KR100551699B1 - Method for detecting angular velocity of dynamically tuned gyroscope - Google Patents

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KR100551699B1
KR100551699B1 KR1020030094692A KR20030094692A KR100551699B1 KR 100551699 B1 KR100551699 B1 KR 100551699B1 KR 1020030094692 A KR1020030094692 A KR 1020030094692A KR 20030094692 A KR20030094692 A KR 20030094692A KR 100551699 B1 KR100551699 B1 KR 100551699B1
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Abstract

본 발명은 동조자이로스코프의 각속도 검출 방법에 관한 것으로서, 회전자가 받는 토크 성분을 결정하는 제 1 단계와, 동조자이로스코프의 동작 영역에서 외부 입력 신호

Figure 112005054267867-pat00001
를 제어 입력 신호
Figure 112005054267867-pat00002
를 통해 토크 입력으로 궤환시키는 제 2 단계와, 동조자이로스코프로의 외부 입력 신호
Figure 112005054267867-pat00003
를 토크 성분에 포함시킴으로서 수렴 속도
Figure 112005054267867-pat00004
의 시간으로 외란으로써의 외부 입력을 상쇄시키는 제 3 단계와, 제어 입력 신호
Figure 112005054267867-pat00005
에 변환 상수 (
Figure 112005054267867-pat00006
)와 미분동력학(
Figure 112005054267867-pat00007
)을 가산기와 같이 사용함으로써 외부 입력을 검출하는 제 4 단계와, 검출된 외부 입력에 대한 속도 출력의 전달함수를 메이슨의 이득 공식을 사용하여 수학식
Figure 112005054267867-pat00109
로 유도하는 제 5 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 외부 입력에 대하여 속도 검출을 위한 픽업단의 회전 각도가 과도 및 정상 상태에서 작은 검출각을 유지시킨 상태에서 입력 각속도를 검출할 수 있으며 이에 따라 자유 자이로스코프의 기계적인 변경 없이도 시스템의 동작 범위를 매우 넓히는 것이 가능하다. 또한 동작 범위 내에서 외부 입력 각속도에 대한 검출 성능도 매우 우수한 장점을 가진다.The present invention relates to a method for detecting an angular velocity of a synchronous gyroscope, the first step of determining a torque component that a rotor receives, and an external input signal in an operating region of the tunable gyroscope.
Figure 112005054267867-pat00001
Control input signal
Figure 112005054267867-pat00002
A second step of returning to the torque input through the external input signal to the synchronous gyroscope
Figure 112005054267867-pat00003
Convergence rate by including
Figure 112005054267867-pat00004
A third step of canceling the external input as disturbance in a time of
Figure 112005054267867-pat00005
Conversion constant to
Figure 112005054267867-pat00006
) And differential dynamics (
Figure 112005054267867-pat00007
The fourth step of detecting the external input by using the adder as an adder, and the transfer function of the velocity output for the detected external input using the Mason's gain formula
Figure 112005054267867-pat00109
The fifth step of inducing. According to the present invention, the input angular velocity can be detected in a state in which the rotational angle of the pickup stage for speed detection with respect to the external input is maintained in a transient state and a small state. It is possible to widen the operating range of. In addition, the detection performance of the external input angular velocity within the operating range has a very good advantage.

동조자이로스코프(DTG), 각속도 검출 방법, 재평형 루프 설계 방법 Tuning gyroscope (DTG), angular velocity detection method, rebalance loop design method

Description

동조자이로스코프의 각속도 검출 방법{METHOD FOR DETECTING ANGULAR VELOCITY OF DYNAMICALLY TUNED GYROSCOPE}Method for detecting angular velocity of synchronous gyroscope {METHOD FOR DETECTING ANGULAR VELOCITY OF DYNAMICALLY TUNED GYROSCOPE}

도 1은 일반적인 동조자이로스코프(DTG)의 회전자와 서스펜션의 기구적 구조를 나타낸 도면,1 is a view showing a mechanical structure of a rotor and a suspension of a general synchronization gyroscope (DTG),

도 2는 동조자이로스코프와 뉴테이션 댐퍼의 블록도,2 is a block diagram of a synchronous gyroscope and a displacement damper;

도 3은 종래의 PI 제어기를 사용한 각속도 검출 방법을 설명하기 위한 도면,3 is a view for explaining an angular velocity detection method using a conventional PI controller,

도 4는 본 발명에 따른 동조자이로스코프의 각속도 검출 방법을 설명하기 위한 도면,4 is a view for explaining a method for detecting angular velocity of a synchronous gyroscope according to the present invention;

도 5는 종래의 각속도 검출 방법과 본 발명에 따른 각속도 검출 방법의

Figure 112003048947885-pat00008
에 대한
Figure 112003048947885-pat00009
의 주파수 영역 응답 특성을 비교한 그래프.5 is a conventional angular velocity detection method and an angular velocity detection method according to the present invention.
Figure 112003048947885-pat00008
For
Figure 112003048947885-pat00009
A graph comparing the frequency domain response characteristics of.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100 : 동조자이로스코프의 기구부 중 회전자(로터 : Rotor)100: Rotor of the mechanical part of the tuning gyroscope (rotor)

