一種三浮陀螺儀有源磁懸浮控制系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三浮陀螺儀有源磁懸浮控制系統(tǒng)及控制方法，包括磁懸浮元件、第一浮子位置檢測電阻組、第二浮子位置檢測電阻組、模擬信號轉(zhuǎn)換電路、多路選通器、控制器、第一激磁/加力控制開關(guān)組和第二激磁/加力控制開關(guān)組；磁懸浮元件、第一浮子位置檢測電阻組、第二浮子位置檢測電阻組共形成五路惠斯頓測試電橋。本發(fā)明公開的控制方法將控制器的控制周期分為位置信號采樣周期Tc，加力周期Tf，恢復(fù)等待周期Td。本發(fā)明能夠控制三浮陀螺儀浮子的五個(gè)自由度，使其精確定中。本發(fā)明的控制系統(tǒng)靠單邊磁極加力來控制磁懸浮元件位移并采用狀態(tài)解耦控制方法，能夠提高三浮陀螺儀的精度。
【專利說明】一種三浮陀螺儀有源磁懸浮控制系統(tǒng)及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳統(tǒng)慣性儀表【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及三浮陀螺儀有源磁懸浮控制系統(tǒng)。【背景技術(shù)】
[0002]支承裝置是慣性儀表的重要組成部分，也是決定儀表精度的關(guān)鍵部件。實(shí)踐表明，不用磁懸浮的液浮陀螺，只要進(jìn)行長時(shí)間的測試，不確定誤差因素總是要反映出來的，漂移速度必然是很不穩(wěn)定的。而有磁懸浮的液浮陀螺儀在精度性能上比無磁懸浮的要高I?2個(gè)數(shù)量級。有磁懸浮的液浮陀螺儀可以采用有源磁懸浮和無源磁懸浮方式。有源磁懸浮將無源磁懸浮的差動加力改為單邊加力后，不但平均加力大大降低，而且控制算法的選擇和控制參數(shù)的調(diào)整也更加靈活方便。三浮陀螺儀是在單自由度液浮陀螺基礎(chǔ)上研制的高精度陀螺，其陀螺馬達(dá)采用動壓氣體支承；陀螺浮子組件采用液體懸浮，使其重、浮力基本相等，在消除了支承摩擦力的同時(shí)提高了陀螺儀抗沖擊、振動的能力；對其再施加磁懸浮以消除剩余重浮力差的影響并進(jìn)行精確定中，使浮子組件完全處于懸浮狀態(tài)，消除了機(jī)械接觸摩擦的影響，有效的提高了陀螺儀的精度及其穩(wěn)定性。作為輔助支承，磁懸浮控制系統(tǒng)在三浮陀螺儀中的作用主要有兩點(diǎn):①克服陀螺浮子組件的重、浮力差，使其和陀螺其它零、部件不接觸，消除機(jī)械摩擦力矩。②控制浮子組件除沿浮子輸出軸方向的轉(zhuǎn)動自由度以外的五個(gè)方向的自由度，對陀螺浮子組件進(jìn)行精確定中，使陀螺浮子組件相對陀螺殼體的空間位置保持穩(wěn)定，提高陀螺儀使用性能。磁懸浮控制系統(tǒng)在完成上述主要功能的同時(shí)，不能給陀螺儀帶來很大的干擾力矩，影響陀螺儀的精度。以往的三浮陀螺儀有源磁懸浮控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，影響陀螺儀的精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種體積小、結(jié)構(gòu)簡單的三浮陀螺儀有源磁懸浮控制系統(tǒng)，以提高三浮陀螺儀的精度。
[0004]本發(fā)明進(jìn)一步要解決的技術(shù)問題是提供一種三浮陀螺儀有源磁懸浮控制方法，能夠提高三浮陀螺儀的精度。
[0005]本發(fā)明包括如下技術(shù)方案:
[0006]一種三浮陀螺儀有源磁懸浮控制系統(tǒng)，三浮陀螺儀包括浮子，三浮陀螺儀有源磁懸浮控制系統(tǒng)包括磁懸浮元件、第一浮子位置檢測電阻組、第二浮子位置檢測電阻組、模擬信號轉(zhuǎn)換電路、多路選通器、控制器、第一激磁/加力控制開關(guān)組和第二激磁/加力控制開關(guān)組;
