CN103913157A - 一种三浮陀螺仪有源磁悬浮控制***及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三浮陀螺仪有源磁悬浮控制***及控制方法，包括磁悬浮元件、第一浮子位置检测电阻组、第二浮子位置检测电阻组、模拟信号转换电路、多路选通器、控制器、第一激磁/加力控制开关组和第二激磁/加力控制开关组；磁悬浮元件、第一浮子位置检测电阻组、第二浮子位置检测电阻组共形成五路惠斯顿测试电桥。本发明公开的控制方法将控制器的控制周期分为位置信号采样周期Tc，加力周期Tf，恢复等待周期Td。本发明能够控制三浮陀螺仪浮子的五个自由度，使其精确定中。本发明的控制***靠单边磁极加力来控制磁悬浮元件位移并采用状态解耦控制方法，能够提高三浮陀螺仪的精度。

Description

一种三浮陀螺仪有源磁悬浮控制***及控制方法
技术领域
本发明属于传统惯性仪表技术领域，具体涉及三浮陀螺仪有源磁悬浮控制***。 
背景技术
支承装置是惯性仪表的重要组成部分，也是决定仪表精度的关键部件。实践表明，不用磁悬浮的液浮陀螺，只要进行长时间的测试，不确定误差因素总是要反映出来的，漂移速度必然是很不稳定的。而有磁悬浮的液浮陀螺仪在精度性能上比无磁悬浮的要高1～2个数量级。有磁悬浮的液浮陀螺仪可以采用有源磁悬浮和无源磁悬浮方式。有源磁悬浮将无源磁悬浮的差动加力改为单边加力后，不但平均加力大大降低，而且控制算法的选择和控制参数的调整也更加灵活方便。三浮陀螺仪是在单自由度液浮陀螺基础上研制的高精度陀螺，其陀螺马达采用动压气体支承；陀螺浮子组件采用液体悬浮，使其重、浮力基本相等，在消除了支承摩擦力的同时提高了陀螺仪抗冲击、振动的能力；对其再施加磁悬浮以消除剩余重浮力差的影响并进行精确定中，使浮子组件完全处于悬浮状态，消除了机械接触摩擦的影响，有效的提高了陀螺仪的精度及其稳定性。作为辅助支承，磁悬浮控制***在三浮陀螺仪中的作用主要有两点：①克服陀螺浮子组件的重、浮力差，使其和陀螺其它零、部件不接触，消除机械摩擦力矩。②控制浮子组件除沿浮子输出轴方向的转动自由度以外的五个方向的自由度，对陀螺浮子组件进行精确定中，使陀螺浮子组件相对陀螺壳体的空间位置保持稳定，提高陀螺仪使用性能。磁悬浮控制***在完成上述主要功能的同时，不能给陀螺仪带来很大的干扰力矩，影响陀螺仪的精度。以往的三浮陀螺仪有源磁悬浮控制***结构较复杂，影响陀螺仪的精度。 
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种体积小、结构简单的三浮陀螺仪有源磁悬浮控制***，以提高三浮陀螺仪的精度。 
本发明进一步要解决的技术问题是提供一种三浮陀螺仪有源磁悬浮控制方法，能够提高三浮陀螺仪的精度。 
本发明包括如下技术方案： 
一种三浮陀螺仪有源磁悬浮控制***，三浮陀螺仪包括浮子，三浮陀螺仪有源磁悬浮控制***包括磁悬浮元件、第一浮子位置检测电阻组、第二浮子位置检测电阻组、模拟信号转换电路、多路选通器、控制器、第一激磁/加力控制开关组和第二激磁/加力控制开关组； 
磁悬浮元件包括位于浮子左侧的轴向磁悬浮元件、位于浮子右侧的轴向磁悬浮元件，位于浮子左侧的径向磁悬浮元件和位于浮子右侧的径向磁悬浮元件；位于浮子左侧的轴向磁悬浮元件具有定子线圈LZR和位于浮子右侧的轴向磁悬浮元件具有定子线圈LZL；位于浮子左侧的径向磁悬浮元件具有一对X方向定子线圈LXL+、LXL-和一对Y方向定子线圈LYL+、LXL-；位于浮子右侧的径向磁悬浮元件具有一对X方向定子线圈LXR+、LXR-和一对Y方向定子线圈LYR+、LXR-；其中X方向为三浮陀螺仪的马达轴方向，Y方向为三浮陀螺仪的输入轴方向，Z方向为三浮陀螺仪的输出轴方向； 
