[发明专利]一种悬浮转子类陀螺漂移误差高精度在线补偿方法

摘要

本发明涉及一种悬浮转子类陀螺漂移误差的高精度在线误差补偿方法。利用刚体动力学基本原理，建立陀螺干扰力矩模型；基于一种轴向洛伦兹力磁轴承，建立补偿力矩高精度解析表达式；结合位移、电流传感器对陀螺转子转角和洛伦兹线圈激励电流的实时在线测量，实现补偿力矩对干扰力矩的高精度实时在线补偿。本发明属于航天测量与控制技术领域，可应用于高精度卫星姿态测量以及地面陀螺的优化设计、测量与标定。

主权项

一种悬浮类转子陀螺漂移误差高精度在线补偿方法，其特征在于：基于陀螺的轴向洛伦兹力磁轴承，建立补偿力矩高精度解析表达式，通过传感器对转子转动的实时测量，实现对转子漂移误差的高精度实时在线补偿，具体包括以下步骤：(1)干扰力矩建模以磁悬浮转子几何中心o为原点建立不随转子旋转的转子坐标系o‑xyz、转子转动轴为z轴，x、y轴位于转子的赤道平面上并互相垂直；根据刚体动力学，磁悬浮控制敏感陀螺所受干扰力矩可表示为：Md＝Ω×H其中：H＝IΩI=Ir000Ir000Iz,Ω=ωxωyΩ]]>式中，Md——磁悬浮控制敏感陀螺所受干扰力矩(N·m2)；H——转子动量矩(kg·m2·rad/s)；Ω——转子相对磁轴承的偏转角速度(rad/s)；I——转子转动惯量(kg·m2)；Ir——转子径向转动惯量(kg·m2)；Iz——转子轴向转动惯量(kg·m2)；ωx——转子绕x轴转速(rad/s)；ωy——转子绕y轴转速(rad/s)；Ω——转子轴向转速(rad/s)；(2)补偿力矩的建模转子平衡时，若洛伦兹线圈中通入激励电流，则线圈微元Lr·dφ上产生的洛伦兹力微元为：df＝Lrdφ·iB·Z0  (9)式中，Lr——洛伦兹线圈半径(m)；dφ——洛伦兹线圈张角微元(rad)；i——激励电流(A)；B——洛伦兹线圈处磁密(T)；Z0——z方向单位矢量；当转子绕x轴偏转α时，洛伦兹线圈上的任意一点上所产生的洛伦兹力方向由原来的与矢径夹角90°变化为90‑α’，其中α′＝arctan(sinφtanα)同样，当转子绕y偏转β时，β′＝arctan(cosφtanβ)虽然转子位置发生了偏转，但是洛伦兹线圈的位置并没有改变，也就是说作用于转子的洛伦兹力仅仅发生了方向变化，而其力作用点没有发生变化；线圈产生洛伦兹力的部分分为上下两段，分别位于距转子赤道平面h的上下两平面处，两部分线圈匝数、长度相同，所承载的激励电流大小相等、方向相反；因此，当两部分所处的磁场磁密大小相等、方向相反时，其所产生的洛伦兹力大小相等、方向相同；当转子偏转时，洛伦兹力产生的力矩微元可写为：2dT=2r×df=2Lr2ixBsinφtan2αsin2φ+1dφ-2Lr2ixBcosφtan2αsin2φ+1dφ0]]>和2dT=2r×df=-2Lr2iyBcosφtan2βsin2φ+1dφ2Lr2iyBsinφtan2βsin2φ+1dφ0]]>式中：r——洛伦兹力线圈微元到转子中心的矢径；ix——x方向线圈中的激励电流；iy——y方向线圈中的激励电流；在x轴正负方向上的线圈2、4中通入大小相等、方向相反的电流，经过积分运算，最终，两个线圈产生的补偿力矩可以分别表示为：T2=4NLr2ixBtanαarctansinφ0cos2φ0+1tan2α00]]>T4=-4NLr2(-ix)Btanαarctansinφ0cos2φ0+1tan2α00]]>式中：φ0——洛伦兹线圈张角(rad)；N——洛伦兹线圈匝数；向在y轴上的另外一对线圈在通入激励电流iy时，其产生的力矩为：T1=0-4NLr2iyBtanβarctansinφ0cos2φ0+1tan2β0]]>T3=04NLr2(-iy)Btanβarctansinφ0cos2φ0+1tan2β0]]>因为偏角α、β为小量，利用泰勒级数将上式展开，并略去二阶以上微量，洛伦兹线圈产生的补偿力矩可化为：T=T2+T4+T1+T3=8NLr2ixBsinφ0-8NLr2iyBsinφ00]]>当补偿力矩与干扰力矩相等时，即实现了了干扰力矩的补偿，用公式可以表示为：T+Md＝0(3)偏角α、β的测量磁悬浮转子的偏角α、β可以通过传感器实时在线测量得到；利用四组电涡流位移传感器分别测量磁悬浮转子在x、y轴正负端处沿着z轴方向的线性位移，可得转子的偏角为：α＝(hy+‑hy‑)/(2lm)β＝(hx+‑hx‑)/(2lm)式中，hy+——转子在y轴正端处沿z轴方向的线性位移；hy‑——转子在y轴负端处沿z轴方向的线性位移；hx+——转子在x轴正端处沿z轴方向的线性位移；hx‑——转子在x轴负端处沿z轴方向的线性位移；lm——传感器距离转子z轴的距离；洛伦兹线圈中的激励电流ix、iy通过电流传感器实时测量，根据以上测量结果，即可计算得到洛伦兹线圈产生的补偿力矩，从而实现对漂移误差的实时在线高精度补偿。