一种三浮惯性仪表有源磁悬浮自动湿对中标定方法

摘要

一种三浮惯性仪表有源磁悬浮自动湿对中标定方法，对每路惠斯顿检测电桥的第一磁悬浮元件施加加力信号，拖曳三浮惯性仪表浮子运动到正向极限位置，同时通过数字控制器获得对应的数字电压值，记为Umaxoi；对每路惠斯顿检测电桥的第二磁悬浮元件施加加力信号，拖曳三浮惯性仪表浮子运动到负向极限位置，同时通过数字控制器获得对应的数字电压值，记为Uminoi；i＝1至N；计算浮子处于机械零位时每路惠斯顿检测电桥对应的电气零偏Uobi，Uobi＝(Umaxoi+Uminoi)/2；i＝1至N；将获得的电气零偏作为浮子磁悬浮位置控制的参考电压，实现浮子的定中控制。本发明能够快速、自动实现仪表浮子处于机械零位时电气零位偏差的标定，容错性好，误差小，可配合死区、刚度等参数灵活调整。

说明书

技术领域

本发明涉及三浮惯性仪表有源磁悬浮自动湿对中标定方法。

背景技术

三浮惯性仪表(陀螺仪或陀螺加速度计)是基于经典转子动力学 原理的机电式仪表，其采用恒高速旋转的气浮动压马达(一般大于30， 000rpm)产生角动量，浮子采用液浮与磁悬浮双重支撑方式：液浮 克服浮子重力，并使仪表具有优良的抗冲击、振动特性；磁悬浮使浮 子与限位框架脱离机械接触，消除摩擦干扰力矩及浮子上的重浮力残 差。仪表正常工作时，浮子在三轴正交有源磁悬浮位置控制下，始终 处于壳体内空间的几何中心(即定中)，以达到较高的精度水平。

如图3所示，三浮惯性仪表有源磁悬浮控制系统包括五路惠斯顿 检测电桥、信号调理电路(包含差动放大、解调等环节)、数字控制 器(包含A/D、处理器、D/A与输入输出接口等模块)和加力开关。 第一路检测电桥包括一对桥臂电阻和一对轴向磁悬浮元件，负责浮子 轴向线运动的位置检测与加力控制；其余四路检测电桥分别包括桥臂 电阻和相应的径向磁悬浮元件，负责浮子沿两个径向的线运动以及沿 两个径向转动的检测与加力控制。一般，由于仪表在磁悬浮元件加工、 整表装配等环节存在误差，导致对于不同的仪表，浮子定中时磁悬浮 元件的名义电感值往往存在差异，这样，使用同样电阻参数的RL惠 斯顿检测电桥时，检测电路的输出电压也往往不同。因此，在每只三 浮仪表使用前，都需要进行湿对中标定：即在浮子达到重浮力平衡状 态时，采用磁悬浮拉力拖曳其进行三轴正交运动，获得其在机械零位 时的检测电路输出，然后采用调整五路检测电桥桥臂阻值的方法，使 浮子在机械零位时，五路检测电路的输出相同(一般在电气零位)。 湿对中标定后，磁悬浮控制系统获得了精确的浮子定中参考电压，且 RL惠斯顿电桥在浮子定中位置附近具有较高的灵敏度，能保证仪表 达到较高的精度指标。

目前，三浮仪表的有源磁悬浮湿对中测试过程主要是先基于工艺 磁悬浮控制电路板，采用两只可调电位器作为RL惠斯顿电桥的桥臂 电阻，对其同时进行反复调整，使浮子处于机械零位时检测电路的输 出电压在电气零位，同时对应浮子的限位运动范围，检测电路的输出 在数字控制器A/D的输入范围内。然后，记录下满足该测试要求的 电位器阻值，并用固定的串并联电阻值进行等效逼近，再将对应阻值 的串并联电阻落焊到正式磁悬浮电路板上。这样湿对中测试后，不同 仪表的浮子定中时，检测电路输出均在相同的电气零位。上述过程较 为繁琐，且有以下缺点：(1)采用多个电阻串并联导致磁悬浮控制电 路板尺寸增大，且最终阻值通常与期望的阻值存在偏差；(2)湿对中 测试时，采用的是工艺磁悬浮控制电路板，与正式磁悬浮控制电路板 之间往往存在偏差，影响磁悬浮定中控制的精度以及最终的三浮仪表 性能指标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有三浮惯性仪表有源磁 悬浮湿对中标定方法的不足，提供一种便捷通用的三浮惯性仪表有源 磁悬浮自动湿对中标定方法，能够快速、自动实现仪表浮子处于机械 零位时电气零位偏差的标定，容错性好，误差小，可配合死区、刚度 等参数灵活调整，有利于进一步提高仪表有源磁悬浮定中控制的精 度。

