（电力电子与电力传动专业论文）捷联系统中动力调谐陀螺仪脉冲再平衡回路的设计.pdf

啥尔滨工程大学学士学位论文 a b s tr a c t a so n eo ft h ei n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m s ，s t r a p d o w ni n e r t i a ln a v i g a t i o n s y s t e mp o s s e s s i n gs u c hc h a r a c t e r sa s s m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，l o wc o s t ，a n dh i g h r e l i a b i l i t yc o m p a r e dw i t hp l a t f o r mi n e r t i a ln a v i g a t i o ns y s t e m ，i st h ep r e s e n to r l a t e rd i r e c t i o no f d e v e l o p m e n to f i n s 。g y r o s c o p ei sas i g n i f i c a n ts e n s eo r g a n ，a n d i ts e n s e sa n g u l a rv e l o c i t yo f v e h i c l e d y n a m i c a l l yt u n e dg y r o sa r eo n eo f t h em o s t w i d e l yu s e dn o w a d a y s ，a n di ti s c o f n f n o nu s e di ns t r a p d o w ni n e r t i a ls y s t e ma sa v e l o c i t yg y r o g y r oh o u s ei sm o u n t e do nt h ec a r r i e r ，a n di ts e n s ea n g u l a rv e l o c i t y o fac o u p l eo fa x e s t h eo p e r a t i o no fr e b a l a n c el o o pi sr e s u m i n gc o n s e c u t i v e l y t h ea x i so fs e n s eo r g a nt ot h ep o s i t i o nw h e r ei ts h o u l db e t h i sd i s s e r t a t i o nc o n c e n t r a t e so nt h er e s e a r c ho ft h ep u l s er e b a l a n c el o o p ( p r l ) f o rd y n a m i c a l l yt u n e dg y r o s c o p e s o nt h eb a s i so ft h ed e e ps t u d yo n t h e o r i e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fp r l ，ab i n a r yw i d t h - m o d u l a t e dp u l s er e b a l a n c e l o o pi sd e v e l o p e d t h em a i ne r r o r so fp r l w h i c hh a v em u c hb a di n f l u e n c eo nt h e a c c u r a c yo fs y s t e mb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e i rp e r f o r m a n c e sa f ep o i n t e do u t a n dt h em e t h o d st or e s t r i c to rc o m p e n s a t ef o rt h e ma r eg i v e n t h ep r o c e s s e so f a n a l y s i s ，d e s i g n , m a n u f a c t u r ea n dt e s ta b o u te v e r ym a k e u po fl o o pa r ed i s c u s s e d t h eg e n e r a lr o l eo fd e s i g no ft h et o r q u ec u r r e n tg e n e r a t o r ( t c g ) ，w h i c hi st h e m o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h el o o p ，i s p r e s e n t e d i t