一种两轴一体陀螺加速度计及伺服控制方法技术

本发明专利技术公开了一种两轴一体陀螺加速度计及伺服控制方法，陀螺加速度计由表头部分、伺服回路部分、输出部分和壳体组成。表头部分包括偏心质量的陀螺转子、台体、台体轴、框架和框架轴，台体轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机，框架轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机。伺服回路部分包括台体轴角度经放大器作用到框架力矩电机的一条回路，以及框架轴角度传感器经放大器作用到台体力矩电机的另一条回路。输出部分包括作用到两个电机的电流值，该电流值通过采集给弹上计算机。采用本发明专利技术实现了一个加速度计测量两个方向的视加速度。

A two axis integrated gyroscope accelerometer and servo control method

The invention discloses a two-axis integrated gyro accelerometer and a servo control method. The gyro accelerometer consists of a meter head part, a servo loop part, an output part and a housing. The head part of the meter consists of an eccentric mass gyro rotor, table body, table body shaft, frame and frame shaft. One end of the table body shaft is equipped with an angle sensor and the other end is equipped with a torque motor. One end of the frame shaft is equipped with an angle sensor and the other end is equipped with a torque motor. The servo loop includes a loop in which the shaft angle of the platform is amplified to the frame torque motor, and another loop in which the frame shaft angle sensor is amplified to the frame torque motor. The output part includes the current value acting on the two motors, which is collected to the computer on the projectile. The accelerometer is used to measure the apparent acceleration in two directions.