102 : 동조자이로스코프의 기구부 중 짐발(Gimbal)102: Gimbal among the mechanical parts of the synchronous gyroscope

210 : 동조자이로스코프의 기구부 모델210: Mechanism model of the synchronous gyroscope

220 : 신호 증폭단의 이득220: gain of the signal amplifier stage

230 : 뉴테이션 댐퍼부230: Newment damper part

400 : 동조자이로스코프의 제어 블록400: control block of a synchronous gyroscope

360 : 입력 각속도 420 : 출력 각속도360: input angular velocity 420: output angular velocity

본 발명은 동조자이로스코프(이하, DTG라 약칭함)의 각속도 검출 방법에 관한 것으로, 특히 선형 동작 영역을 증가시키고 외부 입력 각속도에 대한 양호한 검출 성능을 제공하는 DTG의 각속도 검출 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an angular velocity detection method of a synchronous gyroscope (hereinafter abbreviated as DTG), and more particularly to an angular velocity detection method of a DTG that increases the linear operating range and provides good detection performance for external input angular velocity.

DTG는 관성 항법 장치 및 동작 제어 장치 등에서 회전 각속도를 검출하기 위하여 널리 사용되는 장치로서, 그 기구적 구조는 도 1과 같다.DTG is a widely used device for detecting the rotational angular velocity in an inertial navigation device, a motion control device, and the like, and its mechanical structure is shown in FIG.

도 1에 도시한 바와 같이 DTG, 특히 2축 DTG는 회전자(로터 : Rotor)(100)가 유니버셜 결합으로 된 서스펜션에 매달려 있어 자이로스코프의 회전축에 따라 회전하게 된다. 따라서, 회전자(100)와 짐발(102)은 스핀 모터축(104)의 회전 속도와 그들의 관성에 의해 결정되는 각 운동량을 갖게 된다.As shown in FIG. 1, the DTG, in particular, the two-axis DTG, is rotated along the axis of rotation of the gyroscope because the rotor (rotor: 100) is suspended on a suspension of a universal coupling. Thus, the rotor 100 and gimbal 102 have an angular momentum determined by the rotational speed of the spin motor shaft 104 and their inertia.

고정된 케이스의 기준 입력축에 입력 각속도가 있을 경우 회전자(100)는 그의 각 운동량 때문에 원래의 자세를 유지하려고 한다. 그러나 짐발(102)은 각 운동량과 입력 각속도의 크기에 따라 결정되는 진폭 크기로 기울게 된다. 이와 같은 효과를 다이내믹 효과(Dynamic Effect)라 한다.When there is an input angular velocity on the reference input shaft of the fixed case, the rotor 100 tries to maintain the original posture because of its angular momentum. However, the gimbal 102 is inclined at an amplitude magnitude determined by the magnitude of the angular momentum and the input angular velocity. This effect is called a dynamic effect.

이 다이내믹 효과에 의한 비틀림자의 음의 스프링 계수와 양의 스프링 계수가 같아지게 되면 회전자(100)와 회전축 사이의 스프링 결합률이 영(Zero)이 되는 데 이와 같은 상태를 동조 상태라 하고, 이 때의 주파수를 동조주파수(Tuning Frequency)라 한다.When the negative spring coefficient and the positive spring coefficient of the torsion due to the dynamic effect become equal, the spring coupling rate between the rotor 100 and the rotating shaft becomes zero, and this state is called a tuning state. The frequency of is called the tuning frequency.

동조된 상태에서는 회전자(100)와 회전축이 서로 비 결합되어 있으므로, 자이로스코프 케이스와 회전자(100)는 서로 자유상태가 된다. 그러므로 자이로스코프 케이스와 회전자(100) 간의 편각은 입력 각도에 비례하게 되어 자유 자이로스코프로 동작하게 된다.Since the rotor 100 and the rotating shaft are non-coupled with each other in the synchronized state, the gyroscope case and the rotor 100 are free to each other. Therefore, the declination between the gyroscope case and the rotor 100 is proportional to the input angle to operate as a free gyroscope.

한편, DTG의 케이스가 관성 좌표계에 대하여 x축을 중심으로 phi_x 만큼 회전했을 경우에 회전자(100)가 받는 토크는 다음 수학식 1 및 수학식 2로 표현된다.On the other hand, the torque received by the rotor 100 when the case of the DTG is rotated by phi_x about the x axis with respect to the inertial coordinate system is expressed by the following equation (1) and (2).