i s p r o v e db yt h e e x p e r i m e n t st h a ta l ld e s i g n so f t h es y s t e ma r ec o r r e c ta n dt h a tt h es y s t e mi ss t a b l e k e y w o r d s ：s t r a p d o w ni n e r t i a ls y s t e m ；d y n a m i c a l l yt u n e dg y r o s c o p e p u l s er e b a l a n c el o o p ；d i g i t a lc o n t r o ll o g i ce l e c t r o n i c s ； t o r g u ec u r r e n tg e n e r a t o r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：年月日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章概论 惯性技术是利用惯性原理或者其它有关原理，自主地测量和控制物体角 运动及线运动的工程技术。它是惯性导航、惯性测量和惯性敏感器技术的总 称。核潜艇靠惯性导航能自主地( 不依赖外界) 准确地提供舰位、舰速及姿 态信息，以保证行动的隐蔽性、航行的安全性和攻击的准确性。现代军用飞 机不但靠机载惯性导航系统提供位置及姿态等导航信息，还用它与机上雷达 及火炮系统交联，组成攻击系统，能准确地打击目标。惯性技术还广泛应用 于雷达制导、火炮控制以及坦克炮塔、自行火炮、雷达天线及水声基阵、轰 炸机尾炮塔等的稳定，并逐步推广到石油开发、大地测量、海洋调查、地质 钻探和铁路等领域，因此惯性技术在国防现代化方面占有重要地位，在国民 经济各个领域中也日益显示出客观存在的巨大作用。 最初的惯性系统主要是平台式的。平台式惯性系统中加速度计和陀螺仪 安装于机电平台上，陀螺仪在导航计算机发出的施矩指令控制下，模拟预先 确定的导航坐标系的运动，通过平台稳定回路，使平台跟踪导航坐标系。加 速度计测量载体沿平台坐标系各轴的加速度分量，导航计算机据此计算载体 位置、速度和对陀螺的加矩信息。平台式惯性系统具有较高的精度。 随着现代数学、现代控制理论与计算机技术的发展，在平台惯导系统的 基础上又发展起捷联式惯导系统。捷联式惯导系统是把惯性敏感器( 陀螺仪 和加速度计) 直接安装在载体上，不再需要带有常平架的稳定平台，而是利 用惯性敏感器、数学平台来确定运载体的方位、位置和速度的导航系统。捷 联式惯导系统的惯性敏感器直接安装在载体上。惯性敏感器的工作环境恶劣， 因而其对惯性敏感器的要求较高，精度较平台式系统也差一些；但由于去掉 了机电平台，其体积、重量和成本都比平台式惯导系统大为降低，面可靠性 大为提高，维护使用上也带来许多方便。 喻尔滨= r 程大学硕士学位论文 1 2 发展捷联惯导的意义 平台式惯性系统与捷联式惯性系统并不是互相对立的，根据它们的特点， 它们应用于不同要求的对象。平台式惯性系统适用于精度要求高、工作时间 长、对系统成本、重量、体积要求较宽的应用对象，而捷联式惯性系统则适 用于中等精度要求、工作时间较短、而要求系统成本低、重量轻、体积小、 面广、量大的应用对象。因此，世界各先进国家都在积极致力于捷联式惯性 系统的研究。以舰载惯性系统为例，美、英、德、法等西方国家在发展舰载 惯导设备时，普遍将其划分为不同精度等级，既投资发展高精度的平台式惯 导系统和平台罗经，也致力于发展中等精度、低成本的捷联式惯导系统和航 向姿态基准系统。从应用领域看，捷联式惯导系统和航向姿态基准系统有着 十分广阔的发展前景，同样以舰载捷联系统为例，它可装备于导弹快艇、鱼 雷侠艇等小型舰艇上作为主要导航设备，也可装备于导弹驱逐舰和常规攻击 潜艇上作为辅助导航设备，另外，捷联航姿基准系统还可作为舰船武备系统 的一部分，为其提供姿态基准。近年来天文导航和卫星导航等其它导航方法 的发展更加拓宽了捷联式惯性系统的应用领域，采用捷联惯导与其它导航方 法的组合导航，互相取长补短，使整个系统不仅保持了捷联式惯性系统成本 低的优点，而且具有较高精度，比如捷联式系统与g p $ 的组合导航可适用于 各种大、小型舰艇，包括远洋考察船和航空母舰等远程舰。另外，捷联系统 也可用于汽车、深潜器和水下机器入等领域中。 1 3 国内外研究课题研究动态 从捷联系统的实际应用我们可以看出它的优点非常突出，现代捷联式惯 导系统具有一定的精度、反映时间短、可靠性高、体积小等特点。非常适合 武备系统的发展需要，据相关资料报道：美国军用惯导系统1 9 8 4 年全为平台 式，到1 9 8 9 年一半改为捷联式，在目前，美国和其他北约国家的中，绝大部 分的武备系统都装备了以光陀螺为核心的第二代标准捷联惯导系统，它与第 一代的挠性陀螺标准惯导系统在外形、功能和适用性三方面都是可以互换的。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 例如：m a r c o n if i n3 1 l o 型惯导装置，定位精度为0 , 6 海里4 , 时( 圆概率误 差) ，准备时间也由过去的1 5 分钟减少到5 8 分钟，系统可靠性从原来的几 百小时提高到2 0 0 0 4 0 0 0 小时，姿态精度在l m r a d 。