本发明的技术方案如下：

一种三浮惯性仪表有源磁悬浮自动湿对中标定方法，基于三浮惯 性仪表有源磁悬浮控制系统实现；三浮惯性仪表有源磁悬浮控制系统 包括数字控制器、加力开关、N路惠斯顿检测电桥和信号调理电路， N大于等于1；数字控制器输出控制信号至加力开关，加力开关在数 字控制器的控制下输出加力信号至相应路的惠斯顿检测电桥，每路惠 斯顿检测电桥输出的信号经过信号调理电路后输入至数字控制器；每 路惠斯顿检测电桥包括第一桥臂电阻、第二桥臂电阻、第一磁悬浮元 件、第二磁悬浮元件、第一限流电阻和第二限流电阻，激励信号通过 第一桥臂电阻施加在第一磁悬浮元件的一端，第一加力信号通过第一 限流电阻施加至所述第一磁悬浮元件的一端，第一磁悬浮元件的另一 端接地；激励信号通过第二桥臂电阻施加在第二磁悬浮元件的一端， 第二加力信号通过第二限流电阻施加至所述第二磁悬浮元件的一端， 第二磁悬浮元件的另一端接地；第一桥臂电阻和第二桥臂电阻的阻值 相同，第一磁悬浮元件和第二磁悬浮元件的名义等效阻抗相同；三浮 惯性仪表有源磁悬浮自动湿对中标定方法的步骤如下：

(1)根据激励信号的频率和每路惠斯顿检测电桥所包含的磁悬 浮元件的名义等效阻抗确定相应路惠斯顿检测电桥的桥臂电阻值；

(2)通过数字控制器向加力开关输出控制信号，对每路惠斯顿 检测电桥的第一磁悬浮元件施加加力信号，拖曳三浮惯性仪表浮子运 动到正向极限位置，同时通过数字控制器对相应路惠斯顿检测电桥对 应的调理后信号进行采样获得对应的数字电压值，记为U_maxoi；通过 数字控制器向加力开关输出控制信号，对每路惠斯顿检测电桥的第二 磁悬浮元件施加加力信号，拖曳三浮惯性仪表浮子运动到负向极限位 置，同时通过数字控制器对相应路惠斯顿检测电桥对应的调理后信号 进行采样获得对应的数字电压值，记为U_minoi；i＝1至N；

(3)计算浮子处于机械零位时每路惠斯顿检测电桥对应的电气 零偏U_obi，U_obi＝(U_maxoi+U_minoi)/2；i＝1至N；

(4)将获得的电气零偏作为浮子磁悬浮位置控制的参考电压， 实现浮子的定中控制。

所述三浮惯性仪表为陀螺或陀螺加速度计。

N路惠斯顿检测电桥为5路惠斯顿检测电桥，包括一路轴向惠斯顿 检测电桥Bz和4路径向惠斯顿检测电桥Blx、Bly、Brx、Bry；轴向惠 斯顿检测电桥Bz的磁悬浮元件L1位于浮子的轴向上并且位于右端， 轴向惠斯顿检测电桥Bz的磁悬浮元件L2位于浮子的轴向上并且位于 左端；径向惠斯顿检测电桥Blx的磁悬浮元件L3位于浮子径向上并且 位于左上端，径向惠斯顿检测电桥Blx的磁悬浮元件L4位于浮子径向 上并且位于左下端；径向惠斯顿检测电桥Bly的磁悬浮元件L5位于浮 子径向上并且位于左前端，径向惠斯顿检测电桥Bly的磁悬浮元件L6 位于浮子径向上并且位于左后端；径向惠斯顿检测电桥Brx的磁悬浮 元件L7位于浮子径向上并且位于右上端，径向惠斯顿检测电桥Brx的 磁悬浮元件L8位于浮子径向上并且位于右下端；径向惠斯顿检测电桥 Bry的磁悬浮元件L9位于浮子径向上并且位于右前端，径向惠斯顿检 测电桥Bly的磁悬浮元件L10位于浮子径向上并且位于右后端。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明通过自动控制加力拖曳浮子三轴正交运动，测定对应的电 桥输出电压范围，获得浮子处于机械零位时的电气零位偏差，并将其 作为有源磁悬浮闭环控制的参考电压，实现三浮惯性仪表浮子的定中 控制。对于仪表磁悬浮元件参数、整表装配等误差等具有较好的容错 性。对于具有不同装配误差的三浮惯性仪表，可使用参数完全一致的 正式磁悬浮控制电路板，可避免先采用工艺磁悬浮控制电路板进行湿 对中调整匹配，再用正式磁悬浮控制电路板进行配表定中控制导致的 参数误差对三浮仪表精度的影响；避免了采用标称串并联电阻对期望 非标阻值的逼近误差。通过软件编程，高效、自动完成湿对中测试过 程，且直接与后续的闭环磁悬浮控制形成一体化测试流程；可配合死 区、刚度等参数灵活调整，有利于进一步提高仪表有源磁悬浮定中控 制的精度。