第一浮子位置检测电阻组包括五个电阻RZL、RXL+、RYL+、RXR+、和RYR+；第二浮子位置检测电阻组包括五个电阻RZR、RXL-、RYL-、RXR-、和RYR-； 
第一激磁/加力控制开关组包括五路激磁控制开关和五路加力控制开关；第二激磁/加力控制开关组包括五路激磁控制开关和五路加力控制开关；每路激磁控制开关的一端与激磁电源相连，每路激磁控制开关的另一端与相应的电阻相连；每路加力控制开关的一端与加力电源相连，每路加力控制开关的另一端与相应的定子线圈输入端相连；第一激磁/加力控制开关组和第二激磁/加力控制开关组与控制器相连； 
电阻RZL、定子线圈LZL、定子线圈LZR、和电阻RZR串联组成第一路惠斯顿测试电桥；电阻RXL+、定子线圈LXL+、定子线圈LXL-、和电阻RXL-串联组成第二路惠斯顿测试电桥；电阻RYL+、定子线圈LYL+、定子线圈LYL-、和电阻RYL-串联组成第三路惠斯顿测试电桥；电阻RXR+、定子线圈LXR+、定子线圈LXR-、和电阻RXR-串联组成第四路惠斯顿测试电桥；电阻RYR+、定子线圈LYR+、定子线圈LYR-、和电阻RYR-串联组成第五路惠斯顿测试电桥；每路惠斯顿测试电桥输出一路代表浮子位置的电压差信号；定子线圈LZL、LXL+、LYL+、LXR+、LYR+、LZR、LXL-、LYL-、LXR-、LYR-的输入端与多路选通器的相应输入端相连；多路选通器的输出端与模拟信号转换电路的输入端相连；模拟信号转换电路的输出端与控制器相连；多路选通器在控制器的控制下分时选择输出一路惠斯顿测试电桥输出的电压差信号至模拟信号转换电路；模拟信号转换电路将电压差信号进行放大、解调和滤波，获得与浮子位置对应的信号，并将其输入至控制器；控制器根据与浮子位置对应的信号计算加力控制信号；通过控制器控制第一激磁/加力控制开关组和第二激磁/加力控制开关组的开合以使得定子线圈交替作为位置传感器和力发生器。 
上述三浮陀螺仪有源磁悬浮***的控制方法，将控制器的控制周期分为位置信号采样周期Tc，加力周期Tf，恢复等待周期Td； 
在位置信号采样周期Tc，控制器控制所有激磁控制开关闭合，所有加力控制开关关断，激磁电源输出的激磁电流流过每路惠斯通测试电桥，此时定子线圈作为位置传感器，控制器通过控制多路选通器分时采集五路与浮子位置对应的信号进行处理后，控制器根据与浮子位置对应的信号计算加力控制信号，准备输出加力控制信号； 
在加力周期Tf，控制器控制所有激磁控制开关关断，控制器输出加力控制信号至加力控制开关，控制加力控制开关的开、合及持续时间，在加力控制开关的控制下加力电源输出加力电流至磁悬浮元件的定子线圈上，从而为磁悬浮元件提供磁拉力，完成对浮子的定中控制；此时磁悬浮元件的定子 线圈作为力发生器； 
在恢复等待周期Td，控制器控制所有激磁控制开关和加力控制开关关断，让磁悬浮元件定子和转子退磁。 
控制器根据与浮子位置对应的信号计算加力控制信号的方法如下：控制器将获得的与浮子位置对应的信号组成检测信号Y；将检测信号Y与输出系数矩阵C的逆阵相乘获得位移信号和偏角信号，对位移信号利用平动控制率获得力信号；对偏角信号利用转动控制率获得力矩信号，将力信号、力矩信号与控制系数矩阵B的逆阵相乘获得加力控制信号。 
本发明与现有技术相比的优点在于： 
