三浮陀螺儀有源磁懸浮加力系統(tǒng)研究

吳　遼，楊孟興，王　卿

（中國航天科技集團第十六研究所，西安710100）

三浮陀螺儀有源磁懸浮加力系統(tǒng)研究

吳遼，楊孟興，王卿

（中國航天科技集團第十六研究所，西安710100）

三浮陀螺儀輸出軸采用有源磁懸浮，系統(tǒng)工作在分時控制模式下，控制變量為總周期和周期內(nèi)加力占空比。加力電源類型的選取以及加力電壓幅值的確定對電磁力的大小、磁懸浮的功耗有很大影響，進而影響陀螺溫度場分布和陀螺精度。在研究了磁懸浮元件電磁特性之后，給出了確定加力電源的基于磁路分析的Flux電磁仿真法。分析給出直流、正弦和方波這三種電源的加力幅值范圍為1.7V～2V，并結(jié)合試驗確定1.8V的方波電壓加力為最佳方案。實驗表明采用該方法分析加力電壓是有效的，同時節(jié)省了大量實驗探索的時間。

三浮陀螺儀；有源磁懸?。浑姶欧抡?；最佳加力電壓

0 引言

三浮陀螺儀中的“三浮”技術(shù)是指陀螺馬達采用氣浮、浮子采用液浮以及輸出軸采用磁懸浮。磁懸浮應(yīng)用于慣性器件將從原理上改變原有的支承方式，大幅度提升慣性器件的性能，例如資料顯示采用ABM可使陀螺儀精度提高1～2個數(shù)量級［1-3］。工程實際中發(fā)現(xiàn)，有源磁懸浮在浮子支承環(huán)境的同時引入電磁干擾力矩，且這一干擾力矩與加力電源有直接的關(guān)系。

分時控制模式下ABM的工作分為三個時段:檢測周期、加力周期、等待周期，由于加力周期內(nèi)要實現(xiàn)浮子在電磁力作用下的位置調(diào)整，電磁干擾力矩在該時段產(chǎn)生，高精度陀螺需要對這一部分進行精密設(shè)計，這也是用好磁懸浮的關(guān)鍵所在［4-7］。理論與實驗表明采用適當幅值的方波電源和合理的控制算法能有效地減小磁懸浮干擾力矩，提高陀螺精度。

1 有源磁懸浮

1.1ABM系統(tǒng)組成

三浮陀螺儀有源磁懸浮系統(tǒng)由四部分組成，電磁元件部分、輸入信號調(diào)理SIP模塊、中心處理電路SOC模塊以及輸出信號調(diào)理SIP模塊，各部分之間的聯(lián)系和數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系如圖1所示［8］。從電磁元件結(jié)構(gòu)角度看，有源磁懸浮與無源磁懸浮區(qū)別并不大，有源磁懸浮用橋路電阻取代了原來的諧振工作電容，電路由原來的L-C電路演變?yōu)長-R電路，由于磁路線圈電感L與位置偏移量存在如式（1）的關(guān)系:

圖1　徑向有源磁懸浮系統(tǒng)框圖Fig.1 The system diagram of radial magnetic suspension注:1—定子組件；2—轉(zhuǎn)子；3—勵磁線圈；R—橋路匹配電阻；U—激磁電源；I—勵磁電流；l′g—工作氣隙長度；2θ0—極弧角；r—定子極弧半徑；ω—激磁電源圓頻率。

式中，μ0為真空磁導率；N為線圈匝數(shù)；lfe為鐵心磁路長度；l為氣隙磁路長度；μr為鐵心相對磁導率；S為極弧面積；lg為工作氣隙；Δ為偏移量。

當陀螺浮子帶著磁懸浮轉(zhuǎn)子發(fā)生偏移時，對稱位置的磁路電感就會發(fā)生變化，引起電感兩端存在電壓差，檢測出這一差分信號，經(jīng)過調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換，進入中心處理電路SOC模塊解算、判斷和GPIO控制加力電流的通斷時間。電磁元件電路既是位置檢測的敏感電路，又是加力電流的作用對象，必須采用分時控制。一個控制周期一般被分割為位置檢測周期、加力周期和恢復等待周期三部分，三部分循環(huán)工作，保證陀螺浮子定中精度。

1.2加力電源

有源磁懸浮加力周期是整個控制周期關(guān)鍵的一步，它的主要任務(wù)是通過電磁鐵效應(yīng)使陀螺浮子向指定位置運動。加力電源選擇的原則為:

