某力矩反饋速率陀螺儀性能的試驗研究

李　明　史守峽

摘 要：通過推導得出力矩反饋速率陀螺儀的主要性能參數等效阻尼比及等效轉動慣量與陀螺表頭增益及時間常數有關。針對某力矩反饋速率陀螺儀設計了再平衡回路，試驗確定了不同輸入頻率下陀螺表頭參數的變化趨勢，從而得出陀螺的主要性能參數阻尼比及轉動慣量在整個頻段內的變化趨勢。解決了陀螺儀性能參數在使用中不準確,從而影響回路設計的問題，為力矩反饋速率陀螺儀的實際應用提供了依據。

關鍵詞：速率陀螺儀；再平衡回路；表頭參數；阻尼比；轉動慣量

中圖分類號：TP274文獻標識碼：A

文章編號：1004 373X(2009)02 091 04

Experimental Research on Performance of One Seeker′s Torque Feedback Rate Gyro

LI Ming,SHI Shouxia

(No.25 Institute of the Second Research Academy,Beijing,100854,China)

Abstract：It deduces that the equivalent damping ratio and torsion pendulum which is the main performance parameter of the torque feedback rate gyro is related to the gain and time constant of the head of meter.According to a torque feedback rate gyro,it designs the rebalance loop.The experimentation concludes the change tendency of parameter of the head of meter in different input frequency,so that the change tendency of damping ratio and torsion pendulum in the whole frequency is determined.It solves a problem that the performance parameter of rate gyro is not accurate in use,the design of loop is influenced.It provides bases for the practical application of the torque feedback rate gyro.

Keywords：rate gyro;rebalance loop;parameter of head of meter;damping ratio;torsion pendulum

速率陀螺儀，在姿態穩定系統中有廣泛的應用，主要目的是敏感載體的角速度，通過執行機構，實現對載體的控制和穩定，在位標器上應用陀螺儀的目的是測量天線在慣性空間的轉率，實現天線穩定的伺服控制。為滿足系統對陀螺儀動態特性的要求，需要陀螺儀的頻帶要寬（通常為80 Hz），響應快、具有合適的阻尼（阻尼系數0.7±0.1）。位標器上采用的陀螺儀多數是半液浮速率陀螺儀，其內部機械結構復雜，非線性因素多，影響陀螺性能的因素包括陀螺轉子特性動平衡、支撐方式、浮油特性等，在使用中，覺得表頭參數不準確，使陀螺回路的設計變得很困難；另一方面，實測陀螺儀頻率特性與生產廠家提供的理論值不一致，相差很大，給設計工作帶來困難。這里通過閉環試驗，研究陀螺表頭參數在工作狀態下的變化趨勢，為陀螺回路設計和應用提供依據。下面以單自由度速率陀螺為例，通過對陀螺儀表頭模型的分析，考慮到表頭內部的一些不確定因素，使框架的轉動慣量增加；同時，陀螺力矩在軸承上增加了摩擦，使陀螺的阻尼比增加。

1 等效轉動慣量和等效阻尼

1.1 等效轉動慣量

由于陀螺儀表結構的幾何不規則性和復雜性裝配，以及陀螺儀框架的變形等因素影響，使得單自由度陀螺儀的動態特性在一定程度上可能使速率陀螺儀具有雙自由度陀螺儀的效應，使得框架的轉動慣量發生了變化，即用等效轉動慣量表示。

考慮到輸入軸的彈性變形和軸承的間隙，在橫向微量運動中，橫向剛性系數越大，其微運動量越小，圖1為單自由度速率陀螺儀數學模型圖。

圖1 單自由度速率陀螺儀數學模型圖

用動靜法，可以列出如下方程式：

Hα′cos β－I瓂β′′－D瓂β′－K璱i－M瓂=0

Hβ′cos β－I瓁α″－D瓁α′－K瓁α－M瓁=0(1)

其中：H為陀螺儀的角動量；I瓁，I瓂分別為繞輸入I、輸出軸O的轉動慣量；D瓁，D瓂分別為輸入I、輸出軸O的阻尼比；K瓁為輸入方向的剛性系數；K璱為陀螺的力矩系數；β為外框繞輸出軸的轉角；α為外框繞輸入軸的微小轉角。

考慮到力矩再平衡特性，框架的轉角β較小，忽略擾動力矩的影響，平衡方程式（1）簡化為:

Hα′－I瓂β″－D瓂β′－K璱i=0

Hβ′－I瓁·α″－D瓁α′－K瓁α=0 (2)

考慮到實際情況，框架的剛度系數K瓁遠遠大于阻尼比D瓁、轉動慣量I瓁，依據式(2)的第二式，得:

α=－HK瓁β′(3)

顯然，K瓁越大，外框繞輸入軸的轉角(影響越小，把式（3）代入式（2）的第一式，得:

(I瓂+H2K瓁)β″+D瓂β′+K璱i=0(4)

由式（4），在動態過程中實際的轉動慣量I由2部分組成的，第一部分為陀螺框架的轉動慣量I瓂，第二部分為框架的剛度系數K瓁引起的動態附加轉動慣量。

1.2 等效動態附加阻尼

圖2為單自由度速率陀螺儀運動學模型圖。

圖2 單自由度速率陀螺儀運動學模型圖

如圖2所示，對于單自由度力反饋陀螺儀，當輸入軸有角速度ω瓁，產生陀螺力矩Hω瓁，產生沿輸出軸的角速度β′，同樣產生陀螺力矩Hβ′，此陀螺力矩方向與輸入軸一致，此力矩作用在軸承上，在軸承上產生正壓力，產生繞輸出軸的附加力矩，為:

F=Hβ′2L(5)

其中:L為浮子的中心與軸承之間的距離；F為作用在軸承上的壓力，產生的摩擦力矩為2Frf；f為摩擦系數，則摩擦力矩的大小為:

2Frf=HrfL·β′(6)

因此，速率陀螺系統的動力學方程式（4）為:

(I瓂+H2K瓁)β″+(D瓂+HrfL)β′+K璱i=0(7)

式（7）表明，生產陀螺表頭的廠家，通常提供參數I瓂,D瓂，考慮到陀螺的動態系統，附加的轉動慣量與剛度系數K瓁成反比，而剛度系數本身除了與框架的結構形式、偏心度有關外，還與軸承的支撐形式等因素有關；在此覺得廠家提供的參數與實測的偏差較大，仍要做大量的試驗工作，差別的大小由定性描述到定量確定，通過后面試驗測試，分別確定出不同頻率階段，等效的轉動慣量和等效的阻尼比，給出一個定量的變化范圍，為陀螺回路的設計提供一定的參考依據。

3 系統方框圖

考慮到力反饋速率陀螺的工作原理，再平衡電子線路的結構形式如圖3所示，閉環陀螺再平衡回路的線性系統方框圖如圖4所示。

圖3 速率陀螺再平衡回路的結構形式

圖4 陀螺再平衡回路的線性系統方塊圖

其中:Kθ為傳感器比例系數；K璽為力矩器系數；I瓂為陀螺轉動慣量；H為陀螺角動量；D為阻尼比；K璦為伺服回路靜態增益；

K璦W(s)為伺服回路傳函數；R璽為力矩器直流電阻；R璼為采樣電阻；M璬為擾動力矩；ω瓁為角速率。

依據圖4示，閉環傳函為：

u(s)ω瓁(s)=

H·1I瓂s+D·1s·Kθ·K璦W(s)·R璼R璼+R璽1+1I瓂s+D·1s·Kθ·K璦W(s)·1R璼+R璽K璽（8）

整理：

u(s)ω瓁(s)=

HR璼KθK璦W(s)s(I瓂s+D)(R璼+R璽)+KθK璦K璽W(s)=Φ(s)（9）

其中：Φ(s)為閉環傳函，進一步表示為：

I瓂s+D=［1Φ(s)－K璽HR璼］·HR璼KθK璦W(s)(R璼+R璽)s（10）

為方便，令E(ω)，F(ω)分別為式（10）右式的實部和虛部。

對于每個確定的角頻率ω，可測得對應的系統幅頻特性A（ω），相頻特性φ(ω)，從而可以確定I瓂、阻尼系數D。

為了計算方便，把表頭的數學模型改為如下形式：

(1/I瓂)·(1/s)1+(1/I瓂)·(1/s)·D=1I瓂·s+D=

1/D(I瓂/D)·s+1肒τ·s+1(11)

其中，K， τ為表頭的增益和時間常數，且:

K=1/Dτ=I瓂/D(12)

同樣，可以采用系統的開環特性，反算確定I瓂、阻尼系數D，系統的開環傳遞函數為:

H0(s)=Ks(τs+1)·KθK璽(R璼+R璽)·K璦·W(s)(13)

類似，閉環傳遞函數式（9）表示為:

Φ(s)=u(s)/ω瓁(s)=

HR璼KKθK璦W(s)s(τs+1)(R璼+R璽)+KKθK璽K璦W(s)(14)