目前饿军正执行的现代 化改进计划，准备2 0 0 5 年前在全部军用飞机上改装激光陀螺捷联惯导系统。 目前，我们国家航天科研院所与各地方得大学的科研项目中有许多都在 从事捷联惯导系统的研究，第一代的挠性陀螺标准惯导系统已走出实验室达 到应用阶段。例如：东南大学研制的捷联垂直参考基准已于2 0 0 2 年通过海军 组织的验收，走向舰船应用，但是该装备必须时刻依靠罗经提供的航向进行 误差修正，不能自主工作、系统工作不稳定等缺点；航天二院研制的小型化 的挠性捷联惯导装置已用于战术导弹、制导炸弹等使用的低成本小型装置上， 但是精度比较低。以光纤陀螺为核心的第二代标准惯导系统，我们国家正在 奋起直追，目前还没有成熟产品走向市场。 惯性技术领域的发展方向是高精度、高可靠性、低成本、小型化、数字 化。捷联式惯性导航技术就是发展方向的代表，有着十分广阔的发展和应用 前景，在我们国家光纤陀螺和激光陀螺的精度和稳定性还没有达到实用阶段 时，采用性能稳定、成本低廉、进动速率高、体积小、属于中等精度的挠性 陀螺仪符合目前客观发展的实际，在我国的光纤陀螺或激光陀螺发展成熟时， 可把挠性陀螺的软、硬件技术储备迅速的移植过来，可迅速促进捷联式惯性 导航技术的持续发展。 1 4 再平衡回路的发展历史和现状 动力调谐陀螺仪脉冲再平衡回路的研制，首先是在捷联系统迅速发展的 美国迸行的。7 7 年8 月，使用脉冲再平衡回路的捷联系统成功的制导了“探 险者”号宇宙飞船。此后，美国在战术导弹、军民用飞机、航天飞行器和船 用捷联系统中广泛的采用了动力调谐陀螺再平衡回路。在欧洲，再平衡回路 七十年代末和八十年初，西德j q 铁夫公司研制的动力调谐陀螺仪脉冲再平衡 回路，成功的应用于l s r 一8 5 船用捷联姿态基准系统。 虽然，在西方一些发达国家，捷联式动力调谐陀螺仪脉冲再平衡回路以 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i 在许多惯性系统中得到应用，从而使得捷联式系统取代平台式系统成为惯导 系统发展的主流；但是在我国，脉冲再平衡回路的研究工作开展的比较晚， 目前仅处于研制阶段。九十年代，脉冲再平衡回路作为挠性仪表捷联技术的 子课题被列入“八五”惯性技术预研计划。由于国防技术的保密性，国外先 进的技术难以得到；即使在国内，各研制单位也缺乏相互间的技术交流，在 某种程度上便使得这项研制工作目前还役有取得突破性的进展，还有待于深 入的研究。 i 5 本课题的意义和作用 陀螺是惯导系统中最重要的测量元件，它敏感载体的角速度。广泛地研 究和捷联式惯导系统的发展进程表明，单自由度液浮积分陀螺仪，动力调谐 陀螺仪、激光陀螺仪、光纤陀螺仪和半球谐振陀螺仪等较为适合捷联系统的 应用：其中动力调谐陀螺仪是目前国内应用最广的。 动力调谐陀螺仪，应用于捷联式惯导系统时，必须工作于闭环状态。这 是因为当载体沿参考坐标系的个轴作角运动时，动力调谐陀螺仪主轴将绕 另一个参考轴进动，且进动角随时恻积累；这不仅恶化了陀螺仪的性能，更 重要的是在捷联状态下，可能使得陀螺仪的主轴与输入轴重合，从而失去测 量作用。因此，必须将信号器产生的与陀螺转子转动角成比例的信号变换成 电流，通过力矩器产生绕输出轴的力矩，迫使陀螺仪绕输入轴进动，使得陀 螺转子的旋转轴与基准旋转轴保持一致。由于绕陀螺输入轴角运动的信息是 陀螺绕输出轴复位所需的力矩器电流的函数，所以铡量流经力矩器的电流可 以间接的获得输入角速度信息。完成这些功能的电子线路称为动力调谐陀螺 仪再平衡回路。 早期的再平衡回路是模拟式的，流经力矩器的电流与载体运动状况( 输 入角速率信患) 成比例龄连续量，其大小经a i d 变换后进入导航计算机。这 样，力矩器功耗随输入量的大范围变化造成陀螺仪内部热不稳定，产生较大 的温度漂移，雨且力矩器标度因数的非线性误差对系统精度影响很大；同对 完成a d 转换的v f 转换电路的非线性误差和量化误差将直接造成数学平台 4 哈尔滨上程大学硕士学位论文 漂移。因而模拟回路虽然在线路的简单性，可靠性、体积、成本、重量等方 面占有优势，但对陀螺仪力矩器的线性度，陀螺仪的热特性、温控回路、v f 转换电路的线性度以及分辨率等都提出了严格的要求；这些要求与现实之间 的矛盾制约了敏感元件性能的提高，从而限制了整个捷联系统性能的提高。 为了克服上述缺点，可以考虑对力矩器旌加幅值恒定的电流，将载体的 运动信息调制在电流的方向和持续时间上，即恢复陀螺转子输入轴位置所需 的力矩转动增量，只要这些增量足够小，而导航计算机的速度又足够快，那 么就可以精确的计算系统姿态的变化，这就是脉冲再平衡回路。由于流经力 矩器的是幅值恒定的电流，对力矩器的要求就由全范围内的线性度转变为两 个工作点的对称性，即相反极性电流的对称形；a d 转换在控制逻辑中自行 完成，消除了量化误差；适当的选择电流脉冲的形式，还可以使力矩器成为 一个功率恒定的热源，从而改善了陀螺仪的热环境。 虽然，脉冲再平衡回路在体积、成本、复杂性等方面较模拟回路处于劣 势；但在电子技术和集成电路等半导体工艺技术迅速发展的今天，这种劣势 以越来越小：更重要的是它有利于提高系统精度。