[0007]磁懸浮元件包括位于浮子左側(cè)的軸向磁懸浮元件、位于浮子右側(cè)的軸向磁懸浮元件，位于浮子左側(cè)的徑向磁懸浮元件和位于浮子右側(cè)的徑向磁懸浮元件；位于浮子左側(cè)的軸向磁懸浮元件具有定子線圈Lzk和位于浮子右側(cè)的軸向磁懸浮元件具有定子線圈La ;位于浮子左側(cè)的徑向磁懸浮元件具有一對X方向定子線圈La+、Lxl_和一對Y方向定子線圈Lyl+>Lxl-;位于浮子右側(cè)的徑向磁懸浮兀件具有一對X方向定子線圈LXK+、LXK_和一對Y方向定子線圈LYK+、LXK_;其中X方向?yàn)槿⊥勇輧x的馬達(dá)軸方向，Y方向?yàn)槿⊥勇輧x的輸入軸方向，Z方向?yàn)槿⊥勇輧x的輸出軸方向；
[0008]第一浮子位置檢測電阻組包括五個(gè)電阻Ra、Ra+、RYu、RXK+、和Ryk+ ;第二浮子位置檢測電阻組包括五個(gè)電阻RZK、Rxl-> Ryl-> RXK_、和RYK_ ；
[0009]第一激磁/加力控制開關(guān)組包括五路激磁控制開關(guān)和五路加力控制開關(guān)；第二激磁/加力控制開關(guān)組包括五路激磁控制開關(guān)和五路加力控制開關(guān)；每路激磁控制開關(guān)的一端與激磁電源相連，每路激磁控制開關(guān)的另一端與相應(yīng)的電阻相連；每路加力控制開關(guān)的一端與加力電源相連，每路加力控制開關(guān)的另一端與相應(yīng)的定子線圈輸入端相連；第一激磁/加力控制開關(guān)組和第二激磁/加力控制開關(guān)組與控制器相連；
[0010]電阻Rp定子線圈Lp定子線圈Lzk、和電阻Rzk串聯(lián)組成第一路惠斯頓測試電橋；電阻Ra+、定子線圈La+、定子線圈La_、和電阻Ra_串聯(lián)組成第二路惠斯頓測試電橋；電阻Ru、定子線圈Lm、定子線圈Lt、和電阻Rt串聯(lián)組成第三路惠斯頓測試電橋；電阻RXK+、定子線圈LXK+、定子線圈LXK_、和電阻RXK_串聯(lián)組成第四路惠斯頓測試電橋；電阻RYK+、定子線圈LYK+、定子線圈LYK_、和電阻RYK_串聯(lián)組成第五路惠斯頓測試電橋；每路惠斯頓測試電橋輸出一路代表浮子位置的電壓差信號；定子線圈LZI；、Lxl+> Lyl+> Lxe+> Lye+> Lze> Lxl_> Lyl_> Lxk_、Lye_的輸入端與多路選通器的相應(yīng)輸入端相連；多路選通器的輸出端與模擬信號轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連；模擬信號轉(zhuǎn)換電路的輸出端與控制器相連；多路選通器在控制器的控制下分時(shí)選擇輸出一路惠斯頓測試電橋輸出的電壓差信號至模擬信號轉(zhuǎn)換電路；模擬信號轉(zhuǎn)換電路將電壓差信號進(jìn)行放大、解調(diào)和濾波，獲得與浮子位置對應(yīng)的信號，并將其輸入至控制器；控制器根據(jù)與浮子位置對應(yīng)的信號計(jì)算加力控制信號；通過控制器控制第一激磁/加力控制開關(guān)組和第二激磁/加力控制開關(guān)組的開合以使得定子線圈交替作為位置傳感器和力發(fā)生器。
[0011]上述三浮陀螺儀有源磁懸浮系統(tǒng)的控制方法，將控制器的控制周期分為位置信號采樣周期T。，加力周期Tf，恢復(fù)等待周期Td ；
[0012]在位置信號采樣周期T。，控制器控制所有激磁控制開關(guān)閉合，所有加力控制開關(guān)關(guān)斷，激磁電源輸出的激磁電流流過每路惠斯通測試電橋，此時(shí)定子線圈作為位置傳感器，控制器通過控制多路選通器分時(shí)采集五路與浮子位置對應(yīng)的信號進(jìn)行處理后，控制器根據(jù)與浮子位置對應(yīng)的信號計(jì)算加力控制信號，準(zhǔn)備輸出加力控制信號；