Figure 112003048947885-pat00010
Figure 112003048947885-pat00010

Figure 112003048947885-pat00011
Figure 112003048947885-pat00011

여기서

Figure 112003048947885-pat00012
는 비틀림자의 x, y축 탄성 계수,
Figure 112003048947885-pat00013
는 짐발의 x, y, z축 방향의 관성 모멘트,
Figure 112003048947885-pat00014
은 회전자의 z축 방향 회전속도,
Figure 112003048947885-pat00015
는 회전자가 케이스에 대하여
Figure 112003048947885-pat00016
만큼 기울어질 때 회전자가 받는 토크성분을 각각 나타낸다.here
Figure 112003048947885-pat00012
Is the torsional x, y-axis modulus,
Figure 112003048947885-pat00013
Is the moment of inertia of the gimbal in the x, y, z direction,
Figure 112003048947885-pat00014
Is the z-axis rotational speed of the rotor,
Figure 112003048947885-pat00015
The rotor is about the case
Figure 112003048947885-pat00016
It represents each torque component that the rotor receives when tilted by.

수학식 1과 수학식 2에서

Figure 112003048947885-pat00017
는 비틀림자의 스프링 계수에 의하여 회전자(100)에 가해지는 토크를 나타내고,
Figure 112003048947885-pat00018
는 음의 스프링 효과에 의하여 회전자(100)에 가해지는 토크를 나타낸다. 이 두 종류의 스프링효과에 의한 토크가 영이 되려면 회전자의 각속도
Figure 112003048947885-pat00019
을 다음 수학식 3과 같이 함으로써 이루어진다.In Equation 1 and Equation 2
Figure 112003048947885-pat00017
Denotes the torque applied to the rotor 100 by the spring coefficient of the torsion,
Figure 112003048947885-pat00018
Denotes the torque applied to the rotor 100 by the negative spring effect. To achieve zero torque due to these two spring effects, the angular velocity of the rotor
Figure 112003048947885-pat00019
Is achieved by the following equation (3).

Figure 112003048947885-pat00020
Figure 112003048947885-pat00020

수학식 3으로 주어지는 각속도

Figure 112003048947885-pat00021
를 동조 주파수라 하고 회전자가 이 속도를 유지할 때를 DTG가 동조되었다고 하며, 동조 상태에 있는 DTG의 간략화된 운동방정수학식을 도 2의 좌측 점선 안에 블록도(210)로 나타내었다. Angular velocity given by Equation 3
Figure 112003048947885-pat00021
DTG is said to be the tuned frequency when the rotor maintains this speed, and the simplified equation of motion of the DTG in the tuned state is shown in block diagram 210 in the left dotted line of FIG.

도 2의 DTG 부분에 대한 주파수 영역에서의 전달함수는 다음 수학식 4 및 수학식 5와 같다.The transfer function in the frequency domain for the DTG portion of FIG. 2 is represented by Equations 4 and 5 below.

Figure 112003048947885-pat00022
Figure 112003048947885-pat00022

Figure 112003048947885-pat00023
Figure 112003048947885-pat00023

도 2와 수학식 4와 수학식 5에서 알 수 있는 바와 같이, DTG는 외부의 각속도 입력에 대해서는 각검출부 출력이 서로 분리되어 나타나지만 토크 입력에 대해 서는 두 축의 입력이 서로 결합되어 각검출부 출력으로 나타남을 알 수 있다.As can be seen in FIGS. 2, 4, and 5, the DTG shows the angular detector outputs separately from each other for the external angular velocity input, but the inputs of the two axes are combined with each other for the torque input, resulting in the angular detector output. It can be seen.

재평형 루프는 외부 각속도 입력이 존재할 경우 각검출부가 외부 각속도 입력에 대하여 각속도 정보를 출력한 후 원래의 각검출부가 존재한 절대 영점으로 복원시킬 수 있도록 입력

Figure 112003048947885-pat00024
를 제어해주는 루프이다.The rebalance loop is inputted so that, if there is an external angular velocity input, the angle detector outputs the angular velocity information with respect to the external angular velocity input and then restores the original angular detector to the absolute zero present.
Figure 112003048947885-pat00024
This loop controls the.

도 2 내부의 DTG 부분은 두 개의 입력과 두 개의 출력을 가지는 다변수 입출력 시스템이며, 입출력이 상호 결합되어 나타난다. 다변수 플랜트의 제어방법은 다변수 제어 이론 등에 바탕을 둔 여러 가지 제어 기법이 존재하지만 일반적인 DTG 시스템에서는 다변수 입출력 시스템을 별도의 결합을 제거할 수 있는 루프를 삽입함으로써 단일 입출력 시스템으로 분리한 다음 재평형 루프를 설계하는 방법을 사용한다.The DTG part in FIG. 2 is a multivariable input / output system having two inputs and two outputs, and the input and output are shown as being combined with each other. There are various control methods based on the theory of multivariate control, but in general DTG system, the multivariate I / O system is separated into a single I / O system by inserting a loop that can eliminate the separate coupling. Use a method of designing a rebalance loop.

특별히 DTG에서 이러한 결합현상을 뉴테이션이라 부르며 이 현상의 물리적인 원인은 2축 DTG에서 한쪽 축의 에너지가 다른 축에 전달되었다가 이 에너지가 다시 반사되어 전달되는 에너지 전달에 의한 자체진동으로 회전축이 떨리는 현상이다.Especially in DTG, this coupling phenomenon is called neutation, and the physical cause of this phenomenon is that in the two-axis DTG, the energy of one axis is transferred to the other axis, and then the axis of rotation is vibrated by the self-vibration by the energy transfer. It is a phenomenon.

