现代导航技术第五章(动力调谐陀螺)

一、动力调谐速率陀螺仪的构成原理 设陀螺的动量矩为L，y轴力矩器的标度因数为km，控 制电流为Iy，则在偏角稳态时有如下关系：
sx
km I y L
x
因此，稳态时转子始终跟随壳体相对惯性空间作同步 转动，施矩电流Iy、Ix的大小和极性可以分别反映出 壳体转动角速度ωx、ωy的大小和方向。所以具有双 轴速率陀螺仪的功能。
பைடு நூலகம்28
§5.3 动力调谐速率陀螺仪的构成与分析
二、动力调谐速率陀螺仪的力矩器特性分析 例：设动力调谐速率陀螺仪动量矩L=0.1kg.m2/s。若 测量的最大速率ωmax=400°/s，则要求力矩器给 出的最大力矩为：
M s max Lmax 0.1 (400

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) 0.64 N m
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§5.2 动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差
二、动力调谐陀螺的动力调谐机理
• 所谓“动力调谐”，是指挠性接头固有的弹簧刚度恰好精确地 被动力引进的弹簧刚度所抵消，从而消除了挠性支承对转子 的弹性约束。 • 通过调节挠性轴弹簧刚度K、平衡环转动惯量Ie(横向转动惯 量)和Iz（极转动惯量），或者调节转子自转角速度，可满足 动力调谐条件：
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§5.2 动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差
三、动力调谐陀螺仪的漂移误差
从表现形式来说，漂移误差可以分为以下几类： 1、对g不敏感的零偏： 2、对g敏感的零偏； 3、零均值随机零偏； 4、标度因数误差；
该类陀螺仪对于线加速度、角加速度、振动、磁场、温度 场的变化敏感，会导致测量误差。
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§5.2 动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差
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§5.1 动力调谐陀螺的结构及特点
三、动力调谐陀螺仪的结构组成 挠性接头的材料特性：
• 需要低抗扭刚度，高抗弯刚度； • 要支承质量较大的转子，还要承受冲击、振动和过载等，因 此要求挠性接头材料要有高弹性模量和高抗拉强度； • 由于要反复扭转，要求挠性接头材料具有高的疲劳极限； • 此外还要弱磁性、耐腐蚀、线膨胀系数小，易加工； • 通常采用铁镍恒弹性材料、铌基恒弹性材料等；
• 因此，通过上述方法可以使转子支撑在一个特定的转速上， 并且具有净的零弹簧刚度，在这种条件下，转子与陀螺内、 外挠性轴的运动解耦，因而成为"自由的"。满足调谐条件的 转子速度称为调谐速度。
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§5.2 动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差
三、动力调谐陀螺仪的漂移误差
理想情况下，仪表壳体相对惯性空间转动时，陀螺自 转轴仍保持原来的方向稳定，此时壳体相对于自转轴的转 角能够精确地反映出壳体相对惯性空间的转角。 但实际过程中存在以下漂移误差： 1. 剩余刚度和阻尼效应引起的漂移误差 2. 质量不平衡引起的漂移误差 3. 结构非等弹性引起的漂移误差 4. 驱动轴二倍旋转频率的角振动引起的漂移误差
三、动力调谐陀螺仪的漂移误差
综上，动力调谐陀螺仪的角速率测量值可以用以下公式表示：
其中，ωx 和ωy为陀螺绕其输入轴的旋转速率;ax 和ay 为沿 输入轴的加速度;az 为沿自转轴的加速度; • Bfx 、 Bfy为对加速度不敏感的零偏系数; • Bgx 、Bgy为对加速度敏感的零偏系数; • Baxz、Bayz 为非等弹性零偏系数; • nx 、ny 表示零均值随机零偏; • Sx ， Sy 为标度因数误差; • My，Mz 为交叉耦合系数。
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第五章 动力调谐陀螺
• 对于刚体转子陀螺仪而言，减小支承上的摩擦力矩，是 提高陀螺仪精度的关键所在。 • 悬浮技术：50年代的液浮陀螺，精度高但结构复杂、制 造困难、成本很高。 • 随着惯导系统的推广，尤其是在飞机上的广泛应用，寻 求一种中高级精度、但结构简单成本较低的陀螺，成为 当时迫切需要解决的问题。 • 60年代初，出现了一种新颖支承原理的动力调谐陀螺 （Dynamically Tuned Gyro-DTG）
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§5.1 动力调谐陀螺的结构及特点
四、动力调谐陀螺仪的特点
• 结构简单、成本较低：不需要液浮陀螺超净的环境，适合批 量生产，制造成本为液浮陀螺的1/4； • 体积小、重量轻 • 可靠性高、使用寿命长：与液浮陀螺相比，不存在浮子的密 封性问题，以及输电软导线容易损坏的问题； • 启动时间短、功率小：一般启动时间小于2min； • 和液浮陀螺仪相比，精度稍逊； • DTG目前应用范围广泛，从平台式到捷联式，从飞机、导弹 到舰船、航天飞行器。
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§5.3 动力调谐速率陀螺仪的构成与分析
二、动力调谐速率陀螺仪的力矩器特性分析
由力矩器控制力矩产生的进动角速度称为施矩速率，在陀螺 工作过程中，力矩器产生的最大施矩速率应该大于载体可能 出现的最大速率。
M s km s I max L L
即：
M s Lmax
因此，为了得到较大的施矩速率，要求陀螺的动量矩要适 当的小，并且力矩器的标度因数尽可能的大，同时要求力 矩器允许通入的最大电流尽可能大（一般瞬态最大电流应 该达到2A）。
