摆式陀螺寻北仪摆动零位修正方法.doc

锁放控制DC/DC马达电源数字显示CPUAD数控稳流源光调制取样电阻数字电位计双向电压基准锁定校正陀螺力矩器V/I速度速度校正速度三角波光耦过零差动放大器光电 PWM纬度输入摆式寻北仪悬吊零位及其自动调整方法1悬吊零位-静摆零位和动摆零位 所谓悬吊零位，是指陀螺摆悬吊系统在无外力矩(包括各种干扰力矩和陀螺指北力矩在内)作用即自由悬吊状态时，陀螺转子轴理论旋转轴线的水平投影与上悬吊装置的相对位置。当陀螺马达静止状态时，此悬吊零位可称 “静摆零位”，当陀螺马达处于同步旋转状态时可称 “动摆零位”。 自由悬吊的陀螺摆将不可避免地感受地速的影响，因此动摆零位是不易直接测量的。又由于我们不可能完全消除所有的干扰力矩，因此动摆零位也只能近似的测量。 当采用光电摆动敏感器和加矩测量时,悬吊零位转化为自由悬吊状态下闭环加矩系统的零偏加矩电流.2静摆零位和动摆零位的关系 理论上讲，两个零位应该是重合的，但由于多种因素的影响，这两个零位将不完全重合。 实际上，真正影响寻北精度的是动摆零位而不是静摆零位。但是由于存在地速的影响，动摆零位很难用简单方法进行观测，而近似静摆零位则比较容易观测，且静摆零位的变化必然导致动摆零位的改变，因此通常是通过观测或修正静摆零位来近似代替对动摆零位的观测和修正。 静摆零位可通过光学或光电方法观测并通过手工进行机械调整。显然，这是一项十分精细和费时的工作,而且很难满足高精度的要求。为此，寻求快速悬吊零位自动测量和自动修正是十分必要的。 3摆动零位变化和寻北精度的关系 就根本的意义来讲，摆式陀螺寻北仪的寻北过程也就说是寻找 “动摆零位”的过程。 常见的摆式陀螺寻北仪属于相对测量仪器，其北向输出值必须通过仪器常数标定来确定，因此摆动零位的变化必将产生寻北误差。 4悬吊零位变化的原因 悬吊零位变化的原因十分复杂，但是可以简单分为与悬吊系统结构有关的零位变化和由于摆动位置观测系统测量零位变化以及内部和外部干扰引起的零位变化。 a.悬带和导流丝结构变形陀螺房体在交替锁放过程中,悬带和导流机构的弹性后效，环境热变形,应力释放 (特别是悬带和导流丝的夹持部位) 产生的变形及导流丝内流过电流时产生的热变形; b 导流丝内的电流直流分量产生的直流磁场流过导流丝内的电流直流分量产生的直流磁场与周围磁场的耦合形成的沿陀螺输入和输出轴扭矩。在采用交流陀螺马达时此项干扰可以忽略不计； c.马达磁场与力矩线圈激励磁场之间的磁力耦合陀螺马达(特别是具有磁钢的直流马达)停转位置的随机性及马达磁场力矩线圈激励磁场之间的磁力耦合(只对静摆零位，当马达高速转动之后即被平均); d.陀螺马达的辐射磁场与外部结构的剩磁场和地磁耦合； e.光电传感器,光路(包括摆镜和摆杆)的结构变形，陀螺房温度变形； f.放大电路的零漂,光源老化和热变形； g.光源热变形和老化引起光轴漂移； h.光强变化引起光电位置传感器零位变化；i.地面振动产生的整流力矩(只对动摆零位有影响)。J悬带夹持结构不合理误 差 源机 理 和 特 点克 服 方 法影响程度1悬带和导流丝变形材料弹性后效,夹持(或焊接)应力释放选择适当材料，截面积，长度，成形工艺，热处理；时效处理；改进安装方式；改进非工作状态下悬带的受力状态；限制导流丝的最大电流；限制工作时的最大扭转角+2导流丝内的电流直流分量导流丝内的电流直流分量与力矩器和内部磁场偶合对称设计；采用交流控制+3马达磁场与力矩线圈磁场耦合，陀螺马达的辐射磁场与地磁耦合由于马达内部磁钢在转子上，马达的转动将静磁场干扰调制为交变磁场，因此基本上不影响动摆零位但是影响静摆零位磁屏+4光电传感器（光路）,光路及摆杆老化和热变形选择适合的光源；热稳定设计：热对称设计，散热和热稳定处理；减少光源发热+5光源光轴漂移光源发热产生热变形采用窄脉冲调制减少发热,改进散热+6光强变化造成光敏元件输出零位变化稳光和减小跟踪误差但是对于采用力反馈测量系统则可采用所谓比率测量方法7基面振动产生整流力矩形成机理十分复杂陀螺房等弹性设计,空气阻尼器只对动摆零位有影响8电路漂移放大器漂移选择自稳零放大器；或者进行光电调制+9悬带夹持结构不合理需要指出的是：凡是(也只有)与力矩测量有关的变化或干扰(如4.1.d.e.c.d. g.各项)所产生的寻北误差均与测量纬度有关。5静摆零位偏移量及其快速观测方法 在用光学或光电方法(开环法)观测自由静摆零位偏移量的变化时，其表现为每次观测到的摆动零位与其“原始零位”不重合。