[0013]在加力周期Tf，控制器控制所有激磁控制開關(guān)關(guān)斷，控制器輸出加力控制信號至加力控制開關(guān)，控制加力控制開關(guān)的開、合及持續(xù)時(shí)間，在加力控制開關(guān)的控制下加力電源輸出加力電流至磁懸浮元件的定子線圈上，從而為磁懸浮元件提供磁拉力，完成對浮子的定中控制；此時(shí)磁懸浮元件的定子線圈作為力發(fā)生器；
[0014]在恢復(fù)等待周期Td，控制器控制所有激磁控制開關(guān)和加力控制開關(guān)關(guān)斷，讓磁懸浮元件定子和轉(zhuǎn)子退磁。
[0015]控制器根據(jù)與浮子位置對應(yīng)的信號計(jì)算加力控制信號的方法如下:控制器將獲得的與浮子位置對應(yīng)的信號組成檢測信號Y;將檢測信號Y與輸出系數(shù)矩陣C的逆陣相乘獲得位移信號和偏角信號，對位移信號利用平動控制率獲得力信號；對偏角信號利用轉(zhuǎn)動控制率獲得力矩信號，將力信號、力矩信號與控制系數(shù)矩陣B的逆陣相乘獲得加力控制信號。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:[0017]本發(fā)明的三浮陀螺儀有源磁懸浮控制系統(tǒng)包括磁懸浮元件、第一浮子位置檢測電阻組、第二浮子位置檢測電阻組、模擬信號轉(zhuǎn)換電路、多路選通器、控制器、第一激磁/加力控制開關(guān)組和第二激磁/加力控制開關(guān)組。磁懸浮元件的定子線圈、第一浮子位置檢測電阻組、第二浮子位置檢測電阻組形成五路用于檢測浮子位置的電橋，五路用于檢測浮子位置的電橋共用一套模擬信號轉(zhuǎn)換電路，減小磁懸浮控制系統(tǒng)的體積，提高電路的集成度。本發(fā)明利用磁性元件的磁拉力完成對浮子組件五個(gè)方向的自由度的控制使其精確定中，軸、徑向分開控制。本發(fā)明的三浮陀螺儀有源磁懸浮控制系統(tǒng)的靜態(tài)電流很小，功率低，干擾力矩小，儀表精度高。
[0018]有源磁懸浮控制系統(tǒng)中，磁懸浮元件既作為位置傳感器又作為控制加力元件，為了避免磁性材料磁化曲線的非線性對系統(tǒng)性能造成的負(fù)面影響，在控制過程中采用時(shí)間分割技術(shù)使得這兩種功能不在磁懸浮元件上同時(shí)進(jìn)行。本發(fā)明的控制方法將控制周期分為三段，能夠提高檢測精度和控制精度，從而提高了以表精度。
[0019]本發(fā)明對浮子的平動和轉(zhuǎn)動兩類運(yùn)動模態(tài)直接進(jìn)行控制，可以解決多軸磁懸浮控制系統(tǒng)中采用輸出反饋分散控制方法時(shí)存在的“蹺蹺板”和“H反饋”問題，有效的改善系統(tǒng)的品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)多入-多出耦合系統(tǒng)的解耦控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的三浮陀螺儀有源磁懸浮控制系統(tǒng)原理框圖。
[0021]圖2為本發(fā)明的磁懸浮元件圖；其中，圖2a為徑向磁懸浮元件示意圖，圖2b為軸向磁懸浮元件示意圖。
[0022]圖3為本發(fā)明的控制器的時(shí)序控制圖。
[0023]圖4為本發(fā)明的磁懸浮元件的加力信號功能框圖。
[0024]圖5為本發(fā)明的控制器的多路解耦控制原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的說明。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明的三浮陀螺儀有源磁懸浮控制系統(tǒng)包括磁懸浮元件(I)、第一浮子位置檢測電阻組(2-1)、第二浮子位置檢測電阻組(2-2)、模擬信號轉(zhuǎn)換電路(3)、多路選通器(4)、控制器(5)、第一激磁/加力控制開關(guān)組(6-1)和第二激磁/加力控制開關(guān)組(6-2)。