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全自检反馈式速率陀螺系统
朱江红
摘要 对全自检反馈式速率陀螺系统的组成、工作原理、主要技术指标及关键技术问题的解决进行了描述，并介绍了仪表与控制系统的接口电路。
关键词 惯性导航，速率陀螺仪，电子箱。
1 全自检反馈式速率陀螺系统的组成和作用
全自检反馈式速率陀螺与弹簧式、扭杆式速率陀螺相比有许多优点，如以电弹簧替代机械弹簧实现了闭环系统，提高了仪表的精度和可靠性，系统动态品质好，频带可按系统需要调到最佳，系统刚度高、灵敏度高。
CZ-3A(B)火箭用的速率陀螺系统由速率陀螺仪和速率陀螺电子箱两部分组成，该系统包括全自检反馈式速率陀螺仪表、伺服回路放大器、马达自检整形电路及交、直流二次电源。每枚火箭共用9只8K17-3A和3只8K18-3A，分别装在箭体的一级、二级和三级上。
速率陀螺系统用于火箭的姿态控制系统，主要起的作用是：敏感箭体的俯仰、偏航和滚动的3个姿态角速度，输出与角速度成正比的模拟电压信号送给箭上计算机，通过执行机构调整箭体的姿态，以实现火箭的稳定飞行。
2 反馈式速率陀螺仪的基本组成及工作原理
2.1 反馈式速率陀螺仪的基本组成
反馈式速率陀螺仪主要由陀螺马达、永磁力矩器、微动同步传感器、浮子组合件、阻尼器、支承部件、输电装置等部件组成。其基本工作原理如图1所示。
图1 反馈式速率陀螺仪工作原理示意图
输入的角速度，(°)／s；W(s)—回路的传递函数
OXYZ为陀螺坐标系，当陀螺在OY方向敏感到角速率ω时，则在OX的负向产生某一陀螺力矩Hω，浮子组合件在陀螺力矩的作用上，产生一个进动角β，随之传感器将产生一个与β成正比的电压信号送给伺服回路放大器，此信号放大器放大、解调、低通滤波及校正和功放后，以电流形式输送给力矩器，力矩器产生与陀螺力矩相平衡的力矩。其原理如图2所示。
图2 反馈式速率陀螺仪原理框图
反馈速率陀螺仪传递函数方块图如图3所示。
图3 反馈式速率陀螺仪传递函数
H—马达的角动量，kg·m２／s；Jx—浮子的转动惯量，kg·m２；Cv—仪表的阻尼系数，N·m／rad；Kt—力矩器的力矩系数，N·m／A；
Ks—传感器的比例系数，V／rad；Mo—输出轴的干扰力矩，N·m；It—控制电流，A；U0—仪表的零位电压，V；Rs—采样电阻，Ω；
Kam—回路的放大倍数，V／V；β—浮子的转角，rad；ω入—陀螺
2.2 仪表的主要结构特征
a) 陀螺马达(CM-0.025)为两相磁同步马达，采用端盖式滚珠轴承，在马达的端盖上镶嵌着一对磁钢，浮子内装有感应线圈，当马达高速旋转时，线圈通过切割磁力线，感应出自检电压，该电压能检测马达启动、同步和停转的全过程。
b) 力矩器(LQY-5)为动圈永磁式力矩器，由定子组件和转子组件两部分组成，转子组件上装有控制和补偿两个绕组，定子组件以端盖的形式直接安装在仪表壳体上。
c) 传感器(JCW-4)为微动同步器式传感器，将传感器定子与端盖组合为一体，定子组合件在端盖内能自由转动，利用定子组件上可调螺钉调整传感器零位。
d) 浮子组合件是仪表的关键部件，其小轴上分别装有传感器转子和力矩器转子。
e) 阻尼器采用圆筒式液体阻尼器，利用浮子组件外表面与仪表壳体内表面之间的微小间隙构成阻尼器。
f) 温度补偿装置选用ZB-01的阶梯型尖波波纹管。
g) 仪表的外壳由壳体和前后罩组成，壳体上有用于仪表敏感轴定位的定位块。前罩装有表明仪表敏感轴正方向的标牌。
2.3 反馈仪表研制过程中的关键技术
为满足姿控系统任务书要求，在反馈仪表研制过程中解决了如下的关键技术：
a) 合理选择支承形式，保证仪表的高灵敏度，采用小径向游隙、低摩擦力矩的无内圈滚珠球轴承作为径向支承，轴尖平垫作为轴向支承，并将浮子组合件两端装轴承部位的同心度提高到0.01 mm。
b) 设计新型输电装置，提高仪表零位电压的稳定性，输电装置软导线选用耐腐蚀、不易锈蚀、低弹性、易焊接的C型铍青铜。
c) 马达自检装置的设计，马达自检是用于火箭起飞前，检测仪表马达能否正常工作的自检装置，是速率陀螺系统正常工作的必要条件，它的工作原理是：利用电磁原理，当马达高速旋转时，自检线圈通过切割磁力线输出正弦交流信号，经自检整形电路，输出一个频率为1 000 Hz的脉冲信号。
