三浮陀螺有源磁懸浮位置信號采集電路研究

吳 遼，楊孟興，王 卿，申志剛，馬千里2

（1.中國航天科技集團第十六研究所，西安710100；2.上海磁懸浮交通發展有限公司，上海201204）

三浮陀螺有源磁懸浮位置信號采集電路研究

吳 遼1，楊孟興1，王 卿1，申志剛1，馬千里2

（1.中國航天科技集團第十六研究所，西安710100；2.上海磁懸浮交通發展有限公司，上海201204）

三浮陀螺儀對磁懸浮定中精度提出ε≤0.27μm要求，位移信號采集電路的靈敏度應該高于該要求，電路設計目標定為0.09μm，可以從位置信號采集電路L-R電橋、調理電路和A/D轉換電路三部分保證這一目標。給出了兩種最佳匹配電阻的估算方法，基于實測電感帶入經典公式估算法和電磁仿真軟件FLUX估算法，結果表明實驗測試的最佳匹配電阻一般高于估算值約30%。推導了調理電路性能指標和A/D轉換電路位數與定中精度的關系，結合試驗驗證了電路設計指標優于0.09μm，完成電路設計任務。

三浮陀螺儀；有源磁懸浮；位置檢測；定中精度

0　引言

陀螺儀是慣性導航系統的核心部件之一，由最初的剛體轉子支承結構發展到現在的三浮支承技術，即陀螺電機采用動壓氣浮、浮筒采用液浮和輸出軸采用磁懸浮。三浮陀螺由于高精度、長壽命、高可靠性等優點被廣泛應用于各類戰略武器當中，同時也代表一個國家的慣性技術的發展水平。磁懸浮支承作為三浮陀螺中的關鍵技術，其主要功能是使陀螺浮子輸出軸在空間五個自由度上實現精確定位，同時提供浮子的實時狀態信息。

有源磁懸浮由于起動快、精度高、剛度大、干擾小等優點，成為新一代高精度機電陀螺的首選。準確地檢測出陀螺浮子的位置狀態是有源磁懸浮系統關鍵技術難題之一，也是保證定中精度的先決條件。目前比較成熟且應用廣泛的是L-R檢測系統，該系統主要有差分位置信號獲取、調理放大、A/D轉換三部分，三部分共同決定了檢測系統的質量，本文分別從這三部分進行分析設計，保證了電路設計精度優于0.09μm［1-2］。

1　陀螺磁懸浮原理

1.1有源磁懸浮系統組成及工作原理

三浮陀螺儀有源磁懸浮系統由四部分組成，電磁元件部分、輸入信號調理電路SIP模塊、中心處理電路SOC模塊以及輸出信號調理電路SIP模塊，各部分之間的聯系和數據傳輸關系如圖1所示。

圖1　徑向有源磁懸浮系統框圖Fig.1 The system diagram of radial magnetic suspension

從電磁元件結構角度看，有源磁懸浮與無源磁懸浮區別并不大，有源磁懸浮用橋路電阻取代了原來的諧振共作電容，電路由原來的L-C電路變為L-R電路，由于磁路線圈電感L與位置偏移量存在如下關系［3］:

式中，μo為真空磁導率，N為線圈匝數，lfe為鐵心磁路長度，l為氣隙磁路長度，μr為鐵心相對磁導率，S為極弧面積，lg為工作氣隙，Δ為偏移量。

當陀螺浮子帶著磁懸浮轉子發生偏移時，對稱位置的磁路電感就會發生變化，引起電感兩端存在電壓差，檢測出這一差分信號，經過調理和A/D轉換，進入中心處理電路SOC模塊解算、判斷和GPIO控制加力電流的通斷時間。電磁元件電路即是位置檢測的敏感電路又是加力電流的作用對象，必須采用分時控制。一個控制周期一般被分割為位置檢測周期、加力周期和恢復等待周期三部分，三部分循環工作，保證陀螺浮子定中精度。