附图说明

图1为本发明的浮子形状及正交坐标系。

图2为本发明的磁悬浮控制系统的五路RL惠斯顿检测电桥。

图3为本发明的电路实现方案框图，其中检测电桥的电路原理图 为图2。

图4为本发明的整体实现流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

在三浮惯性仪表的有源磁悬浮控制系统中，磁悬浮元件通过分时 方式作为浮子位置检测的传感器与浮子运动的力矩器。图1为圆柱状 浮子的形状及其运动坐标系示意图。轴向惠斯顿检测电桥Bz的磁悬 浮元件L1位于浮子的轴向上并且位于右端，磁悬浮元件L2位于浮 子的轴向上并且位于左端；径向惠斯顿检测电桥Blx的磁悬浮元件 L3位于浮子径向上并且位于左上端，磁悬浮元件L4位于浮子径向上 并且位于左下端；径向惠斯顿检测电桥Bly的磁悬浮元件L5位于浮 子径向上并且位于左前端，径向惠斯顿检测电桥Bly的磁悬浮元件 L6位于浮子径向上并且位于左后端；径向惠斯顿检测电桥Brx的磁 悬浮元件L7位于浮子径向上并且位于右上端，磁悬浮元件L8位于 浮子径向上并且位于右下端；径向惠斯顿检测电桥Bry的磁悬浮元件 L9位于浮子径向上并且位于右前端，径向惠斯顿检测电桥Bly的磁 悬浮元件L10位于浮子径向上并且位于右后端。在湿对中标定过程 中，浮子在磁拉力的作用下，分别沿X、Y、Z三个正交方向运动： 如图1所示，Z轴方向位于浮子轴向上，Z轴正向指向浮子右端；X 方向和Y方向位于浮子径向上，其中X轴正向指向浮子上方，Y轴 正向指向浮子前方。

图2中为五路RL惠斯顿检测电桥示意图，五路RL惠斯顿电桥 共用交流激励信号源U_i，输出电压为U_p1～U_p5，经信号调理电路(含 差动放大、解调等环节)后输出为U_o1～U_o5，反映浮子三轴正交运动 的位置。磁悬浮元件(L₁，L₂，…，L₁₀)复用作传感器与力矩器。轴 向惠斯顿检测电桥Bz包括两个轴向桥臂电阻R_sz、两个限流电阻R_fz和轴向磁悬浮元件L1、L2，轴向惠斯顿检测电桥的输出信号为U _p1， 其中一个电阻R_sz的一端与激励信号相连，另一端分别与限流电阻R_fz的一端以及轴向磁悬浮元件的一端相连；限流电阻R_fz的另一端与加 力信号相连，轴向磁悬浮元件的另一端接地。每路径向惠斯顿检测电 桥Blx，Bly，Brx和Bry包括两个径向桥臂电阻R_sr、两个限流电阻 R_fr和两个径向磁悬浮元件，具体连接关系与轴向惠斯顿检测电桥相 似，在此不再描述。激励信号源U_i的幅值和频率、直流加力电源U_f及限流电阻(R_fz和R_fr)等参数根据浮子的运动范围、磁悬浮定中控 制的时间及精度、数字控制器中A/D的输入范围、磁悬浮元件的直 流阻抗等指标综合选定。

本发明的标定方法基于如图3所示的三浮惯性仪表有源磁悬浮控 制系统实现，三浮惯性仪表有源磁悬浮控制系统包括数字控制器、加 力开关、五路惠斯顿检测电桥和信号调理电路，数字控制器通过10 路GPIO口(或其它具备开关功能的输出口)输出控制信号s₁～s₁₀至 加力开关，加力开关在数字控制器的控制下输出加力信号至相应路的 惠斯顿检测电桥，五路惠斯顿检测电桥输出的电桥输出电压信号U_p1～ U_p5,信号调理电路将电桥输出电压U_p1～U_p5转换为U_o1～U_o5，再通过数 字控制器的A/D转换获得对应的数字电压，最后算出浮子处于机械零 位时对应的电气零偏U_ob1,U_ob2，…U_ob5。所述数字控制器可以是单片 机、DSP、片上系统SOC等。信号调理电路包含运算放大、解调等电 路。

