一種陀螺定向儀角動量檢測及補償方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于測量和定位定向技術領域，特別涉及一種陀螺定向儀角動量檢測及補償方法。本發(fā)明包括陀螺電機內部的定子上以120°間隔有3個霍爾元件1，在轉軸的一周均勻分布著K個磁鋼2，用來檢測陀螺電機轉速；當霍爾片上的電流恒定不變時，電機轉速的變化導致垂直于電流方向的磁場強度發(fā)生變化，不同的磁場強度會使得霍爾元件的輸出電壓不同；當每個磁鋼經(jīng)過霍爾傳感器時，霍爾元件便輸出一個脈沖。本發(fā)明由霍爾元件能夠精確的測量陀螺儀轉子的實時轉速，通過實時的轉子速度與預期轉子的速度差及速度差的變化率為輸入，保證陀螺轉子的速度能夠得到相應的補償，有效抑制陀螺轉子的轉速波動，達到提高陀螺尋北裝置的尋北精度。
【專利說明】
一種陀螺定向儀角動量檢測及補償方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于測量和定位定向技術領域，特別涉及一種陀螺定向儀角動量檢測及補 償方法。
【背景技術】
[0002] 陀螺電機是為定向儀提供動量矩并使之具有陀螺效應的重要元件和敏感元件，轉 速的大小變化直接影響陀螺電機的角動量，影響尋北定向精度，是影響磁懸浮定向儀精度 的重要因素。很多因素會導致無刷直流電機轉速波動，引入尋北測量誤差，包括電機自身結 構引起的齒槽轉矩影響、控制電流的非理想方波變化、電源的穩(wěn)定性，都會導致電磁轉矩的 隨機波動，從而引起轉速的隨機波動。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種在對陀螺定向儀進行測量補償驗證的基礎上，通過對 測量數(shù)據(jù)的分析提高穩(wěn)速精度的陀螺定向儀角動量檢測及補償方法。
[0004] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0005] (1)陀螺電機內部的定子上以120°間隔有3個霍爾元件1，在轉軸的一周均勻分布 著K個磁鋼2,用來檢測陀螺電機轉速;當霍爾片上的電流恒定不變時，電機轉速的變化導致 垂直于電流方向的磁場強度發(fā)生變化，不同的磁場強度會使得霍爾元件的輸出電壓不同； 當每個磁鋼經(jīng)過霍爾傳感器時，霍爾元件便輸出一個脈沖，采用Μ/T法對霍爾元件輸出的脈 沖信號進行測量，得到陀螺電機轉速；由霍爾元件輸出電壓的大小確定當前的陀螺電機轉 速;得到精確的陀螺電機轉速的誤差An，然后進行速度補償控制，
[0006] !P陀螺電機的角動量補償；
[0007] 利用頭W將速，得到實施轉速誤差Δη，實時補償陀螺角動量，采用模糊控制和 PID控制相結合的控制方法來對角動量進行補償，模糊控制器為三維模糊控制器，輸入分別 為轉速誤差，轉速變化率，轉速誤差變化的變化率，輸出為PID控制器的參數(shù)變化率detkp， detki，detkd;
[0008] (3)將補償后的角動量進行尋北；陀螺定向儀有陀螺電機、測角裝置、力矩器和磁 懸浮支撐組成
[0009]
[0010] H:陀螺角動量，H = Jco =23Tf = 23TPn/60，n:轉速；coie:地球漂移角速率 15.041Γ 1ι);Φ:地理煒度;α北:陀螺電機軸與北向夾角；I:力反饋電流;KT:陀螺力矩系數(shù)；
[0011] (4)當陀螺電機的轉速得到補償后送入測角裝置，補償由于轉速誤差所帶來的定 向誤差；
[0012]
[0013] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0014] 本發(fā)明由霍爾元件能夠精確的測量陀螺儀轉子的實時轉速，通過實時的轉子速度 與預期轉子的速度差及速度差的變化率為輸入，通過模糊PID控制方法，使得力矩器做出相 應的動作，保證陀螺轉子的速度能夠得到相應的補償，即補償陀螺轉子的角動量，使得陀螺 轉子能維持穩(wěn)定的高速轉動，有效抑制陀螺轉子的轉速波動，達到提高陀螺尋北裝置的尋 北精度。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明專利陀螺電機結構圖。
[0016] 圖2為霍爾元件實測轉速結構圖。
[0017]圖3為本發(fā)明專利定向儀陀螺運動模型圖。
[0018] 圖4為本發(fā)明流程圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖對本發(fā)明做進一步描述。