鉴于我国惯性元件的研制 现状，激光陀螺仪尚未进入应用，动力调谐陀螺仪成为捷联系统合理和现实 的选择。因此，动力调谐陀螺仪脉冲再平衡回路的研制，对于促进我国捷联 式惯导系统水平提高，加强我国的国防科学技术具有重要的现实意义。 1 6 本论文的主要内容 从前面的论述中我们知道，工作于捷联状态的动力调谐陀螺仪是直接安 装在运动体上的，需要陀螺转子快速跟踪运动体的角运动，要求力矩器产生 足够大的施力力矩，使陀螺转子的进动角速度与运动体角速度始终保持一致。 本文在全面分析脉冲再平衡回路理论和技术的基础上，研制了一个二元调宽 脉冲再平衡回路，来完成上述功能。 围绕着上述任务，本论文的主要内容可分为以下几个部分： 一、阐述捷联惯导系统和动力调谐陀螺仪基本原理。 二、全面的分析了脉冲再平衡回路的理论和特性，包括建立系统的模型、 哈尔滨工程大学硕士学位论文 解耦、加矩方式的选择，系统回路设计等。 三、系统的分析了脉冲再平衡回路的主要误差及其特性影响，探讨了抑 制和补偿的方法，并对系统回路的可靠性设计做了适当的考虑。 四、完成了信号发生器、数字控制逻辑电路、力矩电流发生器的设计、 制作与调试。 第2 章捷联系统中动力调谐陀螺仪基本原理 2 1 捷联式惯导系统的基本原理 在介绍捷联式惯导系统( 以下简称捷联系统) 工作原理之前，先给出常 用坐标系的定义。 2 1 1 常用坐标系的定义 ( 1 ) i 系：地心惯性坐标系o x , y , z 根据牛顿定律的定义，惯性系就是没有旋转和加速度运动的坐标系，它 是绝对静止或保持匀速直线运动的坐标系。这样的坐标系在理论上很容易加 以定义，但在实际中很难实现。与真正的惯性坐标系最相近的是一种相对于 遥远的恒星保持惯性的坐标系。为了导航的需要，往往选取地心惯性坐标系。 地心惯性坐标系不考虑地球绕太阳的公转运动，忽略了太阳相对惯性空间的 运动。地心坐标系的原点选在地球的中心。理论上，惯性坐标系的定向无关 紧要，但习惯上将0 z 轴选在沿地轴指向北极的方向上，o x ，、o g 轴则在 地球的赤道平面内。 图2 1 坐标系示意图 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) e 系：地球坐标系0 暖e 五 地球坐标系是原点位于地心，与地球固连，其中轴与极轴重合的右手直 角坐标系。它相对惯性坐标系以地球自转角速度t o 。旋转， 珂。= 1 5 0 4 1 0 8 8 。h 。地球坐标系中q z 。与极轴重合，o o x 轴指向格林尼治 经线，o o e 轴指向东经9 0 。，如图2 1 所示 ( 3 ) h 系：地理坐标系o x y oz 地理坐标系是原点位于运载体所在的地球表面，其中一轴与地理垂线重 合的右手直角坐标系。地理坐标系的原点选取在船体重心处，o x 指向东， o y 指北， 沿垂线方向指天，通常称为东北天坐标系。地理坐标系是研究o z 载体导航的一个重要坐标系，如图2 1 所示。本文的地理坐标系即为导航坐 标系。 ( 4 ) b 系：载体坐标系o x b y h z 。 舰船在航行中由于受风浪的影响，经常出现偏航、纵摇、横摇，为了确 定舰船相对当地坐标系的角位置( 通常称为航向及水平姿态) ，就需要有与 舰船固连的坐标系。舰船坐标系的原点是舰船重心0 ，纵轴0 e 沿舰船首尾 线方向并指向舰首，横轴o x h 指向舰船的右舷，o z b 轴垂直于舰船的甲板平 面。坐标系构成右手直角坐标系。当舰船没有纵摇横摆时，咒0 k 平面即为 水平面，0 匝轴沿铅垂线指向天顶。舰船在航行时受风浪的作用将会在预定 航向附近左右偏摆，这种偏摆称为偏航。我们把预定的航行方向称为航向。 在水平面内，用北向基准线与航向线之间的夹角表示航向，通常该夹角为航 向角并以顺时针方向计量。舰船坐标系相对于当地地理坐标系所确定的状态 可以用姿态角表示。舰船姿态角是舰船纵摇角、横摇角、航向角的统称。 舰船纵轴轴向在水平面内投影方向称为航向，用北向基准线和航向方向 之间的夹角日表示航向角，通常以顺时针方向计量，舰船与水平面之间的夹 角y 称为纵摇角；舰船横轴与水平面之间的夹角0 称为横摇角。当已知航向 角日、纵摇角、横摇角p 的大小时，则舰船相对当地地理坐标系的角位置 完全可以确定，如图2 2 。对于舰船导航系统来说，三个姿态角的定义域定 义如下： 航向角，定义域为0 0 3 6 0 0 ； 0 横摇角，定义域为一9 0 0 9 0 0 ； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 y 纵摇角，定义域为9 0 0 9 0 0 2 1 2 捷联姿态矩阵 姿态矩阵c ；= p f ) 3 。，反映的是船体坐标系呱k 乙和地理坐标系 o x y 乙之间的方位关系，如图2 2 所示，b 系相对n 系的角位置可以用一组 欧拉角h 、臼、渺来表示两个坐标系之间的变换关系： 一h 妙 台 似n 匕z 一百似。- 虼，z a ，1 历咄a ：瓦：z a z1 瓦侧。k 乙 其变换表达式为 陋 c o 妇 州。；： 图2 2 姿态角坐标变换图 一c o s h s i n 0 - s i n h s i n y c o s 0i|txsinhsin0 c o s h s i n p c o s o e o s o e o s 一 一 iz lz _ 1 ( 2 一1 ) 吲引引n 丑 嚣。 