本发明的三浮陀螺仪有源磁悬浮控制***包括磁悬浮元件、第一浮子位置检测电阻组、第二浮子位置检测电阻组、模拟信号转换电路、多路选通器、控制器、第一激磁/加力控制开关组和第二激磁/加力控制开关组。磁悬浮元件的定子线圈、第一浮子位置检测电阻组、第二浮子位置检测电阻组形成五路用于检测浮子位置的电桥，五路用于检测浮子位置的电桥共用一套模拟信号转换电路，减小磁悬浮控制***的体积，提高电路的集成度。本发明利用磁性元件的磁拉力完成对浮子组件五个方向的自由度的控制使其精确定中，轴、径向分开控制。本发明的三浮陀螺仪有源磁悬浮控制***的静态电流很小，功率低，干扰力矩小，仪表精度高。 
有源磁悬浮控制***中，磁悬浮元件既作为位置传感器又作为控制加力元件，为了避免磁性材料磁化曲线的非线性对***性能造成的负面影响，在控制过程中采用时间分割技术使得这两种功能不在磁悬浮元件上同时进行。本发明的控制方法将控制周期分为三段，能够提高检测精度和控制精度，从而提高了以表精度。 
本发明对浮子的平动和转动两类运动模态直接进行控制，可以解决多轴磁悬浮控制***中采用输出反馈分散控制方法时存在的“跷跷板”和“H反馈”问题，有效的改善***的品质，实现多入-多出耦合***的解耦控制。 
附图说明
图1为本发明的三浮陀螺仪有源磁悬浮控制***原理框图。 
图2为本发明的磁悬浮元件图；其中，图2a为径向磁悬浮元件示意图，图2b为轴向磁悬浮元件示意图。 
图3为本发明的控制器的时序控制图。 
图4为本发明的磁悬浮元件的加力信号功能框图。 
图5为本发明的控制器的多路解耦控制原理框图。 
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。 
如图1所示，本发明的三浮陀螺仪有源磁悬浮控制***包括磁悬浮元件（1）、第一浮子位置检测电阻组（2-1）、第二浮子位置检测电阻组（2-2）、模拟信号转换电路（3）、多路选通器（4）、控制器（5）、第一激磁/加力控制开关组（6-1）和第二激磁/加力控制开关组（6-2）。磁悬浮元件包括位于浮子左侧的轴向磁悬浮元件、位于浮子右侧的轴向磁悬浮元件，位于浮子左侧的径向磁悬浮元件和位于浮子右侧的径向磁悬浮元件；位于浮子左侧的轴向磁悬浮元件具有定子线圈LZR和位于浮子右侧的轴向磁悬浮元件具有定子线圈LZL；位于浮子左侧的径向磁悬浮元件具有一对X方向定子线圈LXL+、LXL-和一对Y方向定子线圈LYL+、LXL-；位于浮子右侧的径向磁悬浮元件具有一对X方向定子线圈LXR+、LXR-和一对Y方向定子线圈LYR+、LXR-；其中X方向为三浮陀螺仪的马达轴方向，Y方向为三浮陀螺仪的输入轴方向，Z方向为三浮陀螺仪的输出轴方向。 
第一浮子位置检测电阻组（2-1）包括电阻RZL、RXL+、RYL+、RXR+、和RYR+。第二浮子位置检测电阻组（2-2）包括电阻RZR、RXL-、RYL-、RXR-、和RYR-。第一激磁/加力控制开关组（6-1）包括五路激磁控制开关和五路加力控制开关。第二激磁/加力控制开关组（6-2）包括五路激磁控制开关和五路加力控制开关。每路激磁控制开关的控制端与控制器的I/O口相连，每路激磁控制开关 的一端与激磁电源相连，每路激磁控制开关的另一端与相应的检测电阻相连。每路加力控制开关的一端与加力电源相连，每路加力控制开关的另一端与磁悬浮元件（1）的定子线圈输入端相连。电阻RZL一端与第一激磁/加力控制开关组6-1中的一路激磁控制开关相连，电阻RZL另一端与定子线圈LZL输入端相连，定子线圈LZL的接地端与定子线圈LZR的接地端相连后与电源地端相连；定子线圈LZR的输入端接电阻RZR的一端，电阻RZR的另一端与第二激磁/加力控制开关组中的一路激磁控制开关相连。