[0020] 本發(fā)明公開了一種陀螺定向儀陀螺角動量檢測及補償方法，能夠完成陀螺電機轉 速測量并實現(xiàn)對電機轉速引起陀螺角動量的補償，從而實現(xiàn)陀螺角動量穩(wěn)，提高了陀螺定 向儀精度。利用陀螺電機內部的霍爾元件測量陀螺電機轉速，利用測得的實時轉速對陀螺 角動量進行實時補償，角動量參與定向尋北計算，補償由于轉速誤差所帶來的定向誤差。本 發(fā)明能夠完成陀螺電機轉速測量，能滿足陀螺定向儀快速高精度定向的需求。本發(fā)明通過 確定一種陀螺定向儀陀螺電機轉速檢測及補償方法，能夠完成陀螺電機轉速測量并實現(xiàn)對 電機轉速引起陀螺角動量的補償，從而實現(xiàn)陀螺角動量穩(wěn)定。利用陀螺電機內部的霍爾元 件測量陀螺電機轉速。利用Μ/T算法進行電壓信號到實時轉速的轉換。采用模糊控制和PID 控制相結合的控制方法來對角動量進行補償，模糊控制器設計為三維模糊控制器。將補償 后的角動量進行尋北，由尋北公式可知，當角動量波動較小時，尋北角度精度才更高，補償 由于轉速誤差所帶來的定向誤差。
[0021] 陀螺定向儀尋北原理公式可知尋北定向精度與轉速η相關。轉速恒定則陀螺角動 直穩(wěn)走。
[0022 ] 通過對磁懸浮定向儀進行原理性敘述，確定磁懸浮定向儀中陀螺電機轉速是引起 定向誤差的一個誤差源，同時它又是磁懸浮定向儀滿足環(huán)境適應性的主要創(chuàng)新點，通過對 磁懸浮分系統(tǒng)的理論分析，確定其檢測、控制及誤差補償策略，控制精度對磁懸浮定向儀系 統(tǒng)的精度影響，進行具有針對性的檢測控制及補償研究。
[0023]下面結合附圖對本發(fā)明進一步說明。Stepl:陀螺電機內部的定子上以120°間隔有 3個霍爾元件1，在轉軸的一周均勻分布著K個磁鋼2，用來檢測陀螺電機轉速。當霍爾片上的 電流恒定不變時，電機轉速的變化導致垂直于電流方向的磁場強度發(fā)生變化，不同的磁場 強度會使得霍爾元件的輸出電壓不同。當每個磁鋼經(jīng)過霍爾傳感器時，霍爾元件便輸出一 個脈沖，這里采用Μ/T法對霍爾元件輸出的脈沖信號進行測量，得到陀螺電機轉速。由霍爾 元件輸出電壓的大小便可以知道當前的陀螺電機轉速。從而得到精確的陀螺電機轉速的誤 差An，然后進行速度補償控制
〃即陀螺電機的角動量補償。
[0024] Step2:利用實時轉速，得到實施轉速誤差Δη，實時補償陀螺角動量，這里采用模 糊控制和PID控制相結合的控制方法來對角動量進行補償，模糊控制器設計為三維模糊控 制器，輸入分別為轉速誤差，轉速變化率，轉速誤差變化的變化率，輸出為PID控制器的參數(shù) 變化率detkp，detki，detkd，這種設計能夠使得轉速補償更為精確和快速。
[0025] Step3:將補償后的角動量進行尋北。陀螺定向儀有陀螺電機3、測角裝置4、力矩器 5和磁懸浮支撐6組成。由尋北公式可知，當角動量波動較小時，尋北角度精度才更高。
[0026]
[0027] 注:Η:陀螺角動量，H = J ω = 2對=2JiPn/60，η:轉速；ω ie:地球漂移角速率15 · 041 (°1ι);Φ:地理煒度;α北:陀螺電機軸與北向夾角；I:力反饋電流;Κτ:陀螺力矩系數(shù)。
[0028] Step4:當陀螺電機的轉速得到補償后送入測角裝置，補償由于轉速誤差所帶來的 定向誤差。
[0029]
[0030]當轉速得到補償?shù)臅r候，detn變小，detH變小，alpa的變化更小，及尋北穩(wěn)定精度 得到提高。
【主權項】
1. 一種巧螺定向儀角動量檢測及補償方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 巧螺電機內部的定子上W120°間隔有3個霍爾元件1，在轉軸的一周均勻分布著K個 磁鋼2,用來檢測巧螺電機轉速；當霍爾片上的電流恒定不變時，電機轉速的變化導致垂直 于電流方向的磁場強度發(fā)生變化，不同的磁場強度會使得霍爾元件的輸出電壓不同；當每 個磁鋼經(jīng)過霍爾傳感器時，霍爾元件便輸出一個脈沖，采用M/T法對霍爾元件輸出的脈沖信 號進行測量，得到巧螺電機轉速；由霍爾元件輸出電壓的大小確定當前的巧螺電機轉速;得 到精確的巧螺電機轉速的誤差A n，然后進行速度補償控制，即巧螺電機的角動量補償； (2) 利用實時轉速，得到實施轉速誤差Δη,實時補償巧螺角動量，采用模糊控制和PID 控制相結合的控制方法來對角動量進行補償，模糊控制器為Ξ維模糊控制器，輸入分別為 轉速誤差，轉速變化率，轉速誤差變化的變化率，輸出為PID控制器的參數(shù)變化率detkp， detki,detkd; (3) 將補償后的角動量進行尋北；巧螺定向儀有巧螺電機、測角裝置、力矩器和磁懸浮 支撐組成 曰= arc(sin(時I好I樹)/Ηω iecos Φ ) Η:巧螺角動量，H=Jw=2時二化pn/60，n:轉速；wie:地球漂移角速率15.041(°h); Φ : 地理締度;啡:巧螺電機軸與北向夾角；I:力反饋電流;時:蛇螺力矩系數(shù)； (4) 當巧螺電機的轉速得到補償后送入測角裝置，補償由于轉速誤差所帶來的定向誤 差；
【文檔編號】G01C25/00GK105973270SQ201610532457
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月7日
【發(fā)明人】李光春, 賈盈盈, 王旭剛, 光星星, 魏延輝, 王連增, 劉曉晴, 杜世通, 柁旭東, 張佩
【申請人】哈爾濱工程大學