【技术实现步骤摘要】
一种两轴一体陀螺加速度计及伺服控制方法
本专利技术涉及一种两轴陀螺加速度计及伺服控制方法，尤其涉及一种惯性稳定平台用的加速度计，属于用于高精度视加速度测量的航空、航天领域。
技术介绍
在高精度惯性稳定平台中，目前主要采用石英挠性加速度计和摆式积分陀螺加速度计，二者都为单自由度加速度计，每个加速度计都是敏感一个方向的视加速度。以摆式积分陀螺加速度计(PIGA)为例，是一种利用陀螺力矩进行反馈的摆式加速度计，其工作原理见下。图中，OX1Y1Z1为与框架相固连的坐标系，OX1为输入轴；Oxyz为莱差坐标系，Oz轴与转子轴重合；分别为框架相对仪表基座和台体相对框架的角速度；ax1为仪表沿框架轴输入的视加速度；ml为仪表沿台体轴的摆性；H为仪表的角动量；Mx1为绕框架轴的各种干扰力矩之和；MD为电机力矩。图1中包括：1——角度传感器，2——放大器，3——力矩电机，4——输出装置。由图可知，这种陀螺加速度计在结构上与二自由度陀螺仪类似：有高速旋转的陀螺转子，有台体、框架。台体轴的一端装有角度传感器，框架轴的上下端分别装有输出装置和力矩电机。沿转子轴OZ有一偏心质量m，其质心离台体轴的距离为l，因而绕台体轴形成摆性ml。当仪表沿框架轴OX1方向有视加速度ax时，在台体轴上产生与该视加速度成正比的惯性力矩mlax。在理想情况下，即沿台体轴、框架轴没有任何干扰力矩的情况下，按陀螺进动原理，转子将带动台体、框架一起绕OX1轴进动，其进动角速度为由于进动的结果，台体轴上产生陀螺反作用力矩在稳态条件下，惯性力矩mlax1将精确地被陀螺力矩所平衡，因此有或者在零初始条件下，有输出值如下，图2所示。同时，为了保证H与框架轴OX1的垂直，陀螺加速度计还增加了一个伺服回路，当受到干扰力矩Mx1的影响，台体角度β不为0时，角度传感器就会输出相应的电压信号，经过放大和变换后，馈向力矩电机，使其产生一个电机力矩MDx以抵消Mx1。从以上工作过程可以看出，基于上述工作原理的陀螺加速度计为单轴加速度计，敏感的是OX1方向的视加速度ax，输出值为OX1方向的角度值α。在系统应用时，惯性稳定平台系统至少需要3个该型陀螺加速度计来敏感弹体相对惯性空间的视加速度。另外，采用上述方案时，仪表输出还存在多种由干扰力矩引起的误差。首先，仪表的动力学方程为式中，Jx、Jy分别为框架和台体的转动惯量；Cx、Cy分别为框架和台体的阻尼系数；Mx、My分别为框架和框架的干扰力矩；φX1、φY1分别为基座绕框架轴和框架轴的转动角度。设A(s)＝Jxs2+Cxs，B(s)＝Hs，C(s)＝Jys2+Cys，则工作流程见图2。由图2可求得传递函数为从式中可以看出，输出角速度除了与输入加速度ax、干扰力矩My和基座角速度有关外，还与干扰力矩Mx、输入加速度ay和基座角速度有关。而干扰力矩Mx、输入加速度ay和基座角速度都会引起陀螺加速度计的测量误差，从而会影响仪表的使用精度。为进一步提高精度，同时提高陀螺加速度计的输出维数，在原陀螺加速度计的方案基础上，本专利技术专利提出了一种新型的两轴一体陀螺加速度计，具备敏感两个方向的视加速度能力。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种新型的两轴一体陀螺加速度计及伺服控制方法，本专利技术由原一条伺服回路增加到两条伺服回路以使框架角α和台体角β都保持在零位，同时，在两条伺服回路中分别通过测量控制电机的电流值求出OX1和OY1方向的加速度值。本专利技术的技术解决方案：一种两轴一体的陀螺加速度计包括：表头、伺服控制回路、输出装置及壳体四个部分组成。表头部分，包括附加偏心质量的陀螺转子、台体、台体轴、框架、框架轴。附加偏心质量的陀螺转子安装在台体轴上，台体轴能够转动的安装在框架上，台体轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机，框架轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机。在没有外界扰动的状态下，偏心质量的陀螺转子高速转动，稳定在零位状态。伺服控制回路包括台体轴上安装的角度传感器、放大器和力矩电机；框架轴上安装的角度传感器、放大器和力矩电机。在陀螺加速度计所安装的载体发生运动时，偏心质量的陀螺转子在偏离零位状态，台体轴上的角度传感器测量得到的台体轴转角经放大器产生电流值作用到框架轴上的力矩电机，框架轴上的角度传感器测量得到的框架轴转角经放大器产生电流值作用到台体轴上的力矩电机，通过实时测量偏离零位状态的角度，实时确定回转力矩，在回转力矩作用下，使偏心质量的陀螺转子回复零位状态。输出装置，采集作用到台体轴上的和框架轴上的力矩电机的电流值，将该电流值输出，通过电流值可以确定回转力矩的大小，并根据回转力矩与陀螺加速度计所安装的载体发生运动产生的加速度的关系，确定载体运动的加速度。表头、伺服控制回路和输出装置位于壳体内。表头部分，包括：附加偏心质量的陀螺转子、台体、台体轴、框架、框架轴；附加偏心质量的陀螺转子安装在台体轴上，台体轴能够转动的安装在框架上，台体轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机，框架轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机。伺服回路，包括：台体轴上安装的角度传感器、放大器和力矩电机；框架轴上安装的角度传感器、放大器和力矩电机；台体轴上的角度传感器测量得到的台体轴转角经放大器产生电流值作用到框架轴上的力矩电机，框架轴上的角度传感器测量得到的框架轴转角经放大器产生电流值作用到台体轴上的力矩电机。输出装置，采集作用到台体轴上的和框架轴上的力矩电机的电流值，将该电流值输出。在一种两轴一体的陀螺加速度计的结构基础上，工作流程如下：(1)建立三维正交坐标系o-xyz，附加偏心质量的陀螺转子的中心作为原点o，oz方向为偏心质量的陀螺转子的角动量方向,并且偏心质量的陀螺转子中心指向质心的方向与角动量方向相同,oy方向沿台体轴方向；右手定则确定ox方向；附加偏心质量的陀螺转子沿oz方向的质量偏心为m，偏心距离即质心偏离附加偏心质量的陀螺转子中心的距离为l；(2)建立三维正交坐标系O-X1Y1Z1，原点位置与坐标系o-xyz原点位置相同，即附加偏心质量的陀螺转子的中心，OX1方向沿框架轴方向，OY1方向沿台体轴方向，右手定则确定OZ1方向；(3)沿OX1轴有一个正向的加速度ax时，则在OY1轴的负向产生一个惯性力矩mlax，根据偏心质量的陀螺转子的进动特性，该惯性力矩会在OX1轴产生一个进动角速度通过框架轴上的角度传感器检测角度α，并确定放大器比例系数kt对应的驱动电流Iy，作用到OY1轴负向的电机，产生的电机力矩MDy＝ktIy用来平衡mlax。在平衡状态下，有Iy＝mlax/kt；(4)沿OY1轴有一个正向的加速度ay时，则在OX1轴的正向产生一个惯性力矩mlay，根据偏心质量的陀螺转子的进动特性，该惯性力矩会在OY1轴产生一个进动角速度通过台体轴上的角度传感器检测角度β，并确定放大器比例系数kt′对应的驱动电流Ix作用到OX1轴负向的电机，产生的电机力矩MDx＝kt′Ix用来平衡mlay。在平衡状态下，有Ix＝mlay/kt′。(5)输出装置根据电流值Iy、Ix或力矩值MDy、MDx，分别计算出O-X1Y1Z1坐标系下沿OX1轴和OY1轴的视加速度值ax＝ktIy/ml＝MDy/ml和ay＝Ixkt′/ml＝MDx本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种两轴一体的陀螺加速度计，其特征在于：包括：表头、伺服控制回路、输出装置及壳体；表头部分，包括偏心质量的陀螺转子，在没有外界扰动的状态下，偏心质量的陀螺转子高速转动，稳定在零位状态；伺服控制回路，在陀螺加速度计所安装的载体发生运动时，偏心质量的陀螺转子在偏离零位状态，通过实时测量偏离零位状态的角度，实时确定回转力矩，在回转力矩作用下，使偏心质量的陀螺转子回复零位状态；输出装置，能够实时采集回转力矩，并根据回转力矩与螺加速度计所安装的载体发生运动产生的加速度的关系，确定运动产生的加速度；表头、伺服控制回路和输出装置位于壳体内。