电阻RZL、定子线圈LZL、定子线圈LZR、和电阻RZR串联组成第一路惠斯顿测试电桥。电阻RXL+一端与第一激磁/加力控制开关组6-1中的一路激磁控制开关相连，电阻RXL+另一端与定子线圈LXL+输入端相连，定子线圈LXL+的接地端与定子线圈LXL-的接地端相连后与电源地端相连；定子线圈LXL-的输入端接电阻RXL-的一端，电阻RXL-的另一端与第二激磁/加力控制开关组中的一路激磁控制开关相连。电阻RXL+、定子线圈LXL+、定子线圈LXL-、和电阻RXL-串联组成第二路惠斯顿测试电桥。类似地，电阻RYL+、定子线圈LYL+、定子线圈LYL-、和电阻RYL-串联组成第三路惠斯顿测试电桥。电阻RXR+、定子线圈LXR+、定子线圈LXR-、和电阻RXR-串联组成第四路惠斯顿测试电桥。电阻RYR+、定子线圈LYR+、定子线圈LYR-、和电阻RYR-串联组成第五路惠斯顿测试电桥，每路测试电桥输出一路代表浮子位置的电压差信号。五路惠斯顿测试电桥通过磁悬浮元件移动时间隙长度的变化所引起的电感变化来检测浮子位置。定子线圈LZL、LXL+、LYL+、LXR+、LYR+、LZR、LXL-、LYL-、LXR-、LYR-的输入端与多路选通器的相应输入端相连；多路选通器的输出端与模拟信号转换电路的输入端相连；模拟信号转换电路的输出端与控制器相连。多路选通器在控制器的控制下分时选择输出一路测试电桥输出的电压差信号至模拟信号转换电路。然后，通过模拟信号转换电路（3）将采样得到的每路电桥输出电压差进行放大、解调和滤波，获得与浮子位置对应的直流信号，并将其输入至控制器。五路电压差信号共用一套模拟信号转换电路，减小磁悬浮控制***的体积，提高电路的集成度。 
本发明磁悬浮控制***利用磁性元件的磁拉力完成对浮子组件五个方向的自由度的控制使其精确定中。轴、径向分开控制，其中，一对轴向磁悬浮元件控制浮子组件的轴向线动自由度，一对径向磁悬浮元件控制浮子组件的径向线动自由度和绕陀螺自转轴、输入轴的转动自由度。每个径向磁悬浮元件采用外定子、内转子结构，如图2a。轴向磁悬浮元件定子为罐型磁心结构，转子为圆饼形无磁滞结构，如图2b所示。磁悬浮元件的定子部分安装在陀螺壳体上，转子部分安装在陀螺浮子组件上。 
本发明的控制器主要完成功能如下： 
（1）通过A/D采样得到以电压表示的浮子位置信号； 
（2）对采样得到的位置信号进行处理，实现要求的磁悬浮回路控制算法，得到磁悬浮加力控制信号； 
（3）通过控制器的I/O口控制多路选通器实现多路切换，通过控制器的I/O口控制第一激磁/加力控制开关组、第二激磁/加力控制开关组进行激磁信号控制量输出和加力控制量输出。 
在控制器的选择上，三浮陀螺磁悬浮回路对控制器的速度要求不高，但I/O口较多（不少于14个）。另外，为了提高电路的集成度，在满足精度要求的前提下选择片上自带A/D的控制器。例如，可以采用DSP或者单片机。 
如图3所示，在有源磁悬浮控制***中，从时间上将整个有源磁悬浮控制周期分成三部分，分别为位置信号采样周期Tc，加力周期Tf，恢复等待周期Td。在控制器的分时控制下，将同一磁悬浮元件的定子线圈交替作为位置传感器和力发生器。在Tc段，控制器控制所有激磁控制开关闭合，所有加力控制开关关断，激磁电源输出的激磁电流流过惠斯通电桥，此时磁悬浮元件的定子线圈作为位置传感器，控制器通过控制多路选通器分时采集五路代表浮子位置的信号进行处理后，完成控制律运算，准备输出控制信号。