转动自由度1：当转子绕内挠 性轴偏转时，会带动平衡环 一起偏转；此时内挠性轴产 生扭转弹性变形； 转动自由度2：当转子绕外挠 性轴偏转，平衡环不会随之 偏转，此时外挠性轴产生扭 转弹性变形； 转动的特点：允许的转角很小 动力调谐陀螺仪的支承原理
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§5.1 动力调谐陀螺的结构及特点
二、动力调谐陀螺仪的工作过程描述 内、外挠性轴和平衡环的作用
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§5.2 动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差
三、动力调谐陀螺仪的漂移误差
3. 结构非等弹性引起的漂移误差 挠性支承结构沿驱动轴的轴向和径向的弹性不等，则转子在 重力和惯性力的作用下，由于质心偏离支承中心，导致力的 作用线不通过支承中心，从而造成非等弹性力矩。 4. 驱动轴二倍旋转频率的角振动引起的漂移误差 驱动轴可能在工作过程中出现绕与其正交的轴的角振动（章 动），会引起平衡环的振荡，从而带来有害力矩。
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第五章 动力调谐陀螺
§5.3 动力调谐速率陀螺仪的构成与分析
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§5.3 动力调谐速率陀螺仪的构成与分析
挠性接头只能允许自转轴相对壳体小角度偏转 （±5°左右），故其测量角位移的范围是很小的， 只适用于平台式惯导系统。
若要用于捷联式惯导系统，则必须设置2个力矩再平 衡回路，将其构成双轴速率陀螺仪。具有这种功能 的动力调谐陀螺仪称为动力调谐速率陀螺仪。
一、动力调谐速率陀螺仪的构成原理
① 壳体绕X轴转动，自转轴相 对壳体出现偏角； ② X轴传感器输出电压信号， 经过放大器放大转换为电 流，送给y轴力矩器。 ③ Y轴力矩器根据电流的大小 和极性，产生负向力矩使转 子产生进动。 ④ 当转子进动角速度和壳体转 动角速度相同时，转子偏角 达到稳态。
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§5.3 动力调谐速率陀螺仪的构成与分析
现代导航测试技术
Measuring and Testing Technique for Modern Navigation System
主讲：赖际舟 副教授
南京航空航天大学导航研究中心
办公电话：025-84892304-807 手机：13851475429 导航研究中心网页： Email：Laijz@
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当力矩器标度因数： k m 3.2 10 N m / mA 则最大施距电流达到： I max
M s max 0.64 2000mA 4 km 3.2 10
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因此，力矩器的温升和仪表的热设计成为这种陀螺仪需 要考虑的重要问题。
§5.3 动力调谐速率陀螺仪的构成与分析
支承转子和传递驱动力矩； 给自转轴提供了绕与其正交 的两个轴转动的自由度。 因此要求挠性轴具有足够大 的抗弯刚度和尽可能小的抗 扭刚度。
动力调谐陀螺仪的支承原理
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§5.1 动力调谐陀螺的结构及特点
三、动力调谐陀螺仪的结构组成
驱动轴 转子 内、外挠性轴 平衡环 限动器（限制转子工作 转角不能过大从而导致 挠性接头损坏） 传感器（检测自转轴相 对壳体的偏角） 力矩器（对转子施加控 制力矩）
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§5.3 动力调谐速率陀螺仪的构成与分析
二、动力调谐速率陀螺仪的力矩器特性分析 在动力调谐速率陀螺仪中，力矩器起到施矩元件 和测量元件的作用，其性能对整个陀螺仪性能有 很大影响。 因此对力矩器标度因数的稳定性、线性度和对称 性提出很高的要求。 另外，力矩器必须给出足够大的力矩，以使陀螺 的进动能够跟上壳体的转动，否则转子的偏角不 断增大，很快碰到限动器而使陀螺失效。
动力调谐陀螺仪的支承原理
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§5.1 动力调谐陀螺的结构及特点
二、动力调谐陀螺仪的工作过程描述
1、驱动电机带动驱动轴旋转； 2、驱动轴通过内挠性轴带动平 衡环旋转； 3、平衡环通过外挠性轴带动转 子旋转；
动力调谐陀螺仪的支承原理
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§5.1 动力调谐陀螺的结构及特点
二、动力调谐陀螺仪的工作过程描述 关于两个转动自由度的描述
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§5.3 动力调谐速率陀螺仪的构成与分析
一、动力调谐速率陀螺仪的构成原理 敏感转子绕x轴角 偏移的传感器输出 信号，经过放大后 送至绕y轴给转子 施加力矩的力矩 器，从而组成一个 力矩再平衡回路。 即：x轴传感器和y 轴力矩器构成力矩 再平衡回路。
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§5.3 动力调谐速率陀螺仪的构成与分析
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§5.2 动力调谐陀螺的调谐机理及其漂移误差
三、动力调谐陀螺仪的漂移误差
从导致原因上来分类： 1. 剩余刚度和阻尼效应引起的漂移误差 由于无法精确调谐和完全消除阻尼效应所致（挠性轴材 料的弹性迟滞引起阻尼力矩，方向与转子偏转角速度的 方向相反，大小与偏转角速度的大小成正比）； 2. 质量不平衡引起的漂移误差 由于加工和装配误差，转子质心和平衡环质心无法精确 位于挠性支承中心。从而引起质心轴向偏离和径向偏离 形成的质量不平衡力矩。