当前课程知识点:惯性导航原理 > 第三章 惯性仪表陀螺仪 > 3.3动力调谐陀螺仪 > 3.3.2 动力调谐陀螺仪
同学们
今天我们学习
一种采用挠性支撑陀螺仪
动力调谐陀螺仪
与常规框架式陀螺仪不同
动力调谐陀螺仪采用挠性支撑
消除了框架轴
轴承之间机械摩擦力矩
首先讨论动力调谐陀螺仪结构
动力调谐陀螺仪
采用外转子内支撑结构
驱动轴与转子间挠性接头
由互相垂直内外挠性轴和平衡环组成
内挠性轴由一对内扭杆组成
外挠性轴由一对外扭杆组成
内挠性轴将驱动轴与平衡环相连
外挠性轴将平衡环与转子相连
驱动电机使驱动轴高速旋转
驱动轴通过内挠性轴带动平衡环旋转
平衡环通过外挠性轴带动转子旋转
驱动轴相对转子绕内挠性轴偏转时
驱动轴绕内挠性轴
相对转子和平衡环偏转
内绕性轴产生扭转弹性变形
驱动轴通过内挠性轴
带动平衡环绕外挠性轴有偏角时
这时外挠性轴会产生扭转弹性变形
由内外挠性轴
平衡环组成的挠性接头
一方面起着支承转子作用
另一方面提供转子相对壳体
所需转动自由度
因此
在构造上内外挠性轴
应具有高的抗弯曲刚度
同时
绕其自身轴
应具有低的抗扭刚度
挠性支撑作为一种弹性元件
弯曲时必然产生弹性力矩
施加在陀螺仪转子上
使自转轴相对惯性空间进动
破坏陀螺仪定轴性
这时陀螺仪
没有办法实现角度精确测量
因此
必须补偿挠性接头
产生弹性约束力矩
补偿挠性接头弹性约束力矩
物理基础是基于平衡环振荡运动
自转轴与驱动轴之间
存在相对偏角时
自转轴仍稳定在原来方向
驱动轴通过挠性接头
带动转子旋转过程中
由于挠性接头
两对相互正交挠性轴
都只能产生扭转变形
不能产生弯曲变形
平衡环必然会出现扭摆运动
下面来分析
平衡环扭摆运动规律
首先介绍四个相关坐标系
壳体坐标系oxc yc zc 记为C系
驱动轴坐标系ox1 y1 z1
记为1系
平衡环坐标系ox2 y2 z2
记为2系
转子坐标系ox3 y3 z3
记为3系
四个坐标系坐标转换矩阵
分别为Cc1 C12 C23
需要注意的是
平衡环扭摆运动过程中
驱动轴绕内扭杆oxc轴
相对自转轴偏转α角
驱动轴绕外扭杆oyc轴
相对自转轴偏转β角
根据四个坐标系转换矩阵
推导得到
推导得到
内外扭杆转角γθ变化规律
正是平衡环的扭摆运动
给动力调谐陀螺仪
提供可调负弹性力矩
用来补偿挠性接头固有弹性刚度
下面讨论
平衡环负弹性力矩产生过程
图中内外扭杆转角γ和θ
内外扭杆转角导数γ一点和θ一点
均随时间交变
说明平衡环绕内外挠性轴
角速度也随时间交变
存在角加速度
因此存在转动惯性力矩
另一方面
平衡环绕驱动轴
高速旋转
同时又绕内外挠性轴有角速度
因此
存在科里奥利惯性力矩
也就是说平衡环扭摆运动
惯性力矩由两部分组成
转动惯性力矩
科里奥利惯性力矩
平衡环扭摆运动产生的惯性力矩
并不作用在平衡环上
而作用在与平衡环相约束
转子和驱动轴上
我们希望作用到转子上
合外力矩为零
转子自转轴稳定在惯性空间
因此
我们关注作用在转子上惯性力矩
而不关注作用到驱动轴上惯性力矩
下面来分析作用到转子上惯性力矩
把平衡环扭摆运动
产生的惯性力矩
分别沿内外挠性轴进行分解
先分析绕内挠性轴ox2惯性力矩
由于内挠性轴抗扭刚度很小
外挠性轴抗弯刚度很大
这部分惯性力矩
最终作用到转子上
再分析
绕外挠性轴oy2惯性力矩
由于内挠性轴
抗弯刚度很大
外挠性轴
抗扭刚度很小
绕外挠性轴惯性力矩
作用到驱动轴上
不作用到转子上
我们关注的是
作用到转子上惯性力矩
绕内挠性轴ox2惯性力矩
假设平衡环对oz2轴转动惯量为Iz
对ox2和oy2轴
转动惯量为Ie
平衡环绕ox2轴
有角加速度γ两点时
存在绕ox2轴转动惯性力矩Max2
科里奥利惯性力矩Mbx2
总的惯性力矩为Mpx2
把惯性力矩Mpx2
投影到壳体坐标系xc yc轴
分量为Mpx Mpy
再将内挠性轴转角变化规律
γ代入Mpx Mpy
得到新的惯性力矩
沿xc yc轴分量表达式
式中大Ω是驱动轴转速
等号右边蓝色方框部分
与自转轴偏角成正比
方向相同
具有通常弹性力矩性质
方向与弹性力矩相反
称为动力负弹性力矩
把红色下划线部分
称作负弹性刚度
等号右边第二第三项
为二倍于自转频率
周期振荡力矩项
简称二次谐波力矩项
这是高频周期性力矩
不会使陀螺仪