在Tf段，控制器控制所有激磁控制开关关断，控制器根据控制算法判断是否对某一侧元件加力。如果需要加力，控制器根据控制算法来控制加力控制开关的开、 合及持续时间，在加力控制开关的控制下加力电源输出加力电流至磁悬浮元件的定子线圈上，从而为磁悬浮元件提供磁拉力，完成对浮子的定中控制；此时磁悬浮元件的定子线圈作为力发生器。在Td段，控制器既不对位置信号采样，也不给磁悬浮元件加力，只是一段等待时间，让磁悬浮定、转子退磁。这样做会使关闭直流反馈电流瞬间在电感线圈中产生的负尖峰脉冲衰减并使磁悬浮元件退磁，以便在下周期内采样出真实的位置信号。待磁悬浮定、转子退磁之后，开始下一循环的采样、加力、恢复等待。 
图4为本发明的磁悬浮元件加力示意图，X为马达轴（H轴），Y为陀螺输入轴（I轴），Z为陀螺输出轴（O轴），fxl+、fxl-为三浮陀螺浮子左端（传感器端）沿X轴正向和负向受到的磁拉力，fyl+，fyl-为浮子左端沿Y轴正向和负向受到的磁拉力；fxr+、fxr-为浮子右端（力矩器端）沿X轴正向和负向受到的磁拉力，fyr+，fyr-为浮子右端沿Y轴正向和负向受到的磁拉力；fzl、fzr为沿Z轴正、反方向受到的磁拉力。 
 如图5所示，为本发明的三浮陀螺仪有源磁悬浮控制***的控制算法原理框图，针对磁悬浮***的控制对象的特点，进行多轴磁悬浮控制***的设计。对浮子的平动和转动两类运动模态直接进行控制，对状态控制的实现表示为图5中虚线所示。控制器将获得的5路代表浮子位置的信号组成检测信号Y，其中，xl、xr为检测到的浮子左右两端沿X方向的位移，yl、yr为检测到的浮子左右两端沿Y方向的位移，z为检测到的浮子沿Z方向的位移。将检测信号Y与输出系数矩阵C的逆阵相乘获得位移信号和偏角信号，对位移信号利用平动控制率(例如分段非线性控制率或者PID控制率)获得力信号；对偏角信号利用转动控制率(例如分段非线性控制率或者PID控制率)获得力矩信号，将力信号、力矩信号与控制系数矩阵B的逆阵相乘获得加力控制信号U。输出系数矩阵C和控制系数矩阵B由***内部结构确定。另外，图5中的A为***矩阵，X为状态量， UM为广义的磁悬浮控制力。本发明对浮子的平动和转动两类运动模态直接进行控制，可以解决多轴磁悬浮控制***中采用输出反馈分散控制方法时存在的“跷跷板”和“H反馈”问题，有效的改善***的品质，实现多入-多出耦合***的解耦控制。 
本发明未详细介绍的内容属于本领域公知常识。 

Claims (3)

1.一种三浮陀螺仪有源磁悬浮控制***，所述三浮陀螺仪包括浮子，其特征在于，三浮陀螺仪有源磁悬浮控制***包括磁悬浮元件（1）、第一浮子位置检测电阻组（2-1）、第二浮子位置检测电阻组（2-2）、模拟信号转换电路（3）、多路选通器（4）、控制器（5）、第一激磁/加力控制开关组（6-1）和第二激磁/加力控制开关组（6-2）；
磁悬浮元件包括位于浮子左侧的轴向磁悬浮元件、位于浮子右侧的轴向磁悬浮元件，位于浮子左侧的径向磁悬浮元件和位于浮子右侧的径向磁悬浮元件；位于浮子左侧的轴向磁悬浮元件具有定子线圈LZR和位于浮子右侧的轴向磁悬浮元件具有定子线圈LZL；位于浮子左侧的径向磁悬浮元件具有一对X方向定子线圈LXL+、LXL-和一对Y方向定子线圈LYL+、LXL-；位于浮子右侧的径向磁悬浮元件具有一对X方向定子线圈LXR+、LXR-和一对Y方向定子线圈LYR+、LXR-；其中X方向为三浮陀螺仪的马达轴方向，Y方向为三浮陀螺仪的输入轴方向，Z方向为三浮陀螺仪的输出轴方向；