磁懸浮元件包括位于浮子左側(cè)的軸向磁懸浮元件、位于浮子右側(cè)的軸向磁懸浮元件，位于浮子左側(cè)的徑向磁懸浮元件和位于浮子右側(cè)的徑向磁懸浮元件；位于浮子左側(cè)的軸向磁懸浮元件具有定子線圈Lzk和位于浮子右側(cè)的軸向磁懸浮元件具有定子線圈La ;位于浮子左側(cè)的徑向磁懸浮元件具有一對X方向定子線圈La+、Lxl_和一對Y方向定子線圈Lyl+>Lxl-;位于浮子右側(cè)的徑向磁懸浮兀件具有一對X方向定子線圈LXK+、LXK_和一對Y方向定子線圈LYK+、LXK_ ;其中X方向?yàn)槿⊥勇輧x的馬達(dá)軸方向，Y方向?yàn)槿⊥勇輧x的輸入軸方向，Z方向?yàn)槿⊥勇輧x的輸出軸方向。
[0027]第一浮子位置檢測電阻組(2-1)包括電阻Ra、Rxl+, Ryl+, RXK+、和RYK+。第二浮子位置檢測電阻組(2-2)包括電阻RZK、Ra_、RYpRXK_、和RYK_。第一激磁/加力控制開關(guān)組(6_1)包括五路激磁控制開關(guān)和五路加力控制開關(guān)。第二激磁/加力控制開關(guān)組(6-2)包括五路激磁控制開關(guān)和五路加力控制開關(guān)。每路激磁控制開關(guān)的控制端與控制器的I/o 口相連，每路激磁控制開關(guān)的一端與激磁電源相連，每路激磁控制開關(guān)的另一端與相應(yīng)的檢測電阻相連。每路加力控制開關(guān)的一端與加力電源相連，每路加力控制開關(guān)的另一端與磁懸浮兀件(I)的定子線圈輸入端相連。電阻RZl —端與第一激磁/加力控制開關(guān)組6-1中的一路激磁控制開關(guān)相連，電阻Ra另一端與定子線圈La輸入端相連，定子線圈La的接地端與定子線圈Lzk的接地端相連后與電源地端相連；定子線圈Lzk的輸入端接電阻Rzk的一端，電阻Rzk的另一端與第二激磁/加力控制開關(guān)組中的一路激磁控制開關(guān)相連。電阻Ra、定子線圈La、定子線圈Lzk、和電阻Rzk串聯(lián)組成第一路惠斯頓測試電橋。電阻Ra+ —端與第一激磁/加力控制開關(guān)組6-1中的一路激磁控制開關(guān)相連，電阻Ra+另一端與定子線圈La+輸入端相連，定子線圈La+的接地端與定子線圈La_的接地端相連后與電源地端相連；定子線圈Lxl_的輸入端接電阻Ra_的一端，電阻Ra_的另一端與第二激磁/加力控制開關(guān)組中的一路激磁控制開關(guān)相連。電阻Ra+、定子線圈La+、定子線圈La_、和電阻Ra_串聯(lián)組成第二路惠斯頓測試電橋。類似地，電阻RYy定子線圈Lw、定子線圈、和電阻Rt串聯(lián)組成第三路惠斯頓測試電橋。電阻RXK+、定子線圈LXK+、定子線圈LXK_、和電阻RXK_串聯(lián)組成第四路惠斯頓測試電橋。電阻RYK+、定子線圈LYK+、定子線圈LYK_、和電阻RYK_串聯(lián)組成第五路惠斯頓測試電橋，每路測試電橋輸出一路代表浮子位置的電壓差信號。五路惠斯頓測試電橋通過磁懸浮元件移動時(shí)間隙長度的變化所引起的電感變化來檢測浮子位置。定子線圈La、La+、Lw、LXE+> LYK+、Lze> Lxl_> Lyl_> Lxk_、Lye_的輸入端與多路選通器的相應(yīng)輸入端相連；多路選通器的輸出端與模擬信號轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連；模擬信號轉(zhuǎn)換電路的輸出端與控制器相連。多路選通器在控制器的控制下分時(shí)選擇輸出一路測試電橋輸出的電壓差信號至模擬信號轉(zhuǎn)換電路。然后，通過模擬信號轉(zhuǎn)換電路(3)將采樣得到的每路電橋輸出電壓差進(jìn)行放大、解調(diào)和濾波，獲得與浮子位置對應(yīng)的直流信號，并將其輸入至控制器。五路電壓差信號共用一套模擬信號轉(zhuǎn)換電路，減小磁懸浮控制系統(tǒng)的體積，提高電路的集成度。