h 晷o 叮甜。i珊 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c o s h c o s 0 + s i n h s i n v c o s 0 s i n - c o s 4 圹c o s h s i n 0 一s i n h s i n v c o s 01 e = lc o s h s i n p s i n o s i n h c o s 0 c o s y c o s h s i n s i n 0 一c o s h s i n 妒c o s 0 c o 甲s i 坩 s i n pc o s o c o 甲 c ：为正交矩阵，其逆矩阵即为姿态矩阵碟，从而 g = 阱：阴 ( 2 2 ) c o s h c o s o + s i n h c o s o s i n p c o s h s i n v s i n o - s i n h c o s o c o s , s i n 0 s i n h c o s vc o s v c o s hs i n p c 。s s i n 口一s i n h s i n v c 。阳一s i n h s i n 口一c 。s 日s i n c 。胡c 。s y c 。s 曰j ( 2 3 ) 显然，姿态矩阵c ；中的元素是舰船的航向角、纵摇角、横摇角的函数。知道 了它们的元素值，则可以单值地计算出h 、臼、妒的大小。 f 何= a r c t g ( t , 2 ，瓦2 ) = a r c s i n t 3 2( 2 4 ) 【0 = a r c t h ( 一正1 ) 表2 1 ha 的判断 g ( 2 ，2 )g ( 1 ，2 ) h 鼻 象限 - 0 + 9 0 0 2 7 0 0 o + h 生 ( 0 0 ，9 0 0 ) + 3 6 0 。+ h i ( 9 0 。，o 。) + 1 8 0 。+ h t ( 9 0 。，1 8 0 * ) 1 8 0 。+ h ( 1 8 0 0 ，2 7 0 0 ) 航向角h 的范围为0 。一3 6 0 。，因而存在多值问题，算出主值后，还要判断是 在哪一个象限，并且要对反j 下切函数的奇点进行判断。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 3 捷联系统的工作原理 由前文所述，惯性导航系统分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航 系统。平台式惯性导航系统有一个具有三轴常平架的陀螺稳定平台，该平台 相对于惯性空间稳定。它是利用陀螺仪主轴在惯性空间保持方向不变的定轴 性，通过三套伺服随动系统使平台能在惯性空间保持给定的姿态。安装在稳 定平台上的加速度计被稳定在惯性坐标系中其测量的比力经补偿后，进行两 次积分即可得舰船在惯性空间的位置，然后再将该位置矢量转换成需要的导 航信息，系统的原理图如图2 3 所示。 而对于捷联式惯性导航系统，导航用的加速度计是直接安装在舰船上， 脚罟 显 姿态矩阵 i 则 不 匕竺兰r 误 工 差 i 一 补 i平旋转翊 偿 商 ，商竺 器 阳 1 图2 4 捷联式惯导系统原理图 它测量的是舰船坐标系轴向比力厂6 ，只要把这个比力转换到惯性坐标系上 l l 则其他计算就和空间稳定的平台式惯性导航系统一样，而比力转换的关键就 是要实时地进行两坐标系间的变换矩阵计算，即实时更新姿态矩阵c ：，有 些资料上称姿态矩阵为捷联矩阵或方向余弦矩阵。其导航原理图如图2 4 所 示。 2 2 动力调谐陀螺仪的工作原理 2 2 1 动力调谐陀螺仪的特点 动力调谐陀螺仪( d y n a m i c a l l yt u n e dg y r o ，缩写为d t g ) 是一种利用挠 性支撑悬挂陀螺转子，并将陀螺转子与驱动电机隔开，其挠性支撑的弹性刚 度与支撑本身产生的动力效应来补偿的新型的二自由度陀螺仪。动力调谐陀 螺仪与液浮陀螺仪相比，两者精度相当，但动力调谐陀螺仪具有下列优点： 结构简单，零部件少，体积小，重量轻，抗冲击能力强，可靠性高，寿命长， 功耗少，起动快，成本较低，加工装配较容易，适合于大批量生产等。 2 2 2 动力调谐陀螺仪的结构 动力调谐陀螺仪的结构如图2 5 所示。 动力调谐陀螺仪有驱动电机、挠性接头、陀螺转子、信号器、力矩器和 壳体等组成。信号器用来检测壳体相对转子自转轴的偏角，并提供陀螺仪的 输出信号，一般采用电感式或电容式信号器。电感式信号器，其导磁体就是 转子体本身，丽铁心和线圈则安装在壳体上。力矩器用来对陀螺转子施加力 矩，并使转子进动或保持稳定方位，一般采用永磁式力矩电机器或涡流杯式 力矩器。永磁式力矩电机器其永磁环固装在转子内壁上，而线圈固装在壳体 上。驱动轴的一端通过挠性接头与陀螺转子相连，使驱动电机转子不再是陀 螺转子的一部分，而是驱动电机的一部分。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 5 动力调谐陀螺仪的结构图 动力调谐陀螺仪有驱动电机、挠性接头、陀螺转子、信号器、力矩器和 壳体等组成。