이러한 자이로스코프 내부의 진동을 외부에서 전기적으로 감쇠시켜주는 기능을 수행하는 회로를 뉴테이션 댐퍼(Nutation damper)라 하며 도 2의 우측의 점선 속의 블록도(230)와 같은 회로를 DTG의 출력단에 삽입함으로써 해결할 수 있으며 그 전달 특성은 다음 수학식 6 및 수학식 7과 같이 표현된다.The circuit that performs the function of electrically damping the vibration in the gyroscope from the outside is called a Neutral Damper, and a circuit such as the block diagram 230 in the dotted line on the right side of FIG. 2 is inserted into the output terminal of the DTG. This can be solved by the transfer characteristic, which is expressed by Equations 6 and 7 below.

Figure 112003048947885-pat00025
Figure 112003048947885-pat00025

Figure 112003048947885-pat00026
Figure 112003048947885-pat00026

단, 수학식 6 및 수학식 7에서

Figure 112003048947885-pat00027
(220)는 DTG의 출력단에 삽입되는 복조기의 비례이득을 나타낸 것이며 상수로 나타내어지는 값이다.However, in Equation 6 and Equation 7
Figure 112003048947885-pat00027
Reference numeral 220 denotes a proportional gain of the demodulator inserted into the output terminal of the DTG and is a value represented by a constant.

수학식 6과 수학식 7에 의하여 토크입력과 외부 속도입력에 대한 출력의 함수는 다음 수학식 8과 수학식 9로 표현될 수 있다.According to equations (6) and (7), a function of the output of the torque input and the external speed input may be expressed by the following equations (8) and (9).

Figure 112003048947885-pat00028
Figure 112003048947885-pat00028

Figure 112003048947885-pat00029
Figure 112003048947885-pat00029

수학식 4와 수학식 8을 비교해 보면 뉴테이션 댐퍼에 의하여 토크입력의 결합은 분리되었지만 x축의 출력이 y축의 외부속도 입력에 의하여 다시 결합되는 특성을 가지게 된다. 그러나 y축을 통한 입력

Figure 112003048947885-pat00030
의 이득이 x축의 외부 속도 입력
Figure 112003048947885-pat00031
에 대한 이득에 비해 매우 작은 값을 가지므로 이 영향은 무시될 수 있다.Comparing Equations 4 and 8, the coupling of the torque input is separated by the displacement damper, but the output of the x-axis is coupled again by the external velocity input of the y-axis. But input through the y-axis
Figure 112003048947885-pat00030
Gain of x-axis external velocity input
Figure 112003048947885-pat00031
This effect can be neglected since it has a very small value compared to the gain for.

다시 도 2를 참조하면, 뉴테이션 감쇠제어기는 수학적으로는 순수 미분기로 구성됨을 알 수 있다. 그러나 실제 시스템에서 순수한 미분기는 고주파 잡음을 증폭시켜 전체 폐루프 시스템을 불안정하게 만들 수 있으므로, DTG의 동작 주파수 내에서는 미분기로 동작하고 그 이상의 주파수 영역에서는 신호를 통과시키는 고역통 과 필터로 설계하는 것이 일반적이다. 본 발명의 검증단계에서 사용된 값은 다음 수학식 10과 같다.Referring back to FIG. 2, it can be seen that the neutralization damping controller is mathematically composed of purely differentiators. However, in a real system, a pure differentiator can amplify high frequency noise and make the entire closed loop system unstable, so designing it as a highpass filter that operates as a differentiator within the operating frequency of the DTG and passes the signal in the higher frequency range. It is common. The value used in the verification step of the present invention is shown in Equation 10 below.

Figure 112003048947885-pat00032
Figure 112003048947885-pat00032

이제 뉴테이션 댐퍼가 포함된 DTG는 두 개의 단일 입출력 시스템으로 간주할 수 있고 따라서 기존의 단일 입출력 시스템에 대한 여러 제어기 설계 기법을 적용할 수 있다.The DTG with Neutral Damper can now be regarded as two single I / O systems, thus applying multiple controller design techniques for existing single I / O systems.

그러나 뉴테이션 댐퍼는 완전한 미분기 구현이 불가능하므로 뉴테이션을 완전히 제거하는 것이 아니라 그 크기를 감소시킬 뿐이며 미분 가능한 주파수 영역 이상에서는 미분 효과가 없어지는 문제점으로 인해 두 축의 결합 특성이 나타난다. 이로 인해 전체 시스템의 동작 특성이 완전히 분리되지 못하므로 정밀한 모의실험을 위해서는 두 축을 동시에 고려하여 그 결과를 얻는 것이 바람직하다. 그러나 실제로 두 축의 결합현상이 나타나는 주파수 대역은 DTG의 사용 주파수보다 매우 높은 영역이므로 실제 DTG의 사용상에는 별다른 문제점이 없다.However, because the damping damper is not possible to implement a full differentiation, it does not completely eliminate the damping but rather reduces its size. Because of this, the operating characteristics of the entire system are not completely separated. Therefore, it is desirable to obtain the results by considering both axes simultaneously for precise simulation. However, since the frequency band in which the coupling phenomenon of two axes appears is a very high range than the frequency used by the DTG, there is no problem in the actual use of the DTG.

