專利名稱：五自由度主動(dòng)磁軸承式雙軸角速率陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種角速率陀螺，特別是涉及一種五自由度主動(dòng)磁軸承式雙軸角速率陀螺。
背景技術(shù)：
陀螺儀是一種用途廣泛的慣性器件，在航空、航天、航海、以及一些民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。角速率陀螺作為最重要的慣性儀表之一，其精度直接決定慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)的精度。隨著科技的發(fā)展，對(duì)陀螺性能的要求越來越高，高精度、高可靠性、微型化、多軸測(cè)量和多功能測(cè)量成為未來慣性傳感器的發(fā)展要求。陀螺高速轉(zhuǎn)子和框架力矩器的支承方式是影響陀螺精度的兩大關(guān)鍵因素。專利ZL201110287382.7 “高精度半球動(dòng)壓馬達(dá)動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀”的高速轉(zhuǎn)子采用對(duì)置半球型動(dòng)壓軸承，利用氣體潤(rùn)滑的特性，使得動(dòng)壓軸承所產(chǎn)生的振動(dòng)幅值比滾珠軸承小1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，但仍未從根本上解決支承問題，存在陀螺漂移率大問題；專利ZL200810017908.8 “一種磁懸浮陀螺儀”采用磁場(chǎng)對(duì)陀螺浮子進(jìn)行浮起，降低了干擾力矩，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，陀螺的抗過載能力低；專利200610028646.6 “靜電支撐懸浮電磁感應(yīng)旋轉(zhuǎn)微陀螺”克服了電磁阻尼對(duì)轉(zhuǎn)速的限制，發(fā)熱小，支承剛度高，但由于靜電支撐采用開環(huán)控制，陀螺的帶寬和靈敏度調(diào)節(jié)能力差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種陀螺漂移率小、抗過載能力高、帶寬和靈敏度調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的角速率陀螺，利用五自由度永磁偏置混合磁軸承及控制電路作為敏感部件，即:五自由度主動(dòng)磁軸承式雙軸角速率陀螺。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種五自由度主動(dòng)磁軸承式雙軸角速率陀螺包括轉(zhuǎn)子、上陀螺房、下陀螺房、中環(huán)、徑向磁軸承、軸向磁軸承、徑向位移傳感器、保護(hù)軸承、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、軸向位移傳感器、磁軸承電路系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)；上陀螺房、下陀螺房和中環(huán)整體加工成型，中環(huán)通過螺母和定位孔與上陀螺房和下陀螺房固定相連，形成真空密封殼體，通過真空閥門保持密封殼體內(nèi)部的真空狀態(tài)，陀螺內(nèi)部線路通過加工在密封殼體側(cè)面的電氣接口與外部連接，鎖緊機(jī)構(gòu)處于下陀螺房，在發(fā)射階段與轉(zhuǎn)子輪轂外沿實(shí)現(xiàn)鎖緊固定；保護(hù)軸承與轉(zhuǎn)子之間在徑向上形成徑向保護(hù)間隙，徑向位移傳感器與轉(zhuǎn)子之間在徑向上形成徑向探測(cè)間隙，保護(hù)軸承與轉(zhuǎn)子之間在軸向上形成軸向保護(hù)間隙，軸向位移傳感器與轉(zhuǎn)子之間在軸向上形成軸向探測(cè)間隙。磁軸承電路系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)徑向磁軸承和軸向磁軸承的線圈繞組電流，使轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮在探測(cè)間隙中心，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生角動(dòng)量，利用徑向磁軸承的線圈繞組電流解算出外界輸入角速率的大小。本發(fā)明的原理是:五自由度主動(dòng)磁軸承式雙軸角速率陀螺，當(dāng)外界姿態(tài)改變時(shí)，由于高速轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸具有定軸性，電路系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)徑向磁軸承線圈繞組電流，產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力來阻止轉(zhuǎn)子與陀螺房產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，保證其懸浮在間隙中心，從而利用輸入角速率與徑向磁軸成線圈繞組電流的線性關(guān)系，得到外界輸入角速率。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于:(I)本發(fā)明的陀螺結(jié)構(gòu)無需框架力矩器，從根本解決了陀螺轉(zhuǎn)子和浮子支承問題導(dǎo)致的干擾力矩，陀螺漂移率小，適用于高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。