信号器用来检测壳体相对转子自转轴的偏角，并提供陀螺仪的 输出信号，一般采用电感式或电容式信号器。电感式信号器，其导磁体就是 转子体本身，而铁心和线圈则安装在壳体上。力矩器用来对陀螺转子施加力 矩，并使转子进动或保持稳定方位，一般采用永磁式力矩电机器或涡流杯式 力矩器。永磁式力矩电机器其永磁环固装在转子内壁上，而线圈固装在壳体 上。驱动轴的一端通过挠性接头与陀螺转子相连，使驱动电机转子不再是陀 螺转子的一部分，而是驱动电机的一部分。 挠性接头是有互相垂直的内、外扭杆和平衡环组成。一对共轴线的内扭 杆与驱动轴及平衡环固连，另一对共轴线的外扭杆与平衡环及陀螺转子固连。 内扭杆轴线垂直与驱动轴轴线，外扭杆轴线垂直与内轴轴线，并且内、外扭 杆轴线相交于一点。内、外扭杆绕其自身轴线有很低的扭转刚度，而绕于内 外扭杆轴线垂直的方向有很高的抗弯刚度。 当驱动电机使驱动轴旋转时，驱动轴通过内扭杆带动平衡环旋转，平衡 环在通过外扭杆带动陀螺转子旋转。当陀螺转子绕内扭杆轴线有转角时，陀 螺转子通过外扭杆带动平衡环一起绕内扭杆轴线偏转，内扭杆将产生扭转弹 性变形。当陀螺转子绕外扭杆轴线有转角时，则不会带动平衡环绕外扭杆轴 哈尔滨工程大学硕士学位论文 线偏转，而仅是外扭杆将产生扭转弹性变形。由此可见，由内外扭杆和平衡 环组成的挠性接头，一方面起着支撑陀螺转子的作用，一方面又提供了陀螺 转予所需的转动自由度。 驱 图2 6 挠性陀螺示意图 在动力调谐陀螺仪工作时，若陀螺转子自转轴与驱动轴之间出现相对偏 角，则扭杆将产生扭转弹性变形，挠性接头会由此而产生弹性约束力矩( 又 称正弹性力矩) ，作用到陀螺转子上。与此同时，平衡环将作扭摆运动( 又称 平衡环振荡运动) ，并产生一个与正弹性力矩方向相反的动力弹性力矩，作用 到陀螺转子上，f 好起到补偿f 弹性力矩的作用，此力矩通常称为负弹性力 矩。 2 2 3 动力调谐陀螺仪的基本工作原理 为了说明动力调谐陀螺仪工作原理，采用图2 6 所示来说明。取坐标系 o x y z 固联在壳体上，不随转子旋转，使o z 轴与驱动轴重合。取坐标系o x y z 固联在支架上，o z 轴可随转予旋转，使o x 轴与内半轴重合，掣轴与外半轴 哈尔滨：程大学硕士学位论文 重合。取弧轴与o x 轴重合的瞬间为零点。当驱动轴由于外壳的转动相对于 o z 轴转过一个小角度时，由于陀螺定轴性，转子将保持自旋o z 轴方向不 变。平衡环必须绕内半轴( o x 轴方向) 振动，振动角度口与角度口有以下关 系，即口= 口c o s q f 。 驱动角速度q 在o x t z 坐标系三个轴上的投影分别为 q = 一a q s i n q f 。= f l s i n f l = a f l c o s d t 0 ) z = f 2 c o s f l q 设平衡环绕三个轴的转动惯量分别为日、b 、c 。绕三个轴的角动量分别 为 皿= 一口a q s i n q ， h y 2 6 诞1 c o s q f h ：= c q 根据动量矩定理：d i h ：掣+ 历。h ，作用于平衡环上的沿何轴的陀螺 d f6 l 力矩分量为( 以厅= 以f + 嘭，+ 也女和历= q f + q ，+ q 尼计算) t = 一( 口+ 6 一c ) c z q 2c o s o t 而作用于转予上的力矩为一 t 。将这个力矩投影到固定坐标系o x i e z 中得出 m ：= 一m xc o s f 2 t 丢( 口+ 6 一咖n z + 去( d + 6 一c ) 0 0 2 c o s 2 q r 也就是说，当转子相对于驱动轴有一偏转角d 时，将引起一反弹簧力矩， 它与口同号，使口增大。由于挠性陀螺有内、外扭杆，它可抵消这个正弹簧 力矩。此时取 虬= 一丢 ( k + 巧) 一( 一c ) q 2 d = o 其中疋、k y 为沿甜轴和o y 轴扭杆的弹簧刚度。 令 世= 圭( k + 巧) = 互1 ( 口+ 6 - c ) q 2 n = 压 即在转子转速满足上式时，转子成为无约束，为自由陀螺状态。但在实 际工程应用中n 是固定的，而是改变惯量使之满足上式。 2 3 捷联式动力调谐陀螺仪的工作原理 动力调谐陀螺仪按使用目的可分为自由陀螺仪和速率陀螺仪。自由陀螺 仪一般在平台惯导系统中使用，而速率陀螺仪则在捷联式惯导系统中用，有 时也称捷联式陀螺仪。速率陀螺仪在捷联惯导系统中作为测量元件，它直接 安装在运载体上。陀螺仪的动量矩日轴在力矩器的作用下跟踪运载体，与其 一起运动。陀螺仪的输出是绕运载体另外两根轴转动的角增量，通过计算机 的处理，得到运载体的3 个姿态角和其他参数。对陀螺的基本要求是具有最 大的加矩速率，使陀螺仪的h 轴能快速跟踪运载体的角运动。 动力调谐陀螺仪在捷联式惯导系统中使用时，陀螺信号器用来检测壳体 相对转子自转轴的偏角，角传感器的输出即为加矩电子线路的输入，经加矩 电路产生的电流输入到陀螺力矩器，形成一个绕输出轴的力矩。在理想情况 下，该力矩与由壳体绕输入轴角速率以造成的陀螺进动力矩平衡，使陀螺仪 主轴始终保持稳定。输给力矩器的电流可以是模拟量，也可是数字量，该电 流是陀螺壳体绕输入角速率以的直接量度。也就是说，应用于捷联系统中的 动力调谐陀螺仪必须工作于闭环状态。它将其信号器产生的与陀螺仪进动角 成比例的电压信号变换成电流信号，通入力矩器，产生绕输出轴的力矩，迫 使陀螺仅绕输入轴进动。