大角速率动调陀螺仪力矩再平衡回路的分析与解耦控制设计

　　1　引言

　　随着惯性技术的不断发展,当前人们主要着眼于光纤陀螺、微结构陀螺等新型器件的研制,但就当前应用最广的动调陀螺仪来说,其兼有精度、可靠性、小型、寿命和成本等综合性能的优点[1],预计今后10~15年由挠性陀螺、石英摆片加速度计为核心构成的捷联惯测装置及系统仍将占据我国战术导弹等捷联系统的主要市场[2]。为此,提高陀螺仪的测量范围,努力达到400°/s以上捷联惯导的要求,仍是应重点解决的问题之一。

　　我们参与研制的大角速率动调陀螺仪,其最大可感测角速率可长时间达到400°/s以上,瞬时可达500°/s以上,完全可满足大机动运载器用捷联惯导系统性能的要求,这对我国惯性技术的发展一定会起到积极的作用。

　　2　力矩再平衡回路的原理分析

　　从功能上看,动调陀螺仪属于位置陀螺仪,其测量角位移的范围很小,只适用于平台式惯导系统。对于用于捷联式惯导系统的动调陀螺仪而言,必须设置力矩再平衡回路,使之成为动力调谐速率陀螺仪。构成陀螺仪力矩再平衡回路的两个主要部件是角度信号传感器和进动力矩器。传统式动力调谐速率陀螺仪,每根轴上均有一对传感器工作于差动状态,一对力矩器在推挽状态下工作,力矩再平衡回路的施矩电流则作为仪表的输出〔3〕。

　　在我们研究的大角速率动调陀螺仪中,角度传感器由位于X轴、Y轴的两对正交的传感器对构成,每对传感器均工作于差动状态。与现有动调速率陀螺仪的根本不同在于,进动力矩器只有一个力矩器线圈及一对扇形永久磁铁,力矩器线圈的轴线与电机轴相一致,采用交流信号施矩,从而可产生较大的进动力矩〔4〕。由于转子磁场的交变作用,要使陀螺仪按要求进动,对力矩器线圈必须通以与转子自转同频率的交流信号,因此其力矩再平衡回路不能采用现有的两个独立交叉控制回路,而是以转子自转角速率为基准,对传感器的输出信号进行合成,根据合成矢量施矩;同时对施矩电流进行分解,作为角速率信号输出。力矩再平衡回路的工作原理如图1所示。

　　图中的正余弦调制信号是取自陀螺电机的信号检测线圈,从而保证了交流施矩信号频率与转子自转角速率相一致,同时确定了陀螺仪力矩器在空间施矩的相位(即虚拟施矩轴方向与陀螺电机信号轴相一致)。为此,在陀螺仪的调试过程中,需转动角度传感器,使其输出的信号经基准调制后合成的信号与力矩作用的相位相一致,只有这样才能保证陀螺仪正常工作。动力调谐速率陀螺仪是通过传感器、放大校正环节和力矩器而工作于闭环状态的。由于本陀螺仪仅有一个力矩器,以自转角速率为基准,根据传感器输出信号的合成矢量施矩,与传统动调陀螺相比,这种合成施矩相当于按照传统动调陀螺仪交叉施矩的合成力矩Mxy= Mx+jMy)施矩,从而用一个力矩器完成了传统交叉施矩中两个力矩器的作用.