도 3은 종래의 PI 제어 기법을 이용한 각속도 검출 방법을 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining an angular velocity detection method using a conventional PI control technique.

속도 모드 DTG에서는 정확한 외부 입력을 검출하기 위해서 회전자의 회전각도를 선형동작 범위 내에서 유지하여야하며 이는 DTG의 동작 범위를 결정하는 주요인이 된다.In the velocity mode DTG, the rotation angle of the rotor must be maintained within the linear motion range in order to detect the correct external input, which is a key factor in determining the motion range of the DTG.

즉, 큰 외부 입력에 대해서는 회전자의 회전각도가 선형동작 범위를 벗어나게 되면 DTG는 기계적 시스템을 보호하기 위해 회전자의 회전을 멈추고 더 이상 작동하지 않게 되고 이를 장착한 응용 시스템의 동작도 정지하게 된다.In other words, for large external inputs, if the rotation angle of the rotor is out of the linear motion range, the DTG stops the rotation of the rotor to protect the mechanical system and stops operating anymore and stops the operation of the application system equipped with it. .

그러나 회전자의 회전각도를 작게 유지하기 위해 재평형 루프의 이득을 어느 이상으로 높일 경우 전체 시스템의 위상 여유가 줄어들게 되며 이는 출력부의 진동 현상으로 나타나게 된다.However, if the gain of the rebalancing loop is increased to a certain degree in order to keep the rotation angle of the rotor small, the phase margin of the entire system is reduced, which appears as a vibration phenomenon of the output part.

기존의 PI제어 방법을 사용한 속도 검출 방법에서는 외부의 속도 입력이 DTG에 외란으로써 작용하고 재평형이 제대로 이루어 질 경우 정상상태에서 재평형루프의 토크 입력이 외란과 같아지는 원리를 이용하여 토크 입력단의 토크 코일 전류를 검출하고 이를 변환 상수로 승산하여 외부 속도 입력을 검출하게 된다.In the speed detection method using the conventional PI control method, if the external speed input acts as a disturbance to the DTG and the rebalancing is properly performed, the torque input of the rebalance loop is equal to the disturbance in the steady state. The torque coil current is detected and multiplied by the conversion constant to detect the external speed input.

따라서 재평형루프의 위상여유가 작아서 각도검출 부분이 진동할 경우 이는 토크 입력의 진동으로 연계되고 외부 입력 속도가 진동하는 것처럼 보일 수 있다. 이러한 이유로 기존의 제어 방법에서는 위상여유를 충분히 확보하여 안정된 동작을 하도록 하는데 이는 DTG의 재평형루프의 이득 제한의 주요인이 된다.Therefore, if the angle detection part vibrates because the phase balance of the rebalance loop is small, it may be linked to the vibration of the torque input and the external input speed may appear to vibrate. For this reason, in the conventional control method, sufficient phase margin is secured to allow stable operation, which is a major factor in gain limitation of the rebalance loop of the DTG.

도 3에서

Figure 112003048947885-pat00033
는 비례 및 적분 제어 계수,
Figure 112003048947885-pat00034
는 DTG의 회전자의 회전각 변위를 전압신호로 얻기 위한 전자부의 등가모델로써 저역 통과 필터의 형태를 가지며 전체 시스템의 대역폭 제한의 주원인이 된다.In Figure 3
Figure 112003048947885-pat00033
Is proportional and integral control coefficient,
Figure 112003048947885-pat00034
Equivalent model of the electronics for obtaining the rotation angle displacement of the rotor of the DTG as a voltage signal has the form of a low pass filter and is the main cause of the bandwidth limitation of the whole system.

전체적인 전달함수는 수학식 11과 같다. 수학식 11을 참조하면 전자부는 약 50Hz의 대역폭을 가진다는 사실을 알 수 있다.The overall transfer function is shown in Equation (11). Referring to Equation 11, it can be seen that the electronic part has a bandwidth of about 50 Hz.

Figure 112003048947885-pat00035
Figure 112003048947885-pat00035

PI 제어기를 사용할 경우의 뉴테이션 감쇠제어기가 포함된 DTG의 y축의 외부 속도 입력에 대한 속도 검출 출력의 전달함수는 다음의 수학식 12로 나타낸다.When the PI controller is used, the transfer function of the velocity detection output for the external velocity input on the y-axis of the DTG including the displacement damping controller is represented by the following equation (12).

Figure 112003048947885-pat00036
Figure 112003048947885-pat00036

여기서 PI 제어계수의 의미를 살펴보기 위하여 사용주파수 영역에서는

Figure 112003048947885-pat00037
를 1로 놓으면 다음 수학식 13을 얻을 수 있다.Here, in order to see the meaning of PI control coefficient,
Figure 112003048947885-pat00037
If set to 1, the following equation (13) can be obtained.

