半液浮陀螺轉(zhuǎn)速自檢優(yōu)化分析

劉詩超，徐 燕，余云鵬，謝慧慈，葉 猛

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

0 引言

隨著慣性導航技術的發(fā)展，作為核心器件的陀螺儀的地位顯得越發(fā)重要，陀螺的性能直接決定了導航系統(tǒng)的穩(wěn)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(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。近幾年來，隨著我國航空工業(yè)的發(fā)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(huán)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(yōu)點，廣泛應用于飛機的飛行控制系統(tǒng)。它敏感飛機角速率信號，為飛行控制提供條件，使靜不穩(wěn)定的飛機趨于穩(wěn)定。

本文主要針對飛機使用過程中半液浮陀螺傳感器出現(xiàn)轉(zhuǎn)速自檢超差問題，對半液浮陀螺轉(zhuǎn)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(zhuǎn)產(chǎn)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(zhuǎn)子發(fā)生進動現(xiàn)象，將產(chǎn)生繞框架軸的陀螺力矩

H

·

ω

。陀螺力矩使陀螺框架偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生

β

角，固定在框架上的彈性元件扭桿則產(chǎn)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(shù))。當

H

·

ω

與

K

·

β

相等時，框架就停止轉(zhuǎn)動，達到穩(wěn)定狀態(tài)。框架所轉(zhuǎn)動的角度

β

與使它發(fā)生進動的角速率

ω

是成正比的。微動同步器轉(zhuǎn)子裝在浮子組件上，隨浮子組件轉(zhuǎn)動

β

角，而同步器定子裝在殼體上，所以同步器轉(zhuǎn)、定子之間亦轉(zhuǎn)過

β

角。

β

角由微動同步器轉(zhuǎn)換為輸出電壓信號，產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速自檢原理

半液浮陀螺電機轉(zhuǎn)速自檢信號是用來監(jiān)控產(chǎn)品陀螺電機運轉(zhuǎn)狀態(tài)的。轉(zhuǎn)速自檢信號正常，說明陀螺電機運轉(zhuǎn)正常；轉(zhuǎn)速自檢未通過，可視陀螺電機為故障狀態(tài)。其電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生電動勢。陀螺電機轉(zhuǎn)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(zhuǎn)時，永磁鋼周期性經(jīng)過測速線圈的檢測區(qū)域，根據(jù)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(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速自檢信號理論值為800±80 Hz。

圖3 陀螺電機轉(zhuǎn)速監(jiān)測示意圖

半液浮陀螺根據(jù)陀螺電機工作狀態(tài)，發(fā)出電機轉(zhuǎn)速自檢信號給飛控計算機。飛控計算機把采集到的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速自檢故障。

3 轉(zhuǎn)速自檢超差故障樹

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

圖4 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速自檢測試原理設計存在不足導致。

4 陀螺轉(zhuǎn)速自檢測試機理分析

陀螺轉(zhuǎn)速自檢輸出的信號是一個接近鋸齒波的周期信號，并非規(guī)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(guī)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(xiàn)比較小的峰值的現(xiàn)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(tǒng)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(shù)，致使陀螺電機轉(zhuǎn)速自檢超差，超出800±80 Hz的范圍。

5 優(yōu)化改進

為解決轉(zhuǎn)速自檢超差問題，在陀螺轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)比較小的峰值的現(xiàn)象，大幅提高了產(chǎn)品電機轉(zhuǎn)速自檢在系統(tǒng)上的可靠性和穩(wěn)定性，杜絕因原轉(zhuǎn)速自檢信號波形中小峰值導致的轉(zhuǎn)速自檢超差現(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速自檢輸出信號出現(xiàn)干擾峰值；且自檢輸出信號容易受系統(tǒng)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(shù)，致使陀螺電機轉(zhuǎn)速自檢超差。經(jīng)過對陀螺轉(zhuǎn)速自檢電路增加整形電路，優(yōu)化了自檢輸出信號，有效解決了陀螺轉(zhuǎn)速自檢超差問題，提高了陀螺的可靠性。