[0028]本發(fā)明磁懸浮控制系統(tǒng)利用磁性元件的磁拉力完成對浮子組件五個(gè)方向的自由度的控制使其精確定中。軸、徑向分開控制，其中，一對軸向磁懸浮元件控制浮子組件的軸向線動自由度，一對徑向磁懸浮元件控制浮子組件的徑向線動自由度和繞陀螺自轉(zhuǎn)軸、輸入軸的轉(zhuǎn)動自由度。每個(gè)徑向磁懸浮元件采用外定子、內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖2a。軸向磁懸浮元件定子為罐型磁心結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子為圓餅形無磁滯結(jié)構(gòu)，如圖2b所示。磁懸浮元件的定子部分安裝在陀螺殼體上，轉(zhuǎn)子部分安裝在陀螺浮子組件上。
[0029]本發(fā)明的控制器主要完成功能如下:
[0030](I)通過Α/D采樣得到以電壓表示的浮子位置信號；
[0031](2)對采樣得到的位置信號進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)要求的磁懸浮回路控制算法，得到磁懸浮加力控制信號；
[0032](3)通過控制器的I/O 口控制多路選通器實(shí)現(xiàn)多路切換，通過控制器的I/O 口控制第一激磁/加力控制開關(guān)組、第二激磁/加力控制開關(guān)組進(jìn)行激磁信號控制量輸出和加力控制量輸出。
[0033]在控制器的選擇上，三浮陀螺磁懸浮回路對控制器的速度要求不高，但I(xiàn)/O 口較多(不少于14個(gè))。另外，為了提高電路的集成度，在滿足精度要求的前提下選擇片上自帶Α/D的控制器。例如，可以采用DSP或者單片機(jī)。[0034]如圖3所示，在有源磁懸浮控制系統(tǒng)中，從時(shí)間上將整個(gè)有源磁懸浮控制周期分成三部分，分別為位置信號采樣周期T。，加力周期Tf，恢復(fù)等待周期Td。在控制器的分時(shí)控制下，將同一磁懸浮元件的定子線圈交替作為位置傳感器和力發(fā)生器。在T。段，控制器控制所有激磁控制開關(guān)閉合，所有加力控制開關(guān)關(guān)斷，激磁電源輸出的激磁電流流過惠斯通電橋，此時(shí)磁懸浮元件的定子線圈作為位置傳感器，控制器通過控制多路選通器分時(shí)采集五路代表浮子位置的信號進(jìn)行處理后，完成控制律運(yùn)算，準(zhǔn)備輸出控制信號。在Tf段，控制器控制所有激磁控制開關(guān)關(guān)斷，控制器根據(jù)控制算法判斷是否對某一側(cè)元件加力。如果需要加力，控制器根據(jù)控制算法來控制加力控制開關(guān)的開、合及持續(xù)時(shí)間，在加力控制開關(guān)的控制下加力電源輸出加力電流至磁懸浮元件的定子線圈上，從而為磁懸浮元件提供磁拉力，完成對浮子的定中控制；此時(shí)磁懸浮元件的定子線圈作為力發(fā)生器。在！^段，控制器既不對位置信號采樣，也不給磁懸浮元件加力，只是一段等待時(shí)間，讓磁懸浮定、轉(zhuǎn)子退磁。這樣做會使關(guān)閉直流反饋電流瞬間在電感線圈中產(chǎn)生的負(fù)尖峰脈沖衰減并使磁懸浮元件退磁，以便在下周期內(nèi)采樣出真實(shí)的位置信號。待磁懸浮定、轉(zhuǎn)子退磁之后，開始下一循環(huán)的采樣、加力、恢復(fù)等待。
[0035]圖4為本發(fā)明的磁懸浮元件加力示意圖，X為馬達(dá)軸(H軸)，Y為陀螺輸入軸(I軸)，Z為陀螺輸出軸(O軸)，fxl+、fxl_為三浮陀螺浮子左端(傳感器端)沿X軸正向和負(fù)向受到的磁拉力，fyl+，fyl-為浮子左端沿Y軸正向和負(fù)向受到的磁拉力；f?+、f?-為浮子右端(力矩器端)沿X軸正向和負(fù)向受到的磁拉力，fK+，fyr-為浮子右端沿Y軸正向和負(fù)向受到的磁拉力；fzl、fzr為沿Z軸正、反方向受到的磁拉力。