当这一进动的角速度与输入角速度方向相同、大小 相等时，陀螺仪主轴达到新的平衡状态，由原来的静止平衡状态过渡到新的 运动平衡状态。通常称这一平衡为再平衡，其力反馈回路称为再平衡回路。 再平衡回路具有下列功能： ( 1 ) 在陀螺仪随同其载体运动的过程中，保证陀螺转子跟随其壳体运动， 防止因主轴进动使陀螺转子与其壳体碰撞而失去测量功能。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 改善陀螺仪性能，扩大陀螺仪量程范围。 ( 3 ) 测量流经力矩器的反馈电流，可间接地获得输入陀螺仪的载体运动角 速度的大小。 由上述功能可见，再平衡回路不仅是一个锁定回路，而且也是一个测量 回路。作为本文的重点，将在后续章节详细讨论。 3 1 引言 第3 章脉冲再平衡回路的理论基础 捷联式惯导系统中的陀螺是用来测量陀螺坐标系相对于惯性空间的角 位移的，为了提高测量精度，把它设计成一个闭环测量系统。需要设计一套 再平衡回路，其作用是通过角度传感器随时检测敏感陀螺输出轴的转角，经 过放大，反馈到陀螺力矩电机，用力矩器产生的力矩去平衡输入角速率引起 的陀螺力矩，用测量反馈力矩的大小和方向来测量陀螺力矩的大小和方向， 就可以测出输入角速度值，进而解算出角增量值，作为导航计算的依据。 再平衡回路按对力矩器施加电流方式的不同，可分为模拟再平衡回路和 脉冲再平衡回路两种。 模拟再平衡回路中，流经力矩器的是连续变化的缓慢直流量。由于模拟 式仪表精度偏低，为了较精确地测量力矩器电流，同时又便于与数字计算机 相配合，一般采用精密电阻对电流信号进行变换，使之成为电压信号，再用 v f 或a ，d 转换电路将其转变为数字信号。模拟再平衡回路虽然在线路的 简捷性、可靠性、体积、成本、重量等方面占有优势，但对陀螺仪力矩器的 线性度、陀螺仪的热特性、温控电路，a d 转换线路的线性度和分辨率等均 提出了严格的要求，这些要求与现实性之间的矛盾制约了敏感元件系统整体 性能的提高。 脉冲再平衡回路中，对力矩器施加幅值恒定的电流，将漂移信号或载体 的运动信息调制在电流方向和持续时间上。脉冲再平衡回路的输出是幅值恒 定的脉冲电流，对力矩器的要求由全工作范围内的线性度转变为两个工作点 的对称性，a d 转换过程在控制逻辑内自行完成，消除了量化误差。适当选 择电流脉冲的形式，还可以使力矩器成为一个功率恒定的热源，改善陀螺仪 的热环境。因此，脉冲再平衡回路有利于构成一个高性能的敏感元件系统。 在脉冲电流的激励下，作用于陀螺仪的反馈力矩是脉冲力矩，称此方式的加 矩为脉冲加矩。 l r 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为此，本文将主要进行脉冲再平衡回路的分析与设计。首先讨论脉冲再 平衡回路各环节的传递模型和回路的交叉耦合，然后论证脉冲再平衡回路控 制解耦和输出解耦的不可同时实现性，最后讨论脉冲再平衡回路实现全解耦 的方法。 3 2 脉冲再平衡回路的组成与模型 图3 - 1 所示为脉冲再平衡回路的单回路组成。其中，统称前置放大、交 流放大、同步解调、带阻滤波、直流放大与补偿为信号处理器；工作坏发生 器与力矩电流发生器组成脉宽调制器。 图3 1 脉冲再平衡单回路的组成 3 2 。1 动力调谐陀螺仪的传递模型 设僦陀螺仪壳体坐标系；o x y z 陀螺仪转子坐标系，但不参与转子自 转。两坐标系初始位置重合，运动过程中的相对位置用她y z 系绕甜轴的转 角和绕0 y 轴的转角口表示。又设陀螺仪壳体相对位置于惯性空间的运动 角速度和作用于转子上的外力矩m 在甜、d j ，轴上的分量分别为玉、；， 莉m pm y 。 1 9 哈尔滨工程大学硕十学位论文 当陀螺仪处于完全调谐状态并忽略阻尼力矩、二次谐波力矩等次要因素 时，以口、口表示的陀螺仪转子运动方程为： r j ，1 7 + h 口。m x - 3 驴y 一日r ( 3 - i ) i j a h = m r j 矽y + h 妒j 其中，l ，= a + 兰为陀螺赤道转动惯量； z h = ( c + a ) n 为陀螺自转角动量： c 为转子及转动惯量； 为转子自转角速度； d 为平衡环赤道转动惯量。 在零输入条件下，对( 3 1 ) 是作拉式变换为： 此式即为动力调谐陀螺仪动力学的传递函数。其中了可翻项表 示陀螺仪的进动特性，即一个轴上的作用力矩产生绕另一个轴的转动，是陀 螺的主传输项；刁南项表示陀螺仪的刚体特性，即一个轴上的作 用力矩产生绕同一轴的转动，是不希望存在的陀螺耦合项。以矩阵g ( s ) 表示 这两种动力学效应，得 6 ( s ) = 1 可可瓦四 h 万丽 二丝 ，2 s s 2 + ( ，) 2 !一 虹，+ ( 玎 ( 3 3 ) 塑一 蔫 竺 哈尔滨二l 程大学硕士学位论文 则 ( 矧一卜，( 勰l a ( s ) l 冉( j ) l m ，( s ) ( 3 - 4 ) 动力调谐陀螺仪传递模型方块图如图3 2 所示。其中，转子相对壳体的 偏角卢、口由角度传感器变换为电信号输出，标度因数k ，；作用于转子上 的外力矩m t 、m y 主要有力矩电流产生，标度因数坼。 