3 試驗測試及研究

3.1 測試數據

陀螺表頭參數最簡單的確定方法為不考慮校正環節，而把表頭的傳感器的輸出經功放，送回到陀螺力矩器，組成閉合回路，從而確定陀螺表頭的參數；另一種方法是考慮到校正環節，來確定表頭的參數，以某陀螺儀為例，廠家提供的表頭參數為：傳感器傳遞系數：500 mV/°；力矩器的力矩系數：1 gcm/mA；力矩電流與角速率比例尺：0.628 mA/°/s；動量矩：36 gcm；阻尼系數：3.014×10-4 kgm2/s；時間常數：9.49×10-3 s。

陀螺平衡回路采用校正環節的傳遞函數為：

W(s)=(130s+1)(180s+1)(1156s+1)(118.2s+1)(159.s+1)(11 329s+1)（15）

閉環、開環測試數據如表1所示，表1為陀螺閉環、開環測試數據。

3.2 表頭時間常數和增益的確定

分別計算了某陀螺表頭時間常數，計算結果如表2和圖5所示。

分別計算了陀螺表頭增益曲線如圖6所示，在低頻階段，計算的陀螺表頭增益與廠家提供的增益相近，而隨著頻率增高，陀螺表頭增益降低，當頻率大于20 Hz，表頭的增益趨于穩定值為0.13(gcms)-1，而與廠家提供的值相差1倍。

3.3 表頭實際阻尼與轉動慣量

根據測得的試驗值，可以確定隨著頻率的增大，表頭的阻尼比和轉動慣量的變化曲線，分別見圖7，圖8所示。圖中的結果表明，表頭的動態附加阻尼變化較大，達到1倍以上，參考前面的分析，是由于表頭動態附加阻尼引起的。

表1 閉環、開環測試數據

頻率/Hz

開環

實測/dB線性模型/dB

閉環

實測/dB線性模型/dB

162.9751.4-5.56-5.50

248.3644.2-5.53-5.50

340.9440.2-5.47-5.48

436.4437.2-5.40-5.46

532.9734.5-5.32-5.44

630.2731.8-5.24-5.44

728.1130.2-5.15-5.33

826.1928.2-5.06-5.33

924.6127.3-4.97-5.33

1023.2226.1-4.87-5.30

2014.1717.6-3.93-5.00

309.2913.2-3.56-4.71

406.1810.0-3.97-4.56

504.217.6-4.73-4.71

601.825.5-5.74-4.32

700.483.9-6.91-4.45

80-1.182.4-8.17-4.54

90-2.371.2-9.54-4.71

100-3.46-0.1-10.71-4.60

注：實測的閉環90°相移帶寬76.7 Hz，如果規定要達到80 Hz，可以再提高一點增益，從而達到要求；在低頻段，實際測試的開環幅頻dB數與線性模型相差8 dB數，估計是由于表頭內的非線性引起的。

表2 陀螺表頭時間常數

頻率/Hz＜2020304050

時間常數 /s0.014~0.0100.009 790.009 690.009 10.009

廠家提供/s0.009 46

注：時間常數的計算以兩個頻率10 Hz點作參考，其他點也可以

圖5 某陀螺回路測試的表頭時間常數

表3 陀螺表頭增益

頻率/Hz12345678

陀螺增益/(gcms)-10.360.288 40.200 00.197 50.1640.1510.145 20.141 2

注：1 Hz點異常

通過上面分析，表頭參數已經確定，下面在敘述有關的參數確定后，依據設計輸入的要求，確定陀螺閉環帶寬（90 °相移的帶寬80 Hz）；再平衡回路系統采用－2－－1~－2的工程設計方式，仿真結果見圖9，按照此過程，較好地滿足了設計要求。

圖6 陀螺表頭增益隨頻率變化曲線

圖7 陀螺表頭阻尼隨頻率變化曲線

圖8 陀螺表頭等效轉動慣量隨頻率變化曲線

5 結 語

陀螺表頭的增益和時間常數是陀螺回路設計過程中2個十分重要的參數，采用反算法，確定陀螺表頭增益、阻尼比及轉動慣量在整個頻段內的變化趨勢，為回路設計提供依據。

圖9 某陀螺開環幅頻特性

隨著頻率的增加，陀螺表頭的增益變小，到高頻段下降了近一半；而阻尼比隨著頻率增加，到高頻段趨于恒定，可以認為主要是由于表頭結構的幾何不規則性和復雜性，裝配以及陀螺儀框架的變形、框架軸的支撐摩擦等因素引起的；確定表頭的傳函取定以后，依據對陀螺儀的帶寬要求，進行合理的零、極點配置，達到陀螺儀性能指標。

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作者簡介 李 明 女，1983年出生，河北唐山，在讀碩士研究生。研究方向為導航制導與控制。

史守峽 男，博士后。研究方向為導航制導與控制。