[0036]如圖5所示，為本發(fā)明的三浮陀螺儀有源磁懸浮控制系統(tǒng)的控制算法原理框圖，針對磁懸浮系統(tǒng)的控制對象的特點(diǎn)，進(jìn)行多軸磁懸浮控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對浮子的平動和轉(zhuǎn)動兩類運(yùn)動模態(tài)直接進(jìn)行控制，對狀態(tài)控制的實(shí)現(xiàn)表示為圖5中虛線所示?？刂破鲗@得的5路代表浮子位置的信號組成檢測信號Y，其中
Y=[ql xr yl yr xl xr yl yr z z ]T，Xl、Xr為檢測到的浮子左右兩端沿X方向的
位移，Y1^yr為檢測到的浮子左右兩端沿Y方向的位移，Z為檢測到的浮子沿Z方向的位移。將檢測信號Y與輸出系數(shù)矩陣C的逆陣相乘獲得位移信號和偏角信號，對位移信號利用平動控制率(例如分段非線性控制率或者PID控制率)獲得力信號；對偏角信號利用轉(zhuǎn)動控制率(例如分段非線性控制率或者PID控制率)獲得力矩信號，將力信號、力矩信號與控制系數(shù)矩陣B的逆陣相乘獲得加力控制信號U。輸出系數(shù)矩陣C和控制系數(shù)矩陣B由系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)確定。另外，圖5中的A為系統(tǒng)矩陣，X為狀態(tài)量，Um為廣義的磁懸浮控制力。本發(fā)明對浮子的平動和轉(zhuǎn)動兩類運(yùn)動模態(tài)直接進(jìn)行控制，可以解決多軸磁懸浮控制系統(tǒng)中采用輸出反饋分散控制方法時(shí)存在的“蹺蹺板”和“H反饋”問題，有效的改善系統(tǒng)的品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)多入-多出耦合系統(tǒng)的解耦控制。
[0037] 本發(fā)明未詳細(xì)介紹的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域公知常識。
【權(quán)利要求】
1.一種三浮陀螺儀有源磁懸浮控制系統(tǒng)，所述三浮陀螺儀包括浮子，其特征在于，三浮陀螺儀有源磁懸浮控制系統(tǒng)包括磁懸浮元件(1)、第一浮子位置檢測電阻組(2-1)、第二浮子位置檢測電阻組(2-2)、模擬信號轉(zhuǎn)換電路(3)、多路選通器(4)、控制器(5)、第一激磁/加力控制開關(guān)組(6-1)和第二激磁/加力控制開關(guān)組(6-2)； 磁懸浮元件包括位于浮子左側(cè)的軸向磁懸浮元件、位于浮子右側(cè)的軸向磁懸浮元件，位于浮子左側(cè)的徑向磁懸浮元件和位于浮子右側(cè)的徑向磁懸浮元件；位于浮子左側(cè)的軸向磁懸浮元件具有定子線圈Lzk和位于浮子右側(cè)的軸向磁懸浮元件具有定子線圈La ;位于浮子左側(cè)的徑向磁懸浮兀件具有一對X方向定子線圈La+、La_和一對Y方向定子線圈LYI；+、Lxl-;位于浮子右側(cè)的徑向磁懸浮兀件具有一對X方向定子線圈LXK+、LXK_和一對Y方向定子線圈LYK+、LXK_ ;其中X方向?yàn)槿⊥勇輧x的馬達(dá)軸方向，Y方向?yàn)槿⊥勇輧x的輸入軸方向，Z方向?yàn)槿⊥勇輧x的輸出軸方向； 第一浮子位置檢測電阻組(2-1)包括五個(gè)電阻Ra、Ra+、Rw、RXK+、和Ryk+ ;第二浮子位置檢測電阻組(2-2)包括五個(gè)電阻RZK、Rxl_> Ryl_> RXK_、和RYK_ ； 第一激磁/加力控制開關(guān)組(6-1)包括五路激磁控制開關(guān)和五路加力控制開關(guān)；第二激磁/加力控制開關(guān)組(6-2)包括五路激磁控制開關(guān)和五路加力控制開關(guān)；每路激磁控制開關(guān)的一端與激磁電源相連，每路激磁控制開關(guān)的另一端與相應(yīng)的電阻相連；每路加力控制開關(guān)的一端與加力電源相連，每路加力控制開關(guān)的另一端與相應(yīng)的定子線圈輸入端相連；第一激磁/加力控制開關(guān)組(6-1)和第二激磁/加