产生常值进动角速度
后面分析时不考虑
下面分析动力调谐陀螺仪
动力调谐条件
综合考虑挠性轴弹性力矩
平衡环扭摆运动
引进动力负弹性力矩
得到作用在转子上
合力矩Mx My
把小k这一项
称为剩余弹性刚度
合力矩Mx My为零时
小k等于零
得到调谐角速度大Ω
此时
动力引进负弹性刚度
恰好抵消挠性接头弹性刚度
消除了挠性支撑
对转子弹性约束
转子就不会进动
这种状态称为动力调谐
挠性轴弹性刚度大K
平衡环转动惯量Ie Iz
等结构参数一定情况下
剩余弹性刚度小k
随转子自转角速度Ω改变
通过调节转子转速
便可以达到动力调谐状态
上面分析可以看出
动力调谐陀螺仪
属于二自由度位置陀螺仪
可以测量载体姿态
但动力调谐陀螺仪
在导航系统应用时
通过设计两个力矩再平衡回路
构成双轴速率陀螺仪
测量载体角速率
下面讨论动力调谐陀螺仪测速原理
这是动力调谐速率陀螺仪构成原理
转子绕壳体坐标系Oxc轴
角度信号传感器
输出信号
经回路放大器
变换放大
送至绕壳体坐标系Oyc轴力矩器
组成一条力矩再平衡回路
绕Oyc轴角度信号传感器输出信号
回路放大器变换放大后
送至绕壳体Oxc轴力矩器
组成另一条力矩再平衡回路
当壳体绕Oxc轴相对惯性空间
以角速度ωx转动
自转轴具有定轴性
保持方位稳定
随着时间积累
壳体会绕Oxc轴相对转子
出现偏角α
Oxc轴信号传感器
有电压信号输出
经回路放大器
变换放大
转换成电流信号Iy
送至Oyc轴上力矩器
产生控制力矩My
作用到转子上
在My作用下
转子会绕Oxc轴进动
进动角速度β一点
当进动角速度β一点等于ωx时
偏角α达到稳态
此时ωx等于H分之My
等于H分之Ki乘以Iy
得到施矩电流Iy
通过测量Iy
就可以得到角速度ωx测量值
力矩再平衡回路中
施矩电流Iy作为陀螺仪输出
同理可以测量绕Oyc轴角速度ωy
因此
一个动力调谐速率陀螺仪
可以实现两个正交方向角速度测量
这节课我们学习到这里
-1.1惯性导航基本概念
--1.1.3 小节测试
-1.2惯性导航技术发展史
--1.2 知识导授
--1.2.3 小节测试
-1.3惯性导航常用坐标系
--1.3 知识导授
--1.3.1 小节测试
--1.3.2 小节测试
--1.3.3 小节测试
-2.1陀螺仪的定义及分类
--2.1.3 小节测试
-2.2刚体转子陀螺仪的基本特性
--2.2 知识导授
--2.2.3 小节测试
-2.3陀螺仪运动方程的建立
--2.3 知识导授
--2.3.1 小节测试
--2.3.2 小节测试
--2.3.3 小节测试
-2.4陀螺仪运动特性分析
--2.4 知识导授
--2.4.1 小节测试
--2.4.2 小节测试
-第二章 主观题
-3.1三浮陀螺仪
--3.1.3 小节测试
-3.2静电陀螺仪
--3.2.3 小节测试
-3.3动力调谐陀螺仪
--3.3.3 小节测试
-3.4光学陀螺仪
--3.4 知识导授
--3.4.1 小节测试
--3.4.2 小节测试
--3.4.3 小节测试
-3.5振动陀螺仪
--3.5.3 小节测试
-3.6 原子陀螺仪
--3.6.3 小节测试
-第三章 主观题
-4.1加速度计的测量原理
--4.1.3 小节测试
--4.1.5 小节测试
-4.2石英挠性摆式加速度计
--4.2.3 小节测试
-4.3陀螺积分加速度计
--4.3.3 小节测试
-第四章 主观题
-5.1基本概念
--5.1.3 小节测试
-5.2陀螺仪静态误差模型
--5.2.3 小节测试
-5.3加速度计静态误差模型
--5.3.3 小节测试
-5.4惯性仪表误差标定测试
--5.4.3 小节测试
-第五章 主观题
-6.1陀螺稳定平台功能、组成
--6.1.3 小节测试
-6.2陀螺稳定平台工作原理
--6.2.3 小节测试
-6.3陀螺稳定平台性能分析
--6.3.3 小节测试
-6.4平台式惯导系统导航原理
--6.4 知识导授
--6.4.1 小节测试
--6.4.2小节测试
-第六章 主观题
-7.1捷联式惯导系统工作原理
--7.1.3 小节测试
-7.2 四元数及坐标转换
--7.2.3 小节测试
-7.3捷联式惯导系统导航参数解算
--7.3.3 小节测试
-第七章主观题