(2)本發(fā)明的陀螺高速轉(zhuǎn)采用永磁偏置混合磁軸承支承，利用電磁力進(jìn)行主動(dòng)控制，陀螺的抗過載能力強(qiáng)。(3)本發(fā)明的陀螺轉(zhuǎn)子的有效彈性支承常數(shù)只與磁軸承的電磁力有關(guān)，只需通過閉環(huán)控制電路調(diào)節(jié)支承系統(tǒng)的綜合剛度，便能方便調(diào)整陀螺帶寬和靈敏度。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖面圖；圖2為本發(fā)明的徑向磁軸承的徑向截面圖；圖3為本發(fā)明的徑向磁軸承的配置圖；圖4為本發(fā)明的軸向磁軸承的徑向截面圖；圖5為本發(fā)明的五自由度主動(dòng)磁軸承式雙軸角速率陀螺的電路系統(tǒng)框圖；圖6為本發(fā)明的五自由度主動(dòng)磁軸承式雙軸角速率陀螺的角速率敏感原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施實(shí)例對(duì)本發(fā)明作出進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本發(fā)明利用徑向磁軸承的電磁力矩來抵消高速磁懸浮轉(zhuǎn)子的陀螺力矩，因在穩(wěn)態(tài)時(shí)電磁力矩與陀螺力矩相等，外界輸入角速率與電磁力矩呈線性的關(guān)系，而電流力矩由線圈驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生，檢測(cè)線圈驅(qū)動(dòng)電流便可以解算出外界輸入角速率的大小。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施的驅(qū)動(dòng)電機(jī)7需成對(duì)使用并處于轉(zhuǎn)子I的中部，軸向磁軸承2需要成對(duì)使用并處于驅(qū)動(dòng)電機(jī)7的外側(cè)，徑向磁軸承6需成對(duì)使用，并處于驅(qū)動(dòng)電機(jī)7的上下兩側(cè)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)7的定子部分、徑向磁軸承的6的靜止部分以及軸向磁軸承2分別與上陀螺房8和下陀螺房9相連，上陀螺房8和下陀螺房9分別與中環(huán)10相連；驅(qū)動(dòng)電機(jī)7的轉(zhuǎn)動(dòng)部分和徑向磁軸承6的轉(zhuǎn)動(dòng)部分分別與轉(zhuǎn)子I相連，徑向磁軸承6的外側(cè)為徑向位移傳感器3，保護(hù)軸承4和軸向位移傳感器5通過壓板與上陀螺房8和下陀螺房9相連，保護(hù)軸承4與轉(zhuǎn)子I的軸端和軸肩分別形成軸向保護(hù)間隙(一般取為0.1mm 0.15mm)和徑向保護(hù)間隙(一般取為0.1mm 0.15mm)，本實(shí)例取徑向保護(hù)間隙為0.1mm，軸向保護(hù)間隙為
0.15mm0如圖2所示，本發(fā)明的徑向磁軸承6為永磁偏置、電磁控制的非機(jī)械接觸的主動(dòng)式磁軸承，徑向磁軸承的靜止部分包括環(huán)形永磁體61、導(dǎo)磁環(huán)62、線圈繞組63和定子鐵心64，徑向磁軸承的轉(zhuǎn)動(dòng)部分包括轉(zhuǎn)子導(dǎo)磁環(huán)65和轉(zhuǎn)子鐵心65，定子鐵心64和轉(zhuǎn)子鐵心65之間是電磁氣隙。如圖3所示，徑向磁軸承6由4組相同的定子鐵芯對(duì)組成，分別標(biāo)記為ax、ay、bx、by,實(shí)現(xiàn)2個(gè)徑向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的姿態(tài)角速度敏感，其中徑向磁軸承6的定子鐵芯對(duì)ax和bx實(shí)現(xiàn)對(duì)χ軸的角速率敏感，徑向磁軸承6的定子鐵芯對(duì)ay和by實(shí)現(xiàn)對(duì)y軸的角速率敏感，每個(gè)定子鐵芯對(duì)由兩塊定子鐵芯組成，用于差動(dòng)主動(dòng)控制。
如圖4所示，本發(fā)明的軸向磁軸承2為永磁偏置、電磁控制的非機(jī)械接觸的主動(dòng)式磁軸承，軸向磁軸承包括外導(dǎo)磁環(huán)21、線圈繞組22和永磁環(huán)23。圖5為本發(fā)明的五自由度主動(dòng)磁軸承式雙軸角速率陀螺的電路系統(tǒng)框圖,該電路系統(tǒng)包括位移信號(hào)調(diào)理電路、電流傳感器、磁軸承控制器、功率放大器、角速率信息解算單元。電路系統(tǒng)利用位移信號(hào)調(diào)理電路檢測(cè)出轉(zhuǎn)偏離參考點(diǎn)的位移，根據(jù)位移偏差，磁軸承控制器分別計(jì)算出控制量，生成PWM控制信號(hào)，功率放大器將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制電流，驅(qū)動(dòng)電磁鐵產(chǎn)生電磁力，使轉(zhuǎn)子懸浮在給定位置上，同時(shí)利用角速率信息解算單元計(jì)算出雙軸角速率大小。圖6為本發(fā)明的五自由度主動(dòng)磁軸承式雙軸角速率陀螺的角速率敏感原理圖，設(shè)高速轉(zhuǎn)子角動(dòng)量為H，當(dāng)輸入角速率沿轉(zhuǎn)子χ軸和y軸分別為A和％時(shí)，相應(yīng)的陀螺力矩方程可表示為=Hq1.、Ms1...=-//代.。當(dāng)高速轉(zhuǎn)子的姿態(tài)發(fā)生改變時(shí)，磁軸承控制系
