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1、1关于无转台挠性陀螺转子控制的寻北方法1.前言对于某些低精度的车载挠性陀螺寻北仪，通常对其成本和体积提出苛刻的要求。例如，两年前 14 所和 207 所先后提出希望提供0.3的车载寻北仪。207 所对于寻北仪的尺寸提出了具体要求，希望小于 150*150（和原来的电子罗盘尺寸相似） ,单价在 7 万元可接受。为了最大限度地降低成本和减小尺寸，建议采用无转动机构的一位寻北测量方法并且选用 0.05/h 的低成本陀螺和（倾角传感器）加速度表。此时需要解决的主要问题是如何消除陀螺逐次漂移的影响以及如何补偿常值漂移。2.陀螺逐次漂移陀螺逐次漂移实际上是逐次启动的重复性（） 。其测量过程是：在特定环境和
2、无输入速率条件下，同一个陀螺多次启动的输出值的平均值称为常值漂移而其均方差称为“逐次漂移”。每次启动的时间间隔通常是数小时或者 1 天（确保每次启动是冷态启动） ，因此也称之为逐日漂移。逐次漂移可以认为是常值漂移的一种。逐次漂移和常值漂移又与陀螺的工作温度有关。目前的磁滞马达挠性陀螺其逐次漂移通常是随机漂移的 34倍。比如说，某个陀螺的随机漂移为 0.01/h,则其逐次漂移通常为20.03/h。如果陀螺的漂移只有随机和常值，其常值是稳定的并且可以准确标定出来则双轴陀螺捷联寻北过程即可采用一位完成。但是由于逐次漂移的存在，通常采用多位寻北消除逐次漂移的影响。逐次漂移形成的原因比较复杂，主要是陀螺
3、马达，特别是采用磁滞材料加工的同步陀螺马达的磁化特性对陀螺转子、力矩器和信号器的影响。美国专利指出：磁滞陀螺马达的转子位置与与旋转磁场之间的方位（定位）变化是形成逐次漂移的主要原因。如果能准确控制两者之间的定位关系，保持每次启动的转子定位重复性则可消除大部分逐次漂移分量则陀螺的逐次漂移有可能被控制在很小的范围内。原专利未能提及激励电流和磁化强度对于逐次漂移分量的影响问题，即是否还有转子定子的磁化状态的影响？即同时还应该能准确控制每次启动的三相电源的电压状态？另一个提法是所谓再同步方法减小逐次漂移，未见详细资料，估计是多次短促断电高压启动低压运行等待（5s）采样（15s ） ，以多次启动平均逐次
4、（不是逐日）漂移是否可以大部分消除逐次漂移分量的影响？3 转子定位为了实现转子重复定位，美专利提出采用一个专门设计的转子位置传感器。这个方法可以获得更高的定位精度但是需要修改陀螺3结构。能否在不改变现有挠性陀螺结构的条件下近似完成转子的重复定位呢？转子连续定位的寻北方法 (2014 年 4 月 23 日 5:49:22)如果采用转子与定子之间连续“平滑”定位控制方法应该比较彻底的解决磁化强度变化带来的新问题。(单独说明)3.1.利用章动信号进行转子定位3.1.1.陀螺转子与挠性接头的关系根据挠性陀螺转子结构的分析，转子扭摆轴（X 和 Y）和陀螺马达转子具有固定的连接关系。如图。这就相当于在转子
5、上设置的四个标志，X,-X,Y,和 -Y,而不是一个标志。能否用其替在转子上设置的转子位置传感器？当然，根据专利说明，为了实现转子的定位，只能选用其中的一个。4XY挠性接头X 扭摆轴MN-S 旋转 1 周，转子扭摆 2 周X 扭摆轴X 轴信号器绕组陀螺转子H 轴挠性接头马达转子5马达绕组马达绕组XY 信号器现在的问题是：1）如何检测此标志与旋转磁场之间的相位关系2）如何有效地控制这个关系3）如何从四个标志中选择一个固定的标志或者采用其他办法克服多值性3.1.2.检测方法6为了解决第一个问题，这里提出利用转子章动信号，即绕挠性接头的双轴扭摆信号，将挠性接头作为转子位置的标记确定转子与三相激励中的