【技术特征摘要】
1.一种两轴一体的陀螺加速度计，其特征在于：包括：表头、伺服控制回路、输出装置及壳体；表头部分，包括偏心质量的陀螺转子，在没有外界扰动的状态下，偏心质量的陀螺转子高速转动，稳定在零位状态；伺服控制回路，在陀螺加速度计所安装的载体发生运动时，偏心质量的陀螺转子在偏离零位状态，通过实时测量偏离零位状态的角度，实时确定回转力矩，在回转力矩作用下，使偏心质量的陀螺转子回复零位状态；输出装置，能够实时采集回转力矩，并根据回转力矩与螺加速度计所安装的载体发生运动产生的加速度的关系，确定运动产生的加速度；表头、伺服控制回路和输出装置位于壳体内。2.根据权利要求1所述的一种两轴一体的陀螺加速度计，其特征在于：表头部分，包括：附加偏心质量的陀螺转子、台体、台体轴、框架、框架轴；附加偏心质量的陀螺转子安装在台体上，台体通过台体轴与框架相连,台体轴能够转动的安装在框架上，台体轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机，框架轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机，框架通过框架轴与壳体相连。3.根据权利要求1所述的一种两轴一体的陀螺加速度计，其特征在于：伺服回路，包括：台体轴上安装的角度传感器、放大器和力矩电机；框架轴上安装的角度传感器、放大器和力矩电机；台体轴上的角度传感器测量得到的台体轴转角经放大器产生电流值作用到框架轴上的力矩电机，框架轴上的角度传感器测量得到的框架轴转角经放大器产生电流值作用到台体轴上的力矩电机。4.根据权利要求1所述的一种两轴一体的陀螺加速度计，其特征在于：输出装置，采集作用到台体轴上的和框架轴上的力矩电机的电流值，将该电流值输出。5.根据权利要求1所述的一种两轴一体的陀螺加速度计，其特征在于：伺服回路工作过程为：(1)建立三维正交坐标系o-xyz，附加偏心质量的陀螺转子的中心作为原点o，oz方向为偏心质量的陀螺转子的角动量方向,并且偏心质量的陀螺转子中心指向质心的方向与角动量方向相同,oy方向沿台体轴方向；右手定则确定ox方向；附加偏心质量的陀螺转子沿oz方向的质量偏心为m，偏心距离即质心偏离附加偏心质量的陀螺转子中心的距离为l；(2)建立三维正交坐标系O-X1Y1Z1，原点位置与坐标系o-xyz原点位置相同，即附加偏心质量的陀螺转子的中心，OX1方向沿框架轴方向，OY1方向沿台体轴方向，右手定则确定OZ1方向；(3)沿OX1轴有一个正向的加速度ax时，则在OY1轴的负向产生一个惯性力矩mlax，根据偏心质量的陀螺转子的进动特性，该惯性力矩会在OX1轴产生一个进动角速度，通过框架轴上的角度传感器检测角度α，并确定放大器比例系数kt对应的驱动电流Iy，作用到OY1轴负向的电机，产生的电机力矩MDy＝ktIy用来平衡mlax；在平衡状态下，有Iy＝mlax/kt；...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏宗康，周姣，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11