Figure 112003048947885-pat00038
Figure 112003048947885-pat00038

Figure 112003048947885-pat00039
Figure 112003048947885-pat00039

여기서 here

Figure 112003048947885-pat00040
Figure 112003048947885-pat00040

Figure 112003048947885-pat00041
Figure 112003048947885-pat00041

이다.to be.

수학식 14와 수학식 15를 사용하여 제어 변수값의 설계값을 다음 수학식 16 및 수학식 17과 같이 정할 수 있다. 즉 수학식 16을 사용하여 요구되어진 대역폭에 대한 조건을 사용하여 적분이득

Figure 112003048947885-pat00042
를 결정하고 수학식 17을 사용하여 감쇠상수를 결정하면 비례이득
Figure 112003048947885-pat00043
값을 결정할 수 있게 된다.Using Equations 14 and 15, the design values of the control variable values may be determined as in Equations 16 and 17 below. In other words, integral gain is obtained using the condition for the bandwidth required by using Equation 16.
Figure 112003048947885-pat00042
And the attenuation constant is determined using Eq.
Figure 112003048947885-pat00043
The value can be determined.

Figure 112003048947885-pat00044
Figure 112003048947885-pat00044

Figure 112003048947885-pat00045
Figure 112003048947885-pat00045

또한 외부 속도 입력에 대한 회전자의 회전각도

Figure 112003048947885-pat00046
에 대한 전달함수는 다음의 수학식 18과 같다.Also, the angle of rotation of the rotor relative to the external speed input
Figure 112003048947885-pat00046
The transfer function for is given by Equation 18 below.

Figure 112003048947885-pat00047
Figure 112003048947885-pat00047

이때 수학식 13과 수학식 18을 비교하여 보면 수학식 13에 의해 제어변수가 고정되면 수학식 18로 나타내어지는 회전자의 회전각도 또한 고정된다는 사실이다.At this time, comparing Equation 13 and Equation 18, when the control variable is fixed by Equation 13, the rotation angle of the rotor represented by Equation 18 is also fixed.

즉, 종래의 DTG에서는 선형 동작 영역이 좁을 뿐만 아니라, 외부 입력 각속도에 대한 검출 성능도 떨어질 수 있다는 문제가 제기된다.That is, in the conventional DTG, not only the linear operating region is narrow but also the problem that the detection performance with respect to the external input angular velocity may be degraded.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 구현한 것으로, 외부 속도 검출 성능과 회전자의 회전각도에 대한 성능에 대해 각각 독립적인 설계가 가능하며 결과적으로 선형 동작 영역을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 계산되어진 출력 각속도가 입력각속도와 거의 유사한 값을 가지는 동조자이로스코프의 각속도 검출 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been implemented to solve the above-described problems of the prior art, and can be independently designed for the external speed detection performance and the performance of the rotation angle of the rotor, and as a result, it is possible to increase the linear operating area. Rather, it aims to provide a method for detecting the angular velocity of a synchronous gyroscope whose calculated output angular velocity is almost similar to the input angular velocity.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 회전자와 짐발(Gimbal) 구조를 갖는 동조자이로스코프의 각속도 검출 방법에 있어서, 회전자가 받는 토크 성분을 결정하는 제 1 단계와, 동조자이로스코프의 동작 영역에서 외부 입력 신호

Figure 112005054267867-pat00048
를 제어 입력 신호
Figure 112005054267867-pat00049
를 통해 토크 입력으로 궤환시키는 제 2 단계와, 동조자이로스코프로의 외부 입력 신호
Figure 112005054267867-pat00050
를 토크 성분에 포함시킴으로서 수렴 속도
Figure 112005054267867-pat00051
의 시간으로 외란으로써의 외부 입력을 상쇄시키는 제 3 단계와, 제어 입력 신호
Figure 112005054267867-pat00052
에 변환 상수(
Figure 112005054267867-pat00053
)와 미분동력학(
Figure 112005054267867-pat00054
)을 가산기와 같이 사용함으로써 외부 입력을 검출하는 제 4 단계와, 검출된 외부 입력에 대한 속도 출력의 전달함수를 메이슨의 이득 공식을 사용하여 수학식
Figure 112005054267867-pat00110
로 유도하는 제 5 단계를 포함하는 동조자이로스코프의 각속도 검출 방법을 제공한다.According to a preferred embodiment of the present invention for achieving this object, in the angular velocity detection method of a synchronous gyroscope having a rotor and a gimbal structure, a first step of determining a torque component that the rotor receives, and a synchronous gyro External input signal in the scope's operating area
Figure 112005054267867-pat00048
Control input signal
Figure 112005054267867-pat00049
A second step of returning to the torque input through the external input signal to the synchronous gyroscope
Figure 112005054267867-pat00050
Convergence rate by including
Figure 112005054267867-pat00051
A third step of canceling the external input as disturbance in a time of
Figure 112005054267867-pat00052
In the conversion constant (
Figure 112005054267867-pat00053
) And differential dynamics (
Figure 112005054267867-pat00054
The fourth step of detecting the external input by using the adder as an adder, and the transfer function of the velocity output for the detected external input using the Mason's gain formula
Figure 112005054267867-pat00110
It provides a method for detecting the angular velocity of the tuner gyroscope comprising a fifth step of leading to.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4는 본 발명에 따른 동조자이로스코프의 각속도 검출 방법을 설명하기 위한 도면으로서, 도 4의 점선 부분이 본 발명에 적용되는 2 자유도 제어 루프를 나타낸 것이다.FIG. 4 is a view for explaining an angular velocity detection method of a tuning gyroscope according to the present invention, and the dotted line of FIG. 4 shows a two degree of freedom control loop to which the present invention is applied.