d) 认真选择热处理规范，改善零组件的加工工艺，严格控制端盖轴承质量，提高转子磁性材料的性能稳定性，确保马达的低温同步能力，并利用先进的反力矩测试技术，预先控制马达的低温性能。
e) 动圈型永磁力矩器的设计选用短转子方案，采用以所配磁钢表面磁感应强度值的平方值为配组依据的磁钢配组件方案，确保了力矩器力控系数的一致性，保证了磁钢配组的合格率为100%。
f) 完善仪表充油技术。将充油与排气装置的走向分开，提高充油效率，并设计软导线保护罩，减小油对软导线的冲击。
g) 回路自检装置的设计是利用力矩器的力补线圈，给仪表加适当的电流，以检测速率陀螺系统是否正常工作。
马达自检与回路自检的实现为提高火箭发射的可靠性起了重要作用。
3 速率陀螺电子箱的组成及功能
3.1 速率陀螺电子箱的组成
速率陀螺电子箱是与反馈仪表配套的专用电子设备，它由伺服回路放大器、马达电源、激磁电源及马达自检整形电路等组成。
3.2 电子箱功能
a) 把速率陀螺敏感的角速度信号转换成与之成比例的直流模拟电压信号；
b) 提供速率陀螺马达用的两相电源；
c) 提供速率陀螺激磁用的单相电源；
d) 提供电子箱各电路所需的±15 V电源；
f) 提供给遥测系统的马达电源、激磁电源、±15 V电源和三路陀螺的输出信号。
3.3 伺服回路放大器的组成及作用
回路放大器主要由交流放大、带通滤波、相敏解调、低通滤波、校正、移相、功放、有源低通、跟随器等电路组成，其原理如图4所示。
图4 伺服回路放大器原理图
3.4 回路放大器设计中的关键技术
a) 为提高回路放大器的电磁兼容能力，在回路放大器的输出端增加了一级隔离，即跟随器(见图4)。
b) 回路放大器设计中采用了精密恒流源和PN结单向导电新的补偿技术，提高了系统的测量精度和输出信号的对称性。
c) 对系统进行动态设计和仿真计算，合理选择校正网络参数和滤波电路，确保系统频带带宽和增益满足系统要求，并改善了电路的抗干扰性、均衡性。
3.5 速率陀螺电源
a) 速率陀螺电源原理框图如图5所示。
图5 电源电路的原理框图
b) 交流电源的组成及作用。
1) 振荡器和分频器：用石英晶体和分频器CC4060组件组成的振荡电路产生一个频率稳定的基准信号；
2) 稳幅电路：目的是稳定电源的输出电压，即当输入电压变化时，其输出电压仍稳定不变；
3) 选频电路：将分频后的方波信号，经有源带通滤波器变为正弦波；
4) 功率输出电路：将选频后的信号再次放大，提供功率输出，以驱动负载；
5) 移相电路：采用RC移相，把输入的正弦波移相90°后输出。
c) 二次电源研制中解决的关键技术。
1) 在电源电路中增加DC／DC隔离级，使马达与传感器激磁电源分别提供直流电，即马达电源直接用28V直流电，而传感器激磁电源由DC／DC直流电源供给±15 V，提高了电源的电磁兼容能力；
2) 将电源的选频电路、稳幅电路及功放电路采用二次集成技术，提高了电源的工作可靠性。
3) 电子箱增加减震器，提高电子箱的工作可靠性。
3.6 马达自检整形电路
马达自检整形电路的作用是将马达自检装置输出的交流信号进行放大、整形，以脉冲形式输出。其原理如图6所示。
图6 马达自检整形电路原理框图
4 速率陀螺系统的主要技术指标
4.1CZ-3A(B)速率陀螺系统的主要技术性能指标
a) 传递系数：0.5 V／(°)·s－１。
b) 传递系数误差：
当角速度ω≤1°／s时，其绝对误差小于或等于0.1°／s；
当角速度1°／s＜ω≤15°／s时，其相对误差小于或等于5%；
当角速度15°／s＜ω≤20°／s时，其相对误差小于或等于10%。
c) 灵敏度：
ω≤0.02°／s；
当角速度ω=0.02°／s时，对应的输出的绝对值大于或等于5 mV。
d) 零位误差：U0≤0.17 °／s(对应85 mV)。
e) 测量范围：ωmin～ωmax，0.02°／s～20°／s
最大角速度ωmax=20 °／s时，对应的输出为10 V。
f) 固有频率：f≥35 Hz。
g) 阻尼比：0.3～0.8。
h) 速率陀螺的自检：
陀螺马达检测：马达同步后，其自检脉冲为(1 000±20%) Hz；