霞( j ) 丸( s ) 图3 2 动力调谐陀螺仪的传递模型 3 , 2 2 信号处理器的传递函数 陀螺仪信号的输出电压反映了转子相对于壳体的偏角，检测这一电压， 并按照一定的控制调节规律产生力矩电流，迫使这一电压归零，这样可以使 得陀螺仪转子跟随壳体运动。 在陀螺仪信号中采用差动式电压传感器，转子偏角作为幅度调制在激磁 电压上；但由于工作过程转子偏角甚小，传感器输出信号微弱。因此在再平 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 衡回路中，首先通过前置放大器提高信号电平，在经过交流放大进一步提高 信号电平，然后利用解调器恢复转子偏角；为了实现系统有良好的动态性能， 用直流放大和补偿校正网络保证回路稳定并提供足够的带宽和稳定裕度。 从信号传感器到解调器，是一个交流载波系统，调制和解调的过程都会 造成频率的变化。然而，只要调制和解调都是理想的，即载波频带远比误差 信号频带宽，那么调制和解调不会造成误差信号的失真。 因陀螺仪激磁频率f = 8 k h z ，远大于误差信号频率( 最高为l k h z ) ， 所以，从调制器( 即信号传感器) 经前置放大、交流放大、相敏解调、到带 阻滤波器的等效传递函数 嘭( ( s ) = k e 。k i k 2 k d k l ( s ) 其中，k e 为信号传感器传递函数；墨为前置放大器增益；丘为交流放大器 增益；为解调器传递系数；k l ( 5 ) 为带阻滤波器传递函数。 因带阻滤波器对误差信号只起无失真的传输作用，同时去除低频成份， 故 墨( s ) 5 k 其中，k ，为带阻滤波增益。 所以以上分析有 q c ( s ) = k p k l k 2 k j ) k l ( 3 5 ) 为保证具有一定的稳态和动态性能，需要在回路中设置直流放大器和回 路补偿器，即校正网络，设其传递函数为 瓯( s ) = k ( s ) 其中，为校正网络增益，屹( s ) 为其频率特性。 所以，从信号传感器到信号处理器的传递系数为 群世”( j ) = q ( ，( s ) g 出( j ) = k 墨- k 2 k - 如t k ( j ) 其中，k 。( s ) = q k ( s ) 为信号处理器传递函数；g 。为传递系数，k ( s ) 为 其频率特性。故从上式，有 g e c ( j ) = k k 2 ，d 邑j 气 ( 3 6 ) k ( s ) = j ( j )( 3 7 ) 即信号处理器频率特性取决于校正网络的频率特性。 堕笙堡兰垄盔堂堡主堂焦鲨銮 3 2 3 脉宽调制器的传递函数 脉宽调制器中的力矩电流发生器由恒流源和极性开关组成，如图3 3 所 示。脉宽调制器的输入量是补偿网络的输出直流电压，输出是加给力矩器 的电流。在脉宽调制器内，首先将调制成等幅、宽度随k 变化的正、负方 波，然后用此方波去控制极性开关而输出相应宽度的正、负脉冲电流。 叫主譬p 堕叫霁萎h 雠源p 燮 图3 1 3 脉宽调制器 由于采样周期相对陀螺仪相应的时间常数来说是个小量，陀螺实际上是 将力矩电流积分，因而对陀螺输入起作用的是平均电流。 假设锯齿波斜率为r ( 单位：v i s ) ，在一个采样周期f 内，锯齿波 峰峰值为r r 。 根据等面积原则，可求出电压与时间变换的传递函数为 坐：r t s ：r( 3 8 ) f 2 ； 在一个z 内，极性开关输出的平均电流 出：土产f f ) a t ：兰l 二生：! 鱼q 堂! 二! 垒q 二些! t j o 2 ；，； 哈尔滨工程人学硕士学位论文 式中，a 1 。= 4 。为误差信号时，脉冲方波电流面积，如图3 3 所示 a a = a a i = a a 2 故a t ：2 1 a t y 8 叫2 ， f 瓦 把( 3 8 ) 式和上式取拉式变换，可得脉宽调制器传递函数 g a ( 加器= 惫 ， 取足：旦 r y ： 则 瓯( j ) = k ( 3 1 0 ) 图3 4 动力调谐陀螺仪再平衡回路方块图 2 4 堕垒送王堡丕堂堡堂堡堡塞 以上讨论了脉冲数字再平衡回路各部分的传递函数。由于动力调谐陀螺 仪是一个双输入双输出系统，特性对称，所以另一个通道的传递函数也一样。 3 3 动力调谐陀螺仪交叉耦合与解耦的基本概念 由图3 4 ，得如下方程 鼽g = 黜 ：郦，黝心剖 一g 2 ( s ) 1 g 1 ( s ) j q = 矗 盼尚 砗( ；： ( 裂) 掰赤 丢- c d h 俐 协，- ， 式中， c = 1 + 蟛k k 。，( s ) 坼g l ( j ) d = k r 尼酶c ( s ) g 2 ( s ) i r l x ( s ) ( s ) ) = k k e c ( s ) k p ( c - c d h 矧 z ， 从式( 3 1 1 ) 和( 3 1 2 ) 可看出，不论是转子偏角，还是力矩器反馈电 似忆晦 岛 瑙 =、，纠 哈尔滨工程人学硕士学位论文 流都与输入角速度信号发生交叉耦合，也就是说，一个轴上的输入角速率能 够在两个轴上产生转子偏角和反馈力矩。 就捷联系统而言，不仅希望动力调谐陀螺仪漂移小，线性度好，而且希 望各测量轴的测量数据间不存在耦合，即沿一个输入轴的角速率输入仅在与 之相应的输出轴上产生输出，以保证捷联系统原始数据的精度。因而消除耦 合成为动力调谐陀螺仪再平衡回路设计的基本问题之一。与其耦合相对应， 这种解耦也是双重的，消除回路的检测控制量