6、 A 相波形（代表旋转磁场）之间的定位关系之后即可确定转子与旋转磁场的相对关系。根据挠性陀螺原理，其转子与马达定子之间的运动关系可以表示为： sincoi由于章动角速度是马达转动角速度的二倍 2以上两式可写成 tsintcos2co2in陀螺马达转动角速度转子和定子之间的初始相位角也即 的初始相位角 转子和定子之间的相对转角即马达自传的相对转角 X 敏感轴输出的偏转角Y 敏感轴输出的偏转角X 扭杆的扭转角Y 扭杆的扭转角实际上美国专利指出的是，如果能使每次启动时 具有足够的重复精度则可以消除大部分逐次漂移。7举例说，在马达定子 A，B，C 三个绕组中，假设我们选定 A相作为“基相” ，转子定位
7、的目的是保证 A 相中的正弦电压为 0 时挠性接头的 X 扭摆轴正好平行于基相的磁力轴线 M。3.2.关于多零位问题由于无法从上述四个定位信号中准确重复地选择其中之一，也即无法解决多零位问题。但是，如果采用四个位置上进行采样以代替每一个确定的位置，也就相当于选取四个确定的位置而不是一个进行采样。是否可能获得更好的结果？3.3浮动零位的定位方法3.3.1.原理说明由于从章动信号中提取扭摆信号的过程比较复杂因此进一步设想，采用浮动零位的四位定位方法代替上述固定的四定位方法。即随机确定四个正交位置的初始限位进行寻北测量。此时不再需要章动信号搜索扭摆零位。将转子磁化影响分解为 X,Y 敏感轴分量。如果
8、能使任意初始磁化方向上开始的磁化影响在 X,Y 方向上的采样之和为一个常数则可以消除逐次漂移。假设 为在选定确定的定位（ ）方法时常值磁场干扰分量，0H0其逐次项为 ，此时在 X 轴四个正交位置上的分量Scos01X80029cosHX31800427csX4321HH0X可见，如果确认逐次漂移源自转子定位重复性造成的磁场干扰的重复性，则上述设想应该是合理的。因为无论 为何值，磁化影响在 X,Y 上的分量总是为零。3.3.2.浮动零位的定位控制既然是浮动零位，则第一个转子位置是随机选定的。而第二，三，四为构成连续的正交定位即可。9突然断电时间采用突然跳相来改变任意起始点的四位寻北突然改变马达三
9、相电源波形的相位，超前或者滞后 90 度。这样可以一次到位。每次移相方向相同。但是由于重新定位时可能出现相对磁化状态的变化，因此可能需要三相驱动电流重复性的控制，例如重新启动高低压转换。这一点美国专利没有进一步的说明而只强调转子的位置重复性。这就提出，两位寻北还是四位寻北的问题。似乎四位寻北最为合理？两次，在 0 和 180 的转子相位上进行相等时间的积分测量。10假设转子磁化强度不变，但是必须注意到，每次重新定位会造成三相电流的改变，因此在每次重新定位之后应该通过三相调压使三相激励电流保持不变！以便使转子磁滞材料的磁化状态重复。或者在每次变位完成之后再重复一次瞬时高低压跳变动作以保证马达转子
10、的磁化状态的重复性。4 关于转子位置测量和定位控制初步试验114.1. 转子位置测量在徐飙、邢华良和孙文正的努力之下于 08.2.进行了陀螺马达转子与 A 相之间的定位控制的初步试验。基本作法是：从（X）力反馈回路的鉴相波形中取差 200Hz 的转子章动扭摆信号经过高 Q 带通和整型变成方波信号与 A 相方波进行相位比较。此相位角代表陀螺的两个扭摆轴形成的四个标志中的某一个与定子 A 相磁极之间的相位。4.2. 转子位的定位控制为了达到控制两个信号之间相位角的目的，可以可以两个方法：a）以短促的马达三相断电，例如短促切断陀螺马达驱动桥的的供电，使转子暂时失去驱动力而惯性滑行。切断陀螺马达驱动桥
11、的的供电意味着此时三相旋转磁场仍然按照原来的速度运行。由于轴承的摩擦和风阻的作用，转子减慢转速，转子与旋转磁场之间的相位角出现滞后，即改变了两者的相对关系。当再次接通三相电源时，马达的磁滞转子重新磁化并且在新的相位关系进入同步状态。4.3.章动衰减问题由于章动衰减很快，造成鉴相信号过于微弱，为此转子定位最好在马达启动过程中完成。但是当第二次定位时由于章动已经被衰减，为了凸现上述转子摆动信号，需要对转子进行刺激。5 转子定位误差与逐次漂移的关系假设单点重复定位存在定位误差如果转子定位关系造成逐次漂移量 与磁场方向有关则转子重复定位的误N12差 与 ？Nsin10N当转子重复定位误差为 时，造成的
