陀螺聲音對平臺性能影響分析

鄧方藝，劉思超

（中國空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽 471009）

陀螺穩(wěn)定平臺在環(huán)境試驗條件下性能惡化是空空導(dǎo)彈型號研制中要解決的重大技術(shù)問題。平臺在常溫時盡管能達到很高的性能，但在高低溫、振動等環(huán)境試驗[1]條件下穩(wěn)定平臺的性能有著不同程度的下降，甚至造成產(chǎn)品的失效。大量試驗和理論分析表明，陀螺穩(wěn)定平臺在環(huán)境試驗時的失效與陀螺的聲音有密切關(guān)系。通過對陀螺聲音的分析和研究，減少由于產(chǎn)品關(guān)鍵元器件失效造成的損失，對提高陀螺穩(wěn)定平臺在環(huán)境試驗條件下，尤其是壽命條件下的可靠性有著十分重要的意義和價值。

1 陀螺穩(wěn)定平臺工作的簡要原理

陀螺穩(wěn)定平臺實際是由一個三自由度陀螺儀作為敏感元件的雙軸穩(wěn)定平臺。在陀螺儀的內(nèi)、外環(huán)上分別安裝有角傳感器和力矩器。在平臺的內(nèi)、外環(huán)軸上分別安裝一臺伺服直流電機，并在殼體上配置伺服電路、功率放大器和傳動放大器。利用陀螺儀的基本特性：定軸性和進動性，即可實現(xiàn)平臺的穩(wěn)定和目標的跟蹤。

為了說明穩(wěn)定的物理過程，給出陀螺穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖中：H——陀螺動量矩；

ASy，ASz——沿陀螺外環(huán)軸、內(nèi)環(huán)軸的角傳感器；

TSУ，TSz——沿陀螺外環(huán)軸、內(nèi)環(huán)軸的力矩器；

圖1 陀螺穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the gyro stabilized platform

MУ，Mz——沿平臺外環(huán)軸、內(nèi)環(huán)軸的傳動電機；

K——放大器；

設(shè)起始時平臺與三自由度陀螺儀外環(huán)平面保持一致，陀螺儀動量矩矢量垂直與平臺平面，則此時角傳感器ASУ，和ASz輸出為零，一旦導(dǎo)彈彈體相對Y通道存在干擾角速度如時，平臺將繞Y軸轉(zhuǎn)動，由于陀螺在空間的定軸性，在平臺臺體與陀螺外環(huán)間將產(chǎn)生失調(diào)角αΓ，角傳感器ASУ將輸出正比于此失調(diào)角的信號，經(jīng)放大后驅(qū)動傳動電機MУ轉(zhuǎn)動并帶動平臺以Y繞Y軸反方向旋轉(zhuǎn)，使平臺恢復(fù)到原先的位置（同時角傳感器ASУ輸出的失調(diào)角信號也減小到零，這樣就保持了平臺對Y通道的穩(wěn)定，Z通道的穩(wěn)定與Y通道一樣）。

平臺依靠Y、Z二條穩(wěn)定回路始終跟隨著陀螺在慣性空間的位置，也就實現(xiàn)了平臺的空間穩(wěn)定，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計中天線是用連桿與平臺相連，這樣就實現(xiàn)了天線的空間穩(wěn)定，在整個穩(wěn)定系統(tǒng)中，陀螺儀只起著提供一個坐標基準的作用。

2 陀螺聲音對穩(wěn)定平臺影響原理分析

由于三自由度陀螺儀是平臺中最重要的器件，其性能不僅影響導(dǎo)引頭的跟蹤角速度、平臺的漂移、相對穩(wěn)定性，甚至影響和決定全彈的壽命。三自由度陀螺儀中的殼體、外環(huán)、內(nèi)環(huán)等零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，加工周期長。一般情況下其要經(jīng)過毛胚鑄造—粗加工—精加工—組合加工—裝配—測試等環(huán)節(jié)。在精度要求上，例如殼體、外環(huán)和內(nèi)環(huán)軸承孔精度和相應(yīng)的位置度精度，軸精度可達5級，孔精度為6級。在精度測量上，最佳的方法是用三坐標測量儀進行測量。