力控制開關(guān)組(6-2)與控制器相連；電阻Ru、定子線圈定子線圈Lzk、和電阻Rzk串聯(lián)組成第一路惠斯頓測試電橋；電阻Ra+、定子線圈La+、定子線圈La_、和電阻Ra_串聯(lián)組成第二路惠斯頓測試電橋；電阻Rw、定子線圈Lm、定子線圈Lt、和電阻串聯(lián)組成第三路惠斯頓測試電橋；電阻RXK+、定子線圈LXK+、定子線圈LXK_、和電阻RXK_串聯(lián)組成第四路惠斯頓測試電橋；電阻RYK+、定子線圈LYK+、定子線圈LYK_、和電阻RYK_串聯(lián)組成第五路惠斯頓測試電橋；每路惠斯頓測試電橋輸出一路代表浮子位置的電壓差信號；定子線圈LZI；、Lxl+> Lyl+> LXK+、LYK+、Lze> Lxl_> Lyl_> Lxk_、Lye_的輸入端與多路選通器的相應(yīng)輸入端相連；多路選通器的輸出端與模擬信號轉(zhuǎn)換電路的輸入端相連；模擬信號轉(zhuǎn)換電路的輸出端與控制器相連；多路選通器在控制器的控制下分時(shí)選擇輸出一路惠斯頓測試電橋輸出的電壓差信號至模擬信號轉(zhuǎn)換電路；模擬信號轉(zhuǎn)換電路(3)將電壓差信號進(jìn)行放大、解調(diào)和濾波，獲得與浮子位置對應(yīng)的信號，并將其輸入至控制器；控制器(5)根據(jù)與浮子位置對應(yīng)的信號計(jì)算加力控制信號；通過控制器控制第一激磁/加力控制開關(guān)組和第二激磁/加力控制開關(guān)組的開合以使得定子線圈交替作為位置傳感器和力發(fā)生器。
2.如權(quán)利要求1所述的三浮陀螺儀有源磁懸浮系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，將控制器的控制周期分為位置信號采樣周期T。，加力周期Tf，恢復(fù)等待周期Td ； 在位置信號采樣周期T。，控制器控制所有激磁控制開關(guān)閉合，所有加力控制開關(guān)關(guān)斷，激磁電源輸出的激磁電流流過每路惠斯通測試電橋，此時(shí)定子線圈作為位置傳感器，控制器通過控制多路選通器分時(shí)采集五路與浮子位置對應(yīng)的信號進(jìn)行處理后，控制器根據(jù)與浮子位置對應(yīng)的信號計(jì)算加力控制信號，準(zhǔn)備輸出加力控制信號； 在加力周期Tf，控制器控制所有激磁控制開關(guān)關(guān)斷，控制器輸出加力控制信號至加力控制開關(guān)，控制加力控制開關(guān)的開、合及持續(xù)時(shí)間，在加力控制開關(guān)的控制下加力電源輸出加力電流至磁懸浮元件的定子線圈上，從而為磁懸浮元件提供磁拉力，完成對浮子的定中控制；此時(shí)磁懸浮元件的定子線圈作為力發(fā)生器； 在恢復(fù)等待周期Td，控制器控制所有激磁控制開關(guān)和加力控制開關(guān)關(guān)斷，讓磁懸浮元件定子和轉(zhuǎn)子退磁。
3.如權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于，控制器根據(jù)與浮子位置對應(yīng)的信號計(jì)算加力控制信號的方法如下:控制器將獲得的與浮子位置對應(yīng)的信號組成檢測信號Y ;將檢測信號Y與輸出系數(shù)矩陣C的逆陣相乘獲得位移信號和偏角信號，對位移信號利用平動控制率獲得力信號；對偏角信號利用轉(zhuǎn)動控制率獲得力矩信號，將力信號、力矩信號與控制系數(shù)矩陣B的逆陣相乘獲得加力控制信號。
【文檔編號】G01C19/24GK103913157SQ201410073592
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年2月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月28日
【發(fā)明者】鄧忠武, 王雪, 王永彤, 陳瑞霞, 王文佳, 張智 申請人:北京航天控制儀器研究所