12、逐次漂移为5X 轴章动 200HzX 轴章动 200Hz 倍频Y 轴章动 200HzA 相 400Hz 方波A 相 400Hz 方波前沿XY 章动方波“与”A 相 400Hz 方波前沿和 X 轴章动 200Hz 倍频进行脉冲鉴相。以鉴相输出直流分量作为控制陀螺马达驱动电源短促断电的信号。为了克服多值性，必须同时参考 Y 轴章动方波状态作为判断条件。在“与”的后沿时刻判断，三个红色脉冲同时出现是转子定位完成的标志。判断条件“与”的后沿6 四位寻北13A 相方波400HzX 轴鉴相章动带通200Hz过零比较脉冲鉴相 滤波 AD驱动桥 供电开关马达转子信号器X 力矩器 刺激脉冲脉冲倍频Y 轴鉴相章动
13、带通200Hz过零比较 克服多值性判的断条件精度分析主要误差源a） 相位晃动误差 （相位噪声） ，b） 章动（正弦）波形幅值 波动（幅值噪声） ，mUc） 比较器灵敏度和滞后14转子定位精度与章动（正弦）波形幅值 以及过零比较器灵敏度 有关。mUU相位晃动误差 就是转子相对旋转磁场的定位误差角tUmsin定位误差与逐次漂移的关系。也应该是正弦关系。如果不计误差的正负号，如果最大定位误差角为 90 时对应于最大逐次漂移，最小逐次漂移对必然应于 0U 这里存在两个问题：1）三相马达的磁极对数 P 为 2，为此出现多个定位关系的问题。 A 相频率为400Hz，在马达转速为 200 Hz，转子扭摆章动
14、频率也应该是 200 Hz。2）陀螺马达的转子并非具有固定磁极的永磁体，其转子的磁滞材料的磁化方向是随机的（可能与转子上次停止位置和三相电源上电情况有关。 ）3）补充 具有分立磁钢的无刷马达是否更有利于转子定位控制？154）关于零位的判断 0还是 180为了解决第一个问题，提出转子的两次倒向定位控制，基本解决的办法是进行二次定位（正反 0，180 ） 。为了解决第二个问题168.关于再同步控制为了消除（减小）陀螺（特别是采用磁滞陀螺马达的挠性陀螺）的逐次漂移，国外采用所谓再同步控制，但是不知道具体的实施方法也不知道国内是否有人做过研究。根据逐次漂移的形成过程，即一次启动断电之后等待一段时间再次
15、启动则陀螺的常值漂移将与前次不同。所谓再同步可能是在陀螺马达同步运转之后，每隔一段时间突然将三相电源暂时断电，陀螺马达进入减速滑行，然后再接通，使陀螺马达转子与定子之间的相对位置不断的重新定位，同时也不断改变陀螺马达转子定子的磁化状态。此时陀螺马达实际上工作在不断的重新启动的状态下（但不是冷态启动） ，而这种不断重新启动使转子定子的（启动）相对位置以随机分布的状态重新定位。当再同步次数足够多时即有可消除（至少是减小了）逐次漂移的影响。当然，也可以采用多次重新启动的方法，但是由于滑行时间过长造成寻北时间加长。考虑到磁滞陀螺马达在采用高压启动低压运行的激励方法时，能使陀螺马达的激励电流突然减小到只
16、是额定电压下启动时的171/2，可见这种高低压转换过程同样改变了磁滞马达（转子定子）的磁化状态（但是可能没有改变转子与定子之间的相对位置关系） 。因此如果能在瞬时断电的基础上在增加瞬时高压启动的控制效果则可能更为有利。为了利用再同步控制减小逐次漂移对捷联寻北的影响可能需要通过大量试验寻找合理的断电时间和间隔或者是合理的瞬时高压激励时间和间隔以及高压幅度值。4 马达转子控制方法4.1 磁滞同步马达转子控制方法由于磁滞马达转子与永磁转子不同，没有固定的磁极，磁化之后的磁化“磁极”是随机形成的，因此必须完成四次转子定位才能平均转子的磁化影响。2007 年 10 月 8 日试验结果初步证明设想的原理是正
