半液浮陀螺轉速自檢優化分析

劉詩超，徐 燕，余云鵬，謝慧慈，葉 猛

(1.海裝駐南昌地區軍事代表室，江西 南昌 330024；2.航空工業洪都，江西 南昌 330024)

0 引言

隨著慣性導航技術的發展，作為核心器件的陀螺儀的地位顯得越發重要，陀螺的性能直接決定了導航系統的穩定性與精度。同時，陀螺儀作為一種敏感角速率的慣性器件，在飛機、坦克、導彈和魚雷的控制系統中發揮著重要作用。近幾年來，隨著我國航空工業的發展，對陀螺提出了更高的要求：不僅要求陀螺抗振動、耐沖擊、可靠性高，而且還要求陀螺對環境的適應范圍要寬、體積要小、重量要輕、性能指標要高。半液浮陀螺由于其抗振動、耐沖擊、可靠性高等優點，廣泛應用于飛機的飛行控制系統。它敏感飛機角速率信號，為飛行控制提供條件，使靜不穩定的飛機趨于穩定。

本文主要針對飛機使用過程中半液浮陀螺傳感器出現轉速自檢超差問題，對半液浮陀螺轉速自檢工作原理進行分析，并提出了一種改進方法。

1 半液浮陀螺工作原理

半液浮陀螺主要由同步器、陀螺電機、扭桿、阻尼器等幾部分組成。其結構示意圖見圖1。

圖1 結構示意圖

半液浮陀螺加電正常工作后，陀螺電機旋轉產生角動量

H

。當沿陀螺敏感軸方向有角速率

ω

輸入時，電機的轉子發生進動現象，將產生繞框架軸的陀螺力矩

H

·

ω

。陀螺力矩使陀螺框架偏轉產生

β

角，固定在框架上的彈性元件扭桿則產生與陀螺力矩相反的彈性力矩

K

·

β

(其中

K

是扭桿的彈性系數)。當

H

·

ω

與

K

·

β

相等時，框架就停止轉動，達到穩定狀態。框架所轉動的角度

β

與使它發生進動的角速率

ω

是成正比的。微動同步器轉子裝在浮子組件上，隨浮子組件轉動

β

角，而同步器定子裝在殼體上，所以同步器轉、定子之間亦轉過

β

角。

β

角由微動同步器轉換為輸出電壓信號，產生相應的電壓

U

。

U

=

H

·

ω

·

K

/K

(1)

其中，

H

為陀螺電機的角動量，

ω

為輸入的角速率，

K

為扭桿剛度，

K

為微動同步器梯度。半液浮陀螺輸出電壓

U

給飛控計算機，飛控計算機轉化成角速率信號使用。半液浮陀螺工作原理如圖2所示。

圖2 半液浮陀螺儀原理框圖

2 轉速自檢原理

半液浮陀螺電機轉速自檢信號是用來監控產品陀螺電機運轉狀態的。轉速自檢信號正常，說明陀螺電機運轉正常；轉速自檢未通過，可視陀螺電機為故障狀態。其電機轉速是否正常直接決定陀螺是否正常工作。

本文分析的半液浮陀螺電機轉速自檢原理是基于電磁感應原理，即放在變化磁通量中的導體會產生電動勢。陀螺電機轉子上安裝兩塊極性相反的永磁鋼，陀螺浮子相關位置安裝測速線圈(示意圖見圖3)。陀螺電機在26V/800Hz電源供電下正常運轉時，永磁鋼周期性經過測速線圈的檢測區域，根據楞次定律將在測速線圈中感應出電壓信號，該信號的頻率反映了電機轉速。轉速自檢信號理論值為800±80 Hz。

圖3 陀螺電機轉速監測示意圖

半液浮陀螺根據陀螺電機工作狀態，發出電機轉速自檢信號給飛控計算機。飛控計算機把采集到的轉速自檢信號與理論值進行比較，若超出理論值范圍，則判定為轉速自檢故障。

3 轉速自檢超差故障樹

近期外場飛機進行飛控系統PBIT自檢時，多次申報故障陀螺轉速自檢故障。根據故障現象及轉速自檢超差的工作原理，建立故障樹，將“轉速自檢超差”作為頂事件進行分析，如圖4所示。

圖4 轉速自檢超差故障樹

對圖4故障樹中的每一個可能引起故障的原因逐一進行分析排除，最終確定故障是由于陀螺轉速自檢測試原理設計存在不足導致。

4 陀螺轉速自檢測試機理分析

陀螺轉速自檢輸出的信號是一個接近鋸齒波的周期信號，并非規則的正弦波或方波。由于結構的限制，陀螺電機結構中無法形成完整的閉合磁路，磁力線是穿過間隙，進入導磁體，再通過空間閉合的，因此這里有很大的非線性因素。磁場是分布式的，距離磁鋼近的地方磁力線密集，距離磁鋼遠的地方磁力線稀疏。磁鋼的線速度是指磁鋼運動速度沿測速線圈中心線垂線方向的分量。磁鋼的線速度按余弦規律變化，由小變到最大，再逐漸變小。每時刻的磁通變化率是這些因素的綜合。這些因素的變化趨勢、變化幅度以及是增量還是減量均不同，磁通變化率也會有大有小。因此，感應電勢會在兩個峰峰值之間隨機出現比較小的峰值的現象，峰值一般在0.2V～0.5V之間，如圖5所示。

圖5 SMRD信號實測波形

由于系統噪聲影響或陀螺電機信號自身噪聲影響，這個較小的峰值可能會超過飛控計算機測試電路的門限電壓值(0.4V)，造成飛控計算機錯誤計數，致使陀螺電機轉速自檢超差，超出800±80 Hz的范圍。

5 優化改進

為解決轉速自檢超差問題，在陀螺轉速自檢電路中整形電路，采用比較器及外圍元器件組成，將陀螺轉速自檢信號波形整形為標準方波信號。整形后高電平大于14V，低電平小于1 V，頻率為電機電源頻率±5 Hz。消除了感應電勢會在兩個峰峰值之間隨機出現比較小的峰值的現象，大幅提高了產品電機轉速自檢在系統上的可靠性和穩定性，杜絕因原轉速自檢信號波形中小峰值導致的轉速自檢超差現象(見圖6)。

圖6 改進后檢測電路仿真波形

6 總結

通過對陀螺工作原理和轉速自檢原理進行分析，并建立故障樹，最終確定了速率陀螺轉速自檢超差的原因是：陀螺磁滯電機感應電動勢小，信號傳輸能力較弱，輸出阻抗較大，負載能力低，導致轉速自檢輸出信號出現干擾峰值；且自檢輸出信號容易受系統噪聲影響或陀螺電機信號自身噪聲影響，峰值可能會超過飛控計算機測試電路的門限電壓值，造成飛控錯誤計數，致使陀螺電機轉速自檢超差。經過對陀螺轉速自檢電路增加整形電路，優化了自檢輸出信號，有效解決了陀螺轉速自檢超差問題，提高了陀螺的可靠性。