陀螺啟動時，馬達轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速從靜止逐步提高，如果馬達的轉(zhuǎn)速與平臺產(chǎn)生諧振[2-3]，陀螺將會出現(xiàn)聲音的變化，影響系統(tǒng)的動態(tài)性能，使系統(tǒng)易于損壞。伺服機械結(jié)構(gòu)是伺服系統(tǒng)[4]的控制對象，也是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，當產(chǎn)品的諧振頻率過低時，將會對產(chǎn)品機械結(jié)構(gòu)造成損傷，隨著環(huán)境試驗將進一步加劇產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的磨損。因此，通過對產(chǎn)品聲音的研究，早期剔除不合格品，可以提高產(chǎn)品的可靠性。

在對伺服系統(tǒng)分析時，將執(zhí)行電機[5]至控制對象之間的機械傳動看成是絕對剛性傳動。當控制對象的轉(zhuǎn)動慣量不大，系統(tǒng)跟蹤角加速度不高，而傳動制造的剛度較大時，可以忽略彈性扭轉(zhuǎn)變形。但如果轉(zhuǎn)動慣量[6]較大時，系統(tǒng)通頻帶又比較寬，系統(tǒng)運動過程中傳動軸的彈性扭轉(zhuǎn)變形將造成明顯滯后，傳動裝置在傳遞運動[7]時就會含有儲能的元件。由于它速度阻尼小，其傳遞特性將出現(xiàn)較高的諧振峰，形成機械諧振，從而對系統(tǒng)的動態(tài)特性產(chǎn)生較大影響。甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定，在某型諧振頻率下還可能損壞精密的慣性器件。機械諧振是由轉(zhuǎn)動慣量和傳動裝置的材料、結(jié)構(gòu)及尺寸等因素決定的。剛性越差，機械諧振頻率就越低。通常伺服系統(tǒng)的機械傳動裝置都具有一個諧振頻率，但有的不止一個諧振頻率。

對于陀螺聲音的差異現(xiàn)象，一個陀螺由30多個組件和近百個零件組成，每個零組件各有自己的固有振動頻率，在陀螺電機高速旋轉(zhuǎn)的激勵下，會有不同的振動反應(yīng)。當某一零組件的振動頻率接近陀螺電機的振動頻率時，振動會強烈一些，陀螺通電發(fā)出的聲音成份也會相應(yīng)變化。而對于同一種陀螺產(chǎn)品之間的聲音有大有小的現(xiàn)象，陀螺通電工作的聲音是否異常和陀螺性能、壽命之間存在對應(yīng)關(guān)系。

3 陀螺聲音對平臺影響試驗驗證

我們認為，陀螺聲音的差異能夠部分表征陀螺內(nèi)部裝配的差異，聲音明顯偏大且不平穩(wěn)的陀螺盡管性能滿足要求，但陀螺電機軸承由于摩擦會逐漸損耗，可靠性必然不如聲音平穩(wěn)的陀螺，應(yīng)在裝配過程中和出廠前對聲音加嚴控制。從我們對陀螺聲音的測試情況來看，受目前條件限制無法對陀螺聲音差異制定具體的判別標準，只能采取專人專聽的辦法控制陀螺聲音的差異。為此，我們設(shè)計了陀螺聲音的測試方法，并結(jié)合產(chǎn)品實際情況進行了驗證，獲得了較好的效果。

設(shè)置35670動態(tài)信號分析儀的工作頻率為聽覺范圍頻率：20～20 000 Hz；，將陀螺固裝于穩(wěn)定平臺內(nèi)，放在回轉(zhuǎn)工作臺上；將聲音傳感器固定在距陀螺50 mm處，測試過程中保持傳感器與陀螺的距離不變；采集背景聲音；陀螺加電，采集聲音。為便于對比，對可能存在故障隱患的產(chǎn)品進行了多次測試。測得的聲音頻譜和背景聲音測試結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 陀螺聲音頻譜測試圖Fig.2 Testing diagram of the gyro voice spectrum