1.2L-R敏感位置偏移量原理

磁懸浮系統工作在位置檢測周期時，電磁元件就相當于一個位置傳感器，輸入量為陀螺浮子的位置偏移量，輸出量為橋路電壓差，對這一檢測關系進行建模，分析與靈敏度和線性度有關的因素。如圖1所示，記橋路檢測兩點電壓分別為UA和UB，電源角頻率為ω，則:

結合式（2），并記轉子沒有偏差的情況下電感值為LD，可得帶入，化簡得:

式（3）反映了原始位置信號和y向偏移之間的量化關系，同樣適合x向偏移，此公式可作為控制算法參數標定檢驗依據。其中，復數K為L-R測量電路的靈敏度，取模對橋路匹配電阻求導可得檢測電路最佳匹配電阻的估算公式:

2　L-R橋最佳匹配電阻設計

2.1仿真分析依照上述給出了磁路電感計算公式和最佳匹配電阻估算公式計算出來的最佳匹配電阻與實驗測試結果相差很大，因此在電磁仿真軟件flux對徑向磁懸浮建立2D模型進行仿真分析。將定轉子分別定義在不同坐標系，利用兩坐標之間的移動來模擬陀螺浮子軸的運動狀態，偏移量分解dx、dy、電阻R均參數化設置［4］。

如圖1所示連接電路，并將橋路電壓差作為檢測量。從模型磁場分布和電壓輸出關系可以判斷模型的正確性。圖2為徑向磁懸浮flux模型，圖3為在不同偏移量的情況下輸出電壓與橋路電阻之間的關系。由仿真結果分析，最佳匹配電阻出現在450Ω附近，此時不同偏移量下的輸出電壓達到最大，即靈敏度最大（約為9mV/μm）。

圖2　徑向磁懸浮flux模型Fig.2 The flux modem of radial ABM

圖3　輸出電壓與橋路電阻關系Fig.3 The relation between signal voltage and resistance

2.2實驗測試

以徑向磁懸浮為例，測試每一條支路的直流電阻和電感值，結合元件設計參數實驗測得L′=0.007H，以實驗測試結果帶入最佳匹配電阻計算公式R′=420Ω，對于徑向磁懸浮，選用電阻值為 420Ω、500Ω、600Ω、700Ω、800Ω進行測試。徑向磁懸浮檢測信號橋路測試結果如表1、圖4所示［5］。

表1　徑向磁懸浮檢測信號與橋路電阻對比測試Table 1 Comparison test ofradial signal voltage with different resistance

圖4　徑向磁懸浮檢測信號橋路電阻和靈敏度關系Fig.4 The relation between radial resistance and sensitivity

由表1、圖4可以看出:該測試方法能夠通過位置信號反映出位置的移動方向，可以作為徑向有源磁懸浮檢測信號的測試方法；橋路的靈敏度和所選橋路電阻的關系如圖4所示，靈敏度最大點沒有出現在計算的橋路電阻420Ω上，而是出現在600Ω附近；橋路電阻為600Ω時，徑向位置信號隨位移的靈敏度和線性度都最好，靈敏度為9.328mV/μm，線性度為0.5376%。

2.3對比分析

將通過仿真分析與實驗測試兩種不同方法所得的最佳橋路匹配電阻以及靈敏度進行對比，具體數據如表2所示。

如表2所示，三種方法的結果存在一定差異:式（1）在對元件線圈電感建模時，將氣隙磁路面積等效為極弧面積，隨后在忽略鐵心損耗磁阻、漏磁和線圈尺寸等因素下得出電感計算理想式（式（2）），在式（2）的基礎上得出最佳匹配電阻的理論估算公式，因此理論估算值存在誤差是必然的；在flux中仿真分析時，元件的尺寸、材料的性能、電路元件等都是理想的，且二維建模并未考慮徑向元件端面的電磁情況，仿真結果也只能作為最佳匹配的估算值；實驗測試受實驗條件和元件差異等影響，如機械中心不可能和電氣中心完全重合等，試驗值也含有一部分不確定量。實際應用表明，橋路電阻只要在最佳值附近即可滿足應用要求，理論計算和仿真分析結果可以作為最佳匹配電阻的有效估算值。