如图4所示，本发明的标定方法包括如下步骤：

(1)确定惠斯顿检测电桥的桥臂电阻值

为使惠斯顿电桥的灵敏度最大，轴向惠斯顿检测电桥Bz的桥臂 电阻值R_sz根据公式R_sz＝2×π×f_ui×L_z0确定，径向惠斯顿检测电桥(Blx， Bly，Brx和Bxy)的桥臂电阻值R_sr根据公式R_sr＝2×π×f_ui×L_r0确定； f_ui为激励信号源的频率，L_z0和L_r0分别为轴向磁悬浮元件和径向磁悬 浮元件的名义等效阻抗，所有径向磁悬浮元件的名义等效阻抗相同。

(2)磁悬浮元件分时作为位置检测与加力元件，对浮子进行五 自由度轮流加力拖曳运动，测定运动范围对应的检测电路输出电压

通过数字控制器控制加力开关，使浮子在磁拉力的作用下，轮流 沿空间正交坐标轴X，Y，Z的正向、负向分别平动到限位位置(对 应的检测电路输出电压不再发生变化)。例如，先通过第1路GPIO口 输出开关信号s₁，使加力电压U_f通过限流电阻R_fz加到轴向磁悬浮元 件L₁上，产生拉力拖曳浮子沿Z轴正向运动到限位位置后，数字控 制器对信号调理电路输出的U_O1信号进行A/D转换，记录此时的数字 控制器获得的数字电压值，记为U_maxo1。然后，通过第2路GPIO口 输出开关信号s₂，使加力电压U_f通过限流电阻R_fz加到轴向磁悬浮元 件L₂上，产生拉力拖曳浮子沿Z轴负向运动到限位位置后，数字控 制器对信号调理电路输出的U_O1信号进行A/D转换，记录此时的数字 控制器获得的数字电压值，记为U_mino1。

通过数字控制器向加力开关输出开关信号，从而向径向惠斯顿检 测电桥(Blx，Brx)上的磁悬浮元件L3、L7施加加力电压，产生拉 力使得浮子运动到X轴的正向限位位置；当浮子运动到X轴的正向 限位位置，左右2路径向惠斯顿检测电桥(Blx，Brx)同时输出最大 电压值，通过数字控制器对相应路的信号进行采样，分别记为U_maxo2, U_maxo4；同样地，向磁悬浮元件L4、L8施加加力电压，产生拉力使得 浮子运动到X轴的负向限位位置，当浮子运动到X轴的负向限位位 置，左右2路径向惠斯顿检测电桥(Blx，Brx)同时输出最小电压值， 通过数字控制器对相应路的信号进行采样，分别记为U_mino2,U_mino4。 同样，对应Y轴的正向、负向限位位置及惠斯顿检测电桥(Bly，Bry)， 可以测得U_maxo3,U_maxo5和U_mino3,U_mino5。

(3)计算浮子处于机械零位时每路惠斯顿检测电桥对应的电气 零偏

浮子处于机械零位时每路惠斯顿检测电桥对应的电气零偏记为 U_ob1,U_ob2,…U_ob5，。电气零偏的计算公式如下。

U_ob1＝(U_maxo1+U_mino1)/2

U_ob2＝(U_maxo2+U_mino2)/2

U_ob3＝(U_maxo3+U_mino3)/2

U_ob4＝(U_maxo4+U_mino4)/2

U_ob5＝(U_maxo5+U_mino5)/2

(4)将电气零偏U_ob1,U_ob2…，U_ob5作为浮子磁悬浮位置控制的 参考电压，实现浮子三轴正交运动的精确定中控制。

本发明的标定方法具有如下特点：

(1)磁悬浮控制系统的轴向与径向RL惠斯顿检测电桥电阻分别 与磁悬浮元件的名义等效阻抗相等，无需逐表进行电阻试调、匹配。

(2)通过软件编程自动完成仪表的整个湿对中调试过程。

(3)完成仪表湿对中测试过程后，当浮子处于机械零位，五路 位置检测电路的输出不为零，而是为各自的电气零偏。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知 技术。