对于采用加矩(闭环)测量系统来说，则表现为静摆系统在力反馈回路控制下达到稳态时，力矩器内残存有零偏电流。此零偏电流的大小正比于静摆零位的偏移量和悬带扭转刚度。可见，闭环静摆零位偏移量的自动观测可归结为对零偏电流平均值或其直流分量的观测,或近似为对摆动信号直流分量的观测.下面将以力矩测量法为例说明闭环静摆零位的观测方法。 静摆系统在力反馈回路控制下进入稳态时，(假设闭环系统的开环增益足够大)位置传感器的零位可认为在闭环静摆零位，但是在外干扰下实际上摆动系统可能不存在理论上的稳态而总是在微小范围内摆动，即静摆系统在静摆零位附近作微小晃动,晃动周期（可称为闭环静摆周期而不是自由静摆周期）取决于陀螺摆主轴的转动惯量和力矩器系数以及反馈回路的结构。（严格来说，这种晃动不仅仅是绕着悬挂轴的摆动，而存在多自由度的运动）为此从力反馈回路观测到的静摆加矩电流也将是变化的。 为了在外干扰下保证测量精度，需采用滤波测量过程以平均各种干扰。积分测量是一种简单有效的滤波方法. 当闭环静摆周期频率为已知时，上述电流积分时间取整周期则可以进一步提高滤波效果。 由于静摆零位偏移量通常是很小的(几个角秒或几十角秒)，因此相应的零偏电流也是极小的. 式中 DB 悬吊系统的扭转刚度 ( Nm /rad) KT 力矩器刻度系数 ( Nm/mA ) a 静摆零位偏移角 (rad) 此零偏电流可能在微安或毫微安级。如此微小的电流可利用高精度积分放大器进行直接积分测量，如采用IVC102-精密开关型积分跨导放大器(力源公司)完成I/V变换，其变换系数可通过改变积分时间进行选择；或者采用高阻抗仪器放大器INA114系列进行放大。 在采用高阻抗仪器放大器进行电流测量时，需在力矩器上串联一个精密采用电阻R，此电阻的取值不可过大，否则将影响力反馈回路控制回路的动态特性,而取值过小则影响测量角度。 采用积分跨导放大器进行电流测量时，则无需串联电阻，此时加矩电流直接流入积分放大器的反向输入端(虚地点)。 经过I/V变换，获得代表静摆零偏的电压，再经过A/D变换为相应的数字量。为了简化系统，可选用片内含有AD的单片机。 必须指出，上述自动零位测量过程是假设摆动位置传感器及其信号处理系统本身是稳定的。当位置传感器及其信号处理系统也存在零位变化时则必须采用其它手段进行修正。可见，在设计上保证位置传感器及其信号处理系统的稳定是十分重要的。6自动 (静摆) 零位修正 自动 (静摆) 零位修正是在完成上述静摆零偏电流数字测量之后根据测量结果进行补偿的过程。即，设法在力矩器的电流输入端加入一个与上述零偏电流大小相等极性相反的补偿电流。补偿电流 编程数据数字电 位计R-15V+15V为了保持补偿值的稳定性，补偿电流应取自高精度双极性数字可编程稳流源，如图1，改变数字电位计的阻值可以改变稳流源的电流输出值。在确定了数字稳流源的数控系数（输出电流增量与/数字电位计阻值增量之比）之后，即可根据静摆零位数字测量值自动修改数字电位计，从而改变稳流源的输出电流进行零位补偿。 由于稳流源的内阻为“无穷大”，所以来自稳流源的零位修正电流可直接与力反馈控制电流并联（即直接与力矩线圈连接）而不必使用单独的修正线圈。6.2.DA补偿方法 零位补偿的另一个方法是通过DA（在单片机中的DA通常是以单极性脉宽调制形式给出，为此需要进行滤波和极性变换）输出补偿电压，然后再经过V/I变换电路给出相应的补偿电流。这里数字补偿系数必须另行标定，补偿数字必须作为常数写入单片机存储器内，再次标定时可重新写入新值。 为了提高补偿精度，上述的零偏检测和为零补偿可反复进行，直到满足要求。7高精度双极性数字可编程稳流源 由于目前没有双向可调恒流源器件，因此可采用两个单向(三端)可调稳流源。稳流源的温度系数应该尽可能的小，如LM134可构成双向可调恒流源。调整电阻R可以改变稳流源的稳定电流值。也可以利用数字电位计自动（双向）调节稳流源电流并保持此电流. 如果一个稳流源的电流为+I0mA,另一个为-I0 mA,则上述双极性数字可编程稳流源的可调电流输出可在+I0 mA 与-I0 mA之间.当数字电位计的节点数为N时,零位补偿的分辨率为1/N.数字电位计的数字补偿值为: D=KC式中 K-数字电流变换系数 ( mA/Bit ) C- 静摆零偏的数字测量值 这里，数字电流变换系数K需要进行标定。 由于稳流源是通过数字电位计控制的，因此数字电位计的电阻稳定性将会影响稳流源的电流输