도 4에서

Figure 112003048947885-pat00055
는 모두 비례 제어기를 나타낸다.
Figure 112003048947885-pat00056
을 결정하기 위하여 아래의 관계를 유도한다. 도 4에서 입력
Figure 112003048947885-pat00057
와 외부 입력
Figure 112003048947885-pat00058
, 출력 Y에 대한 관계는 다음 수학식 19 및 수학식 20과 같다.In Figure 4
Figure 112003048947885-pat00055
All represent proportional controllers.
Figure 112003048947885-pat00056
To determine this, derive the following relationship. Input in Figure 4
Figure 112003048947885-pat00057
And external input
Figure 112003048947885-pat00058
, And the relationship with respect to the output Y is expressed by the following equation (19) and (20).

Figure 112003048947885-pat00059
Figure 112003048947885-pat00059

Figure 112003048947885-pat00060
Figure 112003048947885-pat00060

수학식 19와 수학식 20을

Figure 112003048947885-pat00061
에 대해 정리하면 다음 수학식 21과 같이 표현될 수 있다.Equation 19 and Equation 20
Figure 112003048947885-pat00061
In the following, it may be expressed as Equation 21 below.

Figure 112003048947885-pat00062
Figure 112003048947885-pat00062

여기서

Figure 112003048947885-pat00063
을 수학식 22와 같이 설정한다.here
Figure 112003048947885-pat00063
Is set as in Equation 22.

Figure 112003048947885-pat00064
Figure 112003048947885-pat00064

따라서 수학식 22를 수학식 21에 대입하여

Figure 112003048947885-pat00065
에 대해 정리하면 수학식 23과 같이 표현된다.Therefore, by substituting Equation 22 into Equation 21
Figure 112003048947885-pat00065
In the following, it is expressed as Equation 23.

Figure 112003048947885-pat00066
Figure 112003048947885-pat00066

DTG의 사용 주파수영역에서

Figure 112003048947885-pat00067
임을 가정할 수 있으므로 결과적으로 수학식 24를 얻을 수 있다. In the frequency range of DTG
Figure 112003048947885-pat00067
Can be assumed, and as a result, Equation (24) can be obtained.

Figure 112003048947885-pat00068
Figure 112003048947885-pat00068

여기서

Figure 112003048947885-pat00069
이다.here
Figure 112003048947885-pat00069
to be.

수학식 24를 살펴보면, 동작 영역에서 외부 입력

Figure 112003048947885-pat00070
Figure 112003048947885-pat00071
를 통하여 토크 입력으로 궤환됨을 알 수 있다.Looking at Equation 24, the external input in the operation region
Figure 112003048947885-pat00070
end
Figure 112003048947885-pat00071
Through the torque input can be seen that.

즉,

Figure 112003048947885-pat00072
Figure 112003048947885-pat00073
에 의해 차단주파수가 결정되는 저역통과 필터를 통과하여
Figure 112003048947885-pat00074
에 나타나게 되는데, 이 신호가 토크 입력에 포함됨으로 수렴 속도
Figure 112003048947885-pat00075
의 시간으로 외란으로써의 외부 입력을 상쇄시켜 회전자의 회전각도를 최소로 유지할 수 있다.In other words,
Figure 112003048947885-pat00072
end
Figure 112003048947885-pat00073
Through the low pass filter where the cutoff frequency is determined by
Figure 112003048947885-pat00074
This signal is included in the torque input, so the convergence rate
Figure 112003048947885-pat00075
The rotation angle of the rotor can be kept to a minimum by canceling the external input due to the disturbance in a time of.

또한 도 4에 나타난 것처럼,

Figure 112003048947885-pat00076
제어 입력에 변환 상수(404)와 미분동력학(405)을 가산기(406)와 같이 사용함으로써 외부 입력을 정확히 검출할 수 있다. 이는 시스템이 안정한 범위 내에서 이득을 최대로 할 수 있으며, 과도 상태에서 회전자의 회전각도를 기존의 제어방법을 사용하였을 경우 보다 작게 유지한 상태에서 외부 입력을 검출할 수 있다는 것을 의미하는데, 이것은 DTG의 동작영역이 넓어짐을 의미한다.Also as shown in Figure 4,
Figure 112003048947885-pat00076
By using the conversion constant 404 and the differential dynamics 405 together with the adder 406 for the control input, the external input can be detected accurately. This means that the system can maximize the gain within a stable range and can detect external inputs while keeping the rotation angle of the rotor in a transient state smaller than with conventional control methods. It means that the operating area of DTG is widened.