表2　三種方法結果對比Table 2 Comparison results of three methods

3　橋路信號調理和A/D轉換

3.1信號調理

在最佳匹配電阻情況下，盡管橋路的靈敏度和信噪比很高，但這一信號仍是微弱的量，無法直接進行A/D采集，需要經過交流放大、濾波和相敏解調后再進行A/D采集。控制器在信號采集周期內（約）完成對每一路信號進行多次采樣求平均，分別要對15個橋路依次操作，因此對調理電路的轉化速度，轉換質量有很高的要求［5］。經多方案對比研究，采用相敏解調器AD698，具體原理電路如圖5所示，解調后輸出電壓與位置量關系曲線如圖6所示。

依據陀螺浮子在殼體中的位置，將控制器工作范圍劃分為3個區段:1）浮子遠離中心位置5μm；2）浮子距離中心位置在0.27μm（控制精度）與5μm之間；3）浮子已進入控制精度范圍［3，5-7］。

控制方式描述如下:

圖5　解調器電路原理圖Fig.5 The principle diagram of demodulation circuit

圖6　解調后輸出電壓與位置量關系曲線Fig.6 The result between output voltage with demodulation and location signal

式中，e（n）為浮子位置偏差；b為磁懸浮拉動浮子所需的最小力；K為輸出電壓信號隨位置信號的增益，依據調試情況確定。

在定中精度測試時，磁懸浮進入控制精度以后，根據調理電路輸出的誤差信號與標定系數的比值即為定中精度，測試結果如表3所示。

表3　定中精度測試結果Table 3 The test results of precision

3.2A/D轉換

調理后的信號經A/D轉換后進入SOC模塊，A/D輸入電壓的量程為±10V，調理后的位置信號范圍在0V～8V，滿足量程。按照電路設計0.09μm控制精度計算，由于陀螺浮子最大變化范圍為10μm，因此要求電路檢測精度需高于以上控制精度。利用式（8）可以計算出A/D輸入模塊的精度位數。

式中，n為A/D輸入模塊的位數，n為整數。

因此，可求出n＞11。考慮到現有A/D輸入模塊位數，n可取12或16以上位數。在留裕度的情況下反推A/D精度，將輸入滿量程值帶入計算。

計算可得εV=2.4mV，結合表3中的調理誤差，最大誤差電壓為 8.4mV，位置精度為0.087μm，滿足≤0.27μm要求。由于擴大了A/D的實際輸入范圍，因此電路實現的定中精度將優于0.09μm。

4　結論

準確地檢測出陀螺浮子的位置是有源磁懸浮系統關鍵技術難題之一，是保證定中精度的先決條件。位置檢測包括初始的差分位置信號的獲取、調理放大、A/D轉換三大部分，按論文中的思路和方法進行分析設計，可以保證電路的設計指標。調理誤差和A/D轉換誤差累加結果小于8.4mV，對應的位置測量精度為0.09μm，為磁懸浮系統整體定中精度ε≤0.27μm提供了保障［5］。

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Research on Active Magnetic Bearing Position Detecting Circuits with Three-floated Gyroscope

WU Liao1，YANG Meng-xing1，WANG Qing1，SHEN Zhi-gang1，MA Qian-li2
（1.The 16thInstitute，China Aerospace Science and Technology Corporation，Xi'an 710100；2.Shanghai Magnetic Bearing Traffic Developing Company，Shanghai 201204）

High precisionε≤0.27μm of active magnetic bearing（AMB）is requested in three-floated gyroscope （TFG），and that of position signal detecting circuits should be higher than it，which is devised 0.09μm.Three aspects measures can be done to ensure this goal，L-R circuit，recuperating module and A/D transforming module.Two methods of finding the best resistances are introduced，simulation and calculation with experiment.The relation precision between of orientation and parameter of position signal detecting circuits has been deduced in this paper.And，the index of circuits is realized，proving that is superior to 0.09μm by calculation and experiment.

three-floated gyroscope（TFG）；active magnetic bearing（AMB）；detecting position；precision

U666.1

A

1674-5558（2016）02-01077

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.03.008

2015-02-13

國家自然科學基金（編號:61075030）

吳遼，男，碩士，研究方向為慣性儀表及設備、磁懸浮技術。