
PWM（パルス幅変調）信号となる。誤差が零で
あれば、デユーテイ比が50％のパルス信号とな
る。

この比較器２７，２８の出力であるPWM信号
は、論理回路２９，３０に与えられ、この論理回
路２９，３０の出力によつて出力電流源３１，３
２が制御される。出力電流源３１，３２は、それ
ぞれＸ軸ジヤイロトルカ１１、Ｙ軸ジヤイロトル
カ１２に電流を供給する。かくして、誤差を零と
する方向へ閉ループ制御がなされる。

論理回路２９，３０および出力電流源３１，３
２の具体的な構成を第３Ａ図に示す。比較器２
７，２８の出力は、ゲート３３の一方の入力端子
に与えられる。もう一方の入力端子には高周波ク
ロツクが与えられる。この高周波クロツクは、第
２図の量子化周波数と記されたグラフのように、
論理“１”または“０”という量子化された値を
とる高周波パルス列である。したがつて、ゲート
３３の出力は、この高周波クロツクに同期したも
のとなる。たとえば、第２図の合成斜波誤差なる
信号は、コンパレータでPWM変調されたのち、
ゲート３３で量子化周波数による同期化が行わ
れ、同図の一番下に示すグラフのような信号とな
る。結局、フリツプフロツプ３４の出力は、この
ように高周波クロツクに完全に同期し、第３Ｂ図
の一番下に示すような信号となる。フリツプフロ
ツプ３６は、立上がりおよび立下がりの急峻なパ
ルスを発生することのできる電流駆動能力の高い
素子からなり、高速スイツチ回路３９を駆動す
る。高速スイツチ回路３９は、フリツプフロツプ
３６の出力に基づいて、高速トランジスタスイツ
チ３７または３８（ここでは簡便のために、機械
的スイツチとして示す）のどちらか一方をオンに
する。これらスイツチは正のＶ＋電源または負の
Ｖ−電源に接続されている。スイツチ３７がオン
のときは、正のＶ＋電源からダイオード４０、
CR２を通つてジヤイロ１０に正の電流が流れ、
スイツチ３８がオンのときは、負のＶ−電源から
ダイオード４０、CR１を通つてジヤイロ１０に
負の電流が流れる。このようにして、ジヤイロ１
０に正または負の電流が与えられる。正または負
への切替えのデユーテイ比は、結局、比較器２
７，２８の出力するPWM信号に基づくものにな
る。

この発明に係る制御装置では、クロス成分を考
慮した制御を行つているが、一般に２軸のジヤイ
ロではこのようなクロス成分を考慮した制御を行
うと、安定した制御が可能になることが知られて
いる。すなわち、ジヤイロのピツクオフ出力を
Φ_ppとすると、クロス成分を考慮しない閉ループ
制御では、制御系の入力となるレートをωとする
と、出力となるジヤイロのピツクオフ出力Φ_ppは、 Φ_pp＝（１／Ｊ）／s²＋ω_o1 ²・ω で表現される。ここで、 ω_o1＝Ｈ／ＪＨは、回転ホイールの角運動量Ｊは、回転ホイールの慣性モーメントｓは、ラプラス演算子である。ここで、ｓ＝ω_o1の場合を考えると、
上式の分母が零となつてしまい、制御系が不安定
になるのである。

ところが、クロス成分を考慮した制御系では、 Φ_pp＝Ｎ／（s²＋2δω_o2ｓ＋ω_o2 ²）・ω となる。ここで、 δ＝KH／√²＋² ω_o2＝√²＋² Ｋは、クロス成分のゲインＮは、定数である。

このように、2δω_o2ｓなる項を分母に加えるこ
とにより、分母が零となることを避けることがで
き、安定な制御が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の２軸乾式同調ジヤイロのパル
ス再平衡レート捕獲ループ回路のブロツク図、第
２図はパルス幅変調波形と量子化波形のタイミン
グ図、第３Ａ図は第１図の論理回路３０の詳細
図、第３Ｂ図は論理信号の図式図である。１０……ジヤイロ、１１……Ｘ軸トルカ、１２
……Ｙ軸トルカ、１３，１４……ジヤイロピツク
オフ、１６，１７……交流増幅器、１８，１９…
…復調器、２０，２１……ノツチフイルタ、２
２，２３……主チヤンネル整形回路、２４，２５
……クロスチヤンネル減衰補償回路、２７，２８
……比較器、２９，３０……論理回路、３１，３
２……出力電流源、３３……ゲート、３６……制
御フリツプフロツプ、３７，３８……トランジス
タスイツチ。

Claims

【実用新案登録請求の範囲】１２軸ジヤイロのジヤイロロータの回転軸方向
を前記ジヤイロの入力軸に関して安定化する機
能を有し、ジヤイロロータの位置を検出してこ
れに比例する電気的な誤差信号を発する装置１
３，１４を備えるジヤイロ制御装置において、１軸についての前記誤差信号と、他の軸につ
いての前記誤差信号と、周期的な斜波発生器か
らの信号２６と、を合成させる第１の手段２
４，２５，２７，２８と、前記第１の手段による合成信号に基づいて、
前記ジヤイロのトルカ１１，１２に交互に正お
よび負のトルク発生電流を与えて前記誤差信号
を減少させる第２の手段２９，３０と、を備え
ることを特徴とするジヤイロ制御装置。２実用新案登録請求の範囲第１項記載の制御装
置において、第１の手段が前記検出装置からの
前記誤差信号を増幅するための２つの交流増幅
器１６，１７と、上記増幅器の出力信号を処理
するための２つの復調器１８，１９と、この復
調器の出力信号を波するための２つのフイル
タ回路２０，２１と、このフイルタ回路の出力
信号を整形するための２つの主チヤンネル整形
回路２２，２３と、前記両ジヤイロ軸からの誤
信号を交換するための２つのクロスチヤンネル
整形回路２４，２５と、斜波電圧信号線と、上
記主チヤンネルと上記クロスチヤンネルの出力
および上記斜波電圧信号を処理するための２つ
の加算回路２７，２８と、を有することを特徴
とするジヤイロ制御装置。３実用新案登録請求の範囲第２項記載の制御装
置において、第２の手段が前記加算回路２７，
２８の出力に応答して前記ジヤイロに交互に正
又は負のトルク電流を与える２つの論理装置２
９，３０と、上記論理装置に応答してパルス変
調されたトルク電流を与える２つの定電流源３
１，３２と、を有することを特徴とするジヤイ
ロ制御装置。