回路自检检测：加7 mV电流，回路输出电压的绝对值为(500±20%) mV；
力矩器补偿绕组允许最大电流的绝对值不超过20 mA。
4.2 二次电源的主要技术指标
a) 两相马达电源：(12±1) V，(500±0.5) Hz，失真度小于5%；
b) 单相激磁电源：(7±0.2) V，(8 000±1) Hz，失真度小于3%；
c) DC／DC直流电源：(±15±0.2) V，±15 V绝对值之差小于0.15 V，纹波小于25 mV。
4.3 地面测试设备单轴速率转台C-145的精度指标
a) 量程：±0.01 °／s～±300 °／s；
b) 精度：1%～0.5%。
4.4 速率陀螺系统自动化测试设备8C140-3A的测试精度
测试精度为0.5%。
5 单元测试
根据速率陀螺系统总体要求，自动化测试设备选择测控台控制速率转台的全自动测试方案，软件设计为两级：一级为Z80汇编软件，模块化设计；另一级为BASIC软件，存放在上位机的硬盘中。上位机、测控台、单轴速率转台中均配有标准的IEEE-488接口。在速率陀螺仪的测试设备中，首创了两级测控软件设计，且两极软件既相互独立又相互联系，各有重点。两极软件均能完成自动测试，每种软件均具有多种功能测试及精度测试，该软件的研制成功提高了自动测控系统的智能化程度，实现了速率陀螺仪测控技术质的飞跃。
a) 测试台功能：完成仪表六方向零位电压、仪表灵敏度、回路自检、马达自检、仪表输出特性及电源参数的测试，并进行数据采集、故障诊断、数据处理、系数分离、结果打印等。
b) 全自动测试程序原理如图7所示；
图7 全自动测试程序原理框图
c) 高精度单轴速率转台由机械台体和控制箱两部分组成，其机械台体是一个低摩擦且干扰力矩小的精度轴系，采用空气轴承支承，台体中心轴对台面的垂直小于0.01 mm，为了保证
速率的均匀性和平稳性，采用滑环式输电装置，其原理见图8；
d) 速率陀螺系统在测控台控制下的自动测试框图见图9。
图8 速率转台原理框图
图9 测控台控制下速率陀螺系统自动测试框图
6 速率陀螺系统与控制系统、遥测系统的接口电路
速率陀螺系统与控制系统、遥测系统的接口电路见图10。
图10 与控制系统、遥测系统的接口电路
7 结束语
CZ-3A(B)用8K17-3A速率陀螺在国内率先采用反馈式全自检方案，实现了小型化并自成体系，该系统用于CZ-3A(B)火箭，已经取得CZ-3A Y1～Y3，CZ-3B Y2～Y5飞行试验的圆满成功，速率陀螺仪测试数据见表1。
a) 速率陀螺组合的输出信号接口；b) 马达自检信号的输出接口；c) 马达电源12 V，500 Hz的遥测信号接口；d) 陀螺激磁电源7 V，8 000 Hz的遥测信号接口；e) 陀螺指令信号的输入接口。
表1 改进反馈式速率陀螺仪测试数据表
Description of Whole Self-Check Feedback Rate-Gyro System
Zu Jianghong
(Beijing Institute of Control Device,Beijing,100076)
Abstract This paper describes the composition, working principle, main technical performance parameters and the solution of main technical problems of the whole self-check feedback rate-gyro system. And the interface circuits of meters and control system are introduced.
Key Words Inertial navigation, Rate gyroscope, Electronic box.
朱江红：女，高级工程师，38岁，主要从事航天惯性器件研究
朱江红（京控制仪器研究所，北京，100084）
1999-09-15 | 
全自检反馈式速率陀螺系统
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