圖3 陀螺背景聲音頻譜測試圖Fig.3 Testing diagram of the gyro background voice spectrum

從以上結(jié)果曲線來看，背景聲音影響到測試結(jié)果的準確性，應(yīng)將背景噪聲成分從測得的聲壓中扣除。因此準確測量分析應(yīng)該保證測試環(huán)境的低噪聲，減小背景聲音的影響，并要確定背景噪聲對測量數(shù)據(jù)的修正值；根據(jù)《GJB673-89陀螺電機通用規(guī)范》中的規(guī)定，電機不通電時，在寬頻帶1/3倍頻程和窄頻帶范圍內(nèi)，一般環(huán)境噪聲比電機在該頻帶下的最大噪聲至少低14 dB。由數(shù)據(jù)結(jié)果曲線中可以看到，陀螺測試時的總聲壓與背景聲壓相比，并無明顯區(qū)別，但是，在低頻段（20～1 000 Hz）聲音：由圖2陀螺測試的采樣數(shù)據(jù)曲線可以看到，低頻段數(shù)據(jù)變化較大；對比一個陀螺的全部測試結(jié)果，低頻段數(shù)據(jù)隨機性較大；結(jié)合背景聲音的測試數(shù)據(jù)，可以看到，在自然環(huán)境下進行陀螺聲音測試，該產(chǎn)品低頻段數(shù)據(jù)變大且存在較大的隨機性。通過專用的測試分析儀器及測試分析工具，說明該產(chǎn)品性能存在不穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

三自由度陀螺在機械裝配過程中很難保裝配的一致性，可能在裝配中存在假間隙。經(jīng)過穩(wěn)定平臺的高低溫試驗和隨機振動試驗，使陀螺軸向存在的假間隙得以顯現(xiàn)。而軸向間隙變大使陀螺質(zhì)心偏移，產(chǎn)生不穩(wěn)定的隨機有害力矩，該力矩使陀螺漂移性能超差。通過對陀螺聲音的分析和試驗驗證，可以判定陀螺性能是否存在問題，從而避開由于陀螺故障導(dǎo)致穩(wěn)定平臺的失效。

[1]黃正祥.高低溫環(huán)境試驗中的武器溫升分析[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2000（4）：61-64.

HUANG Zheng-xiang.The analysis of weapon’s temperature rise in the environmental test of high-low temperature[J].Journal of Proiectiles， Rockets， Missiles and Guidance，2000（4）：61-64.

[2]黃斌.一種新的譜隨機有限元方法[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2004，26（5）：42-45.

HUANG Bing.A new spectral stochastic finite element method[J].Journal of Wuhan University of Technology，2004，26（5）：42-45.

[3]PAN Jie，Hansen C H.Total power flow from a vibrating body to a flexible panel through multiple elastic mounts[J].Journal of Acoustical Society of America，1992，92（2）:895-907.

[4]潘峰.基于dSPACE半實物仿真技術(shù)的伺服控制研究與應(yīng)用[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2004，16（5）：77-80.

PAN Feng.The research and application of dSPACE-based hardware-in-the-loop simulation technique in servo control[J].Journal of System Simulation，2004，16（5）：77-80.

[5]陳殿生.陀螺穩(wěn)定跟蹤平臺的滑模摩擦補償雙環(huán)控制研究[J].高技術(shù)通訊，2011，21（2）：173-178.

CHEN Dian-sheng. A study of sliding model frictioncompensation double loop controlofagyrostabilized tracking platform[J].Chinese High Technology Letters，2011，21（2）：173-178.

[6]McKerley C.W.A model for a two degree of freedom coupled seeker with mass imbalance[J].Proceedings of the IEEE，1996（4）：11-14.

[7]林利紅.精密傳動系統(tǒng)的機電耦合建模及仿真分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，30（11）：18-22.

LING Li-hong.Modeling and simulation analysis of the electromechanical coupling facts about precision transmission system [J].Journal of Chogqing University：Natural Science Edition，2007，30（11）：18-22.