한편, 최종적으로 제안된 방법의 외부입력에 대한 속도출력의 전달함수를 메이슨의 이득 공식을 사용하여 유도하면 다음 수학식 25로 표현될 수 있다.Meanwhile, if the transfer function of the velocity output for the external input of the proposed method is finally derived using the Mason's gain formula, it can be expressed by the following equation (25).

Figure 112005054267867-pat00111
Figure 112005054267867-pat00111

수학식 25에서 알 수 있는 바와 같이, 제안된 방법은 입력각속도에 대하여 출력각속도가 정확히 일치함을 알 수 있다. 이는 자이로스코프의 내부 동특성에 영향을 주지 않고도 외부입력각속도에 대하여 정확히 그 값을 계산할 수 있다는 의미를 가진다.As can be seen from Equation 25, it can be seen that the proposed method accurately matches the output angular velocity with respect to the input angular velocity. This means that the value can be calculated accurately for the external input angular velocity without affecting the internal dynamics of the gyroscope.

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본 발명에 의하면, 회전자의 변위를 줄일 수 있고 따라서 큰 외부속도 입력에 의해 DTG가 케이지 모드로 전환되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 결과는 DTG가 여러 가지 다른 응용 시스템에 적용될 시 가장 큰 문제점으로 지적되고 있는 DTG의 케이지 모드시 시스템의 운용이 중단되는 단점을 보완할 수 있는 해결책이 될 수 있다. According to the present invention, it is possible to reduce the displacement of the rotor and thus prevent the DTG from entering the cage mode by a large external speed input. This result can be a solution to compensate for the disadvantage that the system is stopped in cage mode of DTG, which is pointed out as the biggest problem when DTG is applied to various other application systems.                     

이상, 본 발명을 실시예에 근거하여 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니라, 후술하는 특허청구범위의 기술적 사상과 범주 내에서 여러 가지 변형이 가능한 것은 물론이다.As mentioned above, although this invention was demonstrated concretely based on the Example, this invention is not limited to such an Example, Of course, various deformation | transformation are possible for it within the technical idea and the scope of a claim mentioned later.

Claims (6)

회전자와 짐발(Gimbal) 구조를 갖는 동조자이로스코프(DTG)의 각속도 검출 방법에 있어서,In the angular velocity detection method of a synchro gyroscope (DTG) having a rotor and a gimbal structure, 상기 회전자가 받는 토크 성분을 결정하는 제 1 단계와,Determining a torque component the rotor receives; 상기 동조자이로스코프의 동작 영역에서 외부 입력 신호
Figure 112005054267867-pat00085
를 제어 입력 신호
Figure 112005054267867-pat00086
를 통해 토크 입력으로 궤환시키는 제 2 단계와,
External input signal in the operating region of the tuning gyroscope
Figure 112005054267867-pat00085
Control input signal
Figure 112005054267867-pat00086
A second step of feedback to the torque input through;
상기 동조자이로스코프로의 외부 입력 신호
Figure 112005054267867-pat00087
를 상기 토크 성분에 포함시킴으로서 수렴 속도
Figure 112005054267867-pat00088
의 시간으로 외란으로써의 외부 입력을 상쇄시키는 제 3 단계와,
External input signal to the synchronous gyroscope
Figure 112005054267867-pat00087
Convergence rate by incorporating
Figure 112005054267867-pat00088
A third step of canceling external input as disturbance in time of,
상기 제어 입력 신호
Figure 112005054267867-pat00089
에 변환 상수(
Figure 112005054267867-pat00090
)와 미분동력학(
Figure 112005054267867-pat00091
)을 가산기와 같이 사용함으로써 외부 입력을 검출하는 제 4 단계와,
The control input signal
Figure 112005054267867-pat00089
In the conversion constant (
Figure 112005054267867-pat00090
) And differential dynamics (
Figure 112005054267867-pat00091
A fourth step of detecting an external input by using the same as an adder,
상기 검출된 외부 입력에 대한 속도 출력의 전달함수를 메이슨의 이득 공식을 사용하여 수학식
Figure 112005054267867-pat00112
로 유도하는 제 5 단계
The transfer function of the velocity output with respect to the detected external input is expressed using a gain formula of Mason.
Figure 112005054267867-pat00112
5th step leading to
를 포함하는 동조자이로스코프의 각속도 검출 방법.Angular velocity detection method of the synchronous gyroscope comprising a.
제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제 2 및 제 3 단계는 수학식
Figure 112003048947885-pat00092
에 의해 구현되되, 상기
Figure 112003048947885-pat00093
인 것을 특징으로 하는 동조자이로스코프의 각속도 검출 방법.
The second and third steps are mathematical
Figure 112003048947885-pat00092
Implemented by the above
Figure 112003048947885-pat00093
An angular velocity detection method of a synchronous gyroscope, characterized in that.
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