第一浮子位置检测电阻组（2-1）包括五个电阻RZL、RXL+、RYL+、RXR+、和RYR+；第二浮子位置检测电阻组（2-2）包括五个电阻RZR、RXL-、RYL-、RXR-、和RYR-；
第一激磁/加力控制开关组（6-1）包括五路激磁控制开关和五路加力控制开关；第二激磁/加力控制开关组（6-2）包括五路激磁控制开关和五路加力控制开关；每路激磁控制开关的一端与激磁电源相连，每路激磁控制开关的另一端与相应的电阻相连；每路加力控制开关的一端与加力电源相连，每路加力控制开关的另一端与相应的定子线圈输入端相连；第一激磁/加力控制开关组（6-1）和第二激磁/加力控制开关组（6-2）与控制器相连；
电阻RZL、定子线圈LZL、定子线圈LZR、和电阻RZR串联组成第一路惠斯顿测试电桥；电阻RXL+、定子线圈LXL+、定子线圈LXL-、和电阻RXL-串联组成第二路惠斯顿测试电桥；电阻RYL+、定子线圈LYL+、定子线圈LYL-、和电阻RYL-串联组成第三路惠斯顿测试电桥；电阻RXR+、定子线圈LXR+、定子线圈LXR-、和电阻RXR-串联组成第四路惠斯顿测试电桥；电阻RYR+、定子线圈LYR+、定子线圈LYR-、和电阻RYR-串联组成第五路惠斯顿测试电桥；每路惠斯顿测试电桥输出一路代表浮子位置的电压差信号；定子线圈LZL、LXL+、LYL+、LXR+、LYR+、LZR、LXL-、LYL-、LXR-、LYR-的输入端与多路选通器的相应输入端相连；多路选通器的输出端与模拟信号转换电路的输入端相连；模拟信号转换电路的输出端与控制器相连；多路选通器在控制器的控制下分时选择输出一路惠斯顿测试电桥输出的电压差信号至模拟信号转换电路；模拟信号转换电路（3）将电压差信号进行放大、解调和滤波，获得与浮子位置对应的信号，并将其输入至控制器；控制器（5）根据与浮子位置对应的信号计算加力控制信号；通过控制器控制第一激磁/加力控制开关组和第二激磁/加力控制开关组的开合以使得定子线圈交替作为位置传感器和力发生器。
2.如权利要求1所述的三浮陀螺仪有源磁悬浮***的控制方法，其特征在于，将控制器的控制周期分为位置信号采样周期Tc，加力周期Tf，恢复等待周期Td；
在位置信号采样周期Tc，控制器控制所有激磁控制开关闭合，所有加力控制开关关断，激磁电源输出的激磁电流流过每路惠斯通测试电桥，此时定子线圈作为位置传感器，控制器通过控制多路选通器分时采集五路与浮子位置对应的信号进行处理后，控制器根据与浮子位置对应的信号计算加力控制信号，准备输出加力控制信号；
在加力周期Tf，控制器控制所有激磁控制开关关断，控制器输出加力控制信号至加力控制开关，控制加力控制开关的开、合及持续时间，在加力控制开关的控制下加力电源输出加力电流至磁悬浮元件的定子线圈上，从而为磁悬浮元件提供磁拉力，完成对浮子的定中控制；此时磁悬浮元件的定子线圈作为力发生器；
在恢复等待周期Td，控制器控制所有激磁控制开关和加力控制开关关断，让磁悬浮元件定子和转子退磁。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，控制器根据与浮子位置对应的信号计算加力控制信号的方法如下：控制器将获得的与浮子位置对应的信号组成检测信号Y；将检测信号Y与输出系数矩阵C的逆阵相乘获得位移信号和偏角信号，对位移信号利用平动控制率获得力信号；对偏角信号利用转动控制率获得力矩信号，将力信号、力矩信号与控制系数矩阵B的逆阵相乘获得加力控制信号。
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