統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電磁力來抵消因姿態(tài)改變產(chǎn)生的陀螺力矩。在磁軸承控制器作用下，轉(zhuǎn)子位移恒保持于電磁間隙中心，徑向磁軸承6在ax、ay、bx、by通道上的電磁力分別為
權(quán)利要求
1.五自由度主動(dòng)磁軸承式雙軸角速率陀螺，其特征在于:包括轉(zhuǎn)子(1)、上陀螺房(8)、下陀螺房(9)、中環(huán)(10)、徑向磁軸承(6)、軸向磁軸承(2)、徑向位移傳感器(3)、保護(hù)軸承(4 )、驅(qū)動(dòng)電機(jī)(7 )、軸向位移傳感器(5 )、磁軸承電路系統(tǒng)(11)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)(15 );上陀螺房(8)、下陀螺房(9)和中環(huán)(10)整體加工成型，中環(huán)(10)通過螺母和定位孔與上陀螺房(8 )和下陀螺房(9 )固定相連，形成真空密封殼體，通過真空閥門(12 )保持密封殼體內(nèi)部的真空狀態(tài)，陀螺內(nèi)部線路通過加工在密封殼體側(cè)面的電氣接口(13)與外部連接，鎖緊機(jī)構(gòu)(14)處于下陀螺房(9)，在發(fā)射階段與轉(zhuǎn)子(1)輪轂外沿實(shí)現(xiàn)鎖緊固定；保護(hù)軸承(4)與轉(zhuǎn)子(1)之間在徑向上形成徑向保護(hù)間隙，徑向位移傳感器(3 )與轉(zhuǎn)子(1)之間在徑向上形成徑向探測(cè)間隙，保護(hù)軸承(4 )與轉(zhuǎn)子(1)之間在軸向上形成軸向保護(hù)間隙，軸向位移傳感器(5)與轉(zhuǎn)子(1)之間在軸向上形成軸向探測(cè)間隙；磁軸承電路系統(tǒng)(11)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)徑向磁軸承(6)和軸向磁軸承(2)的線圈繞組電流，使轉(zhuǎn)子(1)穩(wěn)定懸浮在探測(cè)間隙中心，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)(14)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子(1)高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生角動(dòng)量，利用徑向磁軸承(6)的線圈繞組電流解算出外界輸入角速率的大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度主動(dòng)磁軸承式雙軸角速率陀螺，其特征在于:所述徑向磁軸承(6)由4組相同的定子鐵芯對(duì)組成,分別標(biāo)記為ax、ay、bx、by,實(shí)現(xiàn)2個(gè)徑向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的姿態(tài)角速度敏感，其中徑向磁軸承(6)的定子鐵芯對(duì)ax和bx實(shí)現(xiàn)對(duì)X軸的角速率敏感，徑向磁軸承(6)的定子鐵芯對(duì)ay和by實(shí)現(xiàn)對(duì)y軸的角速率敏感，徑向磁軸承(6)采用永磁偏置、電磁控制的非機(jī)械接觸的主動(dòng)磁軸承，每個(gè)定子鐵芯對(duì)由兩塊定子鐵芯組成，用于差動(dòng)主動(dòng)控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五自由度主動(dòng)磁軸承式雙軸角速率陀螺，其特征在于:所述磁軸承電路系統(tǒng)(11)由位移信號(hào)調(diào)理電路、電流傳感器、磁軸承控制器、功率放大器、角速率信息解算單元組成，通過電流傳感器獲得徑向磁軸承(6)的四組定子鐵芯ax、ay、bx、by對(duì)的線圈繞組電流，分別為iax、ibx、iay、iby，利用
全文摘要
一種五自由度主動(dòng)磁軸承式雙軸角速率陀螺，由轉(zhuǎn)子、徑向磁軸承、軸向磁軸承、保護(hù)軸承、徑向位移傳感器、軸向位移傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、陀螺房、電路系統(tǒng)組成。利用徑向傳感器和軸向傳感器的轉(zhuǎn)子相對(duì)于陀螺房的位置反饋信息，電路系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)徑向磁軸承和軸向磁軸承的線圈繞組電流，使轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)五自由度全主動(dòng)懸浮，繼而通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生角動(dòng)量。當(dāng)外界轉(zhuǎn)子姿態(tài)變化時(shí)，線圈繞組電流相應(yīng)變化，利用線圈繞組電流與輸入角速率的線性關(guān)系，解算外界輸入角速率的大小。本發(fā)明適用于高精度角速率測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域，具有零偏小、輸出噪聲低、分辨率高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01C19/24GK103196436SQ20131008450
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者鄭世強(qiáng), 韓邦成, 孫津濟(jì), 劉剛, 房建成 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)