1）滿足最大啟動力的要求。浮子起豎時，磁懸浮氣息最大側(cè)線圈在加力電源的作用下產(chǎn)生磁拉力，在磁路飽和以及最大磁拉力的共同約束下選擇加力電源。

2）滿足分時控制的要求。分時間控制時要求加力時間精確受控，且電磁力建立時間快。

3）滿足功耗要求。陀螺溫控要求很高，磁懸浮發(fā)熱越小越好。

4）滿足控制器和陀螺空間結(jié)構(gòu)要求。受空間結(jié)構(gòu)要求，磁懸浮控制器的尺寸有限，加力模塊不能成為控制器尺寸的短板。

5）滿足綜合測試性能。磁懸浮元件制造、安裝精度要求很高，整表調(diào)裝完后磁懸浮元件不一定工作在設(shè)計工作點，測試時需要在滿足啟動時間的前提條件下調(diào)整加力電源使陀螺漂移最?。?-11］。

2 磁路理論分析

2.1徑向元件磁路及允許加力電壓

加力電源受到元件結(jié)構(gòu)和磁性材料的制約，其中磁路特點是確定合理加力電源的關(guān)鍵。在元件結(jié)構(gòu)設(shè)計部分有針對承載能力的磁路設(shè)計步驟，針對加力電源的磁路分析與這一步驟類似［12］。

徑向元件電磁模型如圖2所示，徑向元件等效磁路如圖3所示。磁路特點在理想情況下為對稱磁路，其中，R1為定子磁阻、R4為轉(zhuǎn)子磁阻、R2和R3為2個氣隙磁阻，其余為漏磁磁阻。通過磁阻計算，為了簡化磁路計算，在此給出式（3）中各量的具體值:μair為氣隙磁導率，值接近真空磁導率μ0（μ0=4π×10-7H/m）；鐵心磁導率μfe= 7200μ0。影響槽口漏磁磁阻R11（R21）的2個主要因素槽口寬度lairg11和面積Aair11，與氣隙磁阻相比lairg11較大，Aair11較小，總體上R11（R21）比較大。

圖2　徑向元件電磁模型Fig.2 Model of radial electromagnetic

圖3　徑向元件等效磁路Fig.3 The magnetic circuit model of radial component

同時鐵心磁阻R1（R4）、R0比較小，在忽略鐵心磁阻和漏磁的情況下徑向元件的磁動勢方程為:

Nix1+Nix2=Φix（R2+R3）（4）

同一坐標方向的2個線圈是串聯(lián)關(guān)系，即ix1=ix2，同時磁懸浮在工作時近似認為R2=R3，磁通量Φix=BAair2，B為磁通密度，設(shè)計值小于飽和磁密Bs（0.42mT）。

將這一關(guān)系進一步轉(zhuǎn)化為允許加力電壓與氣隙（即浮子偏移量）之間的關(guān)系:

Rd為線圈直流電阻，Re為等效損耗電阻。

圖4　徑向元件允許加力電壓與偏移量Fig.4 Permissible radial component and offset voltage

從圖4可看出，徑向磁懸浮在工作時允許的加力電壓與浮子的偏移量呈線性關(guān)系，即偏移量越大允許加力電壓也越大。這里所說的允許電壓指定轉(zhuǎn)子工作在最佳磁路狀態(tài)，繼續(xù)增加電壓不僅不能增加電磁力，反而會使損耗增加、干擾增大?？紤]到氣隙磁密一般很難達到材料的飽和磁密（85％～90％），且陀螺整表測試時，無法準確確定轉(zhuǎn)子相對于定子的位置，因此只能給出理想加力電壓范圍為1.7V～2V，啟動階段允許值大。

2.2軸向元件磁路及允許加力電壓

軸向元件的磁場相對徑向元件漏磁影響更小，且由于元件的對稱性磁路較為簡單，軸向元件電磁模型如圖5所示，軸向元件等效磁路如圖6所示。

圖5　軸向元件電磁模型Fig.5 Axial electromagnetic model

圖6　軸向元件等效磁路Fig.6 The magnetic circuit model of axial component

在忽略軸向元件的漏磁情況下，磁動勢方程為:

又因為:

氣隙磁阻遠大于鐵心磁阻，則軸向元件允許加力電壓范圍為:

軸向元件允許加力電壓與偏移量如圖7所示?？紤]實際工作情況下氣隙磁密低于飽和磁密，給出軸向加力電壓的范圍為3.6V～4.7V。工作時軸徑向采用統(tǒng)一的加力電源，給出最佳電壓為2V左右，可根據(jù)實驗過程中啟動時間和抗擾動測試等合理調(diào)整。

圖7　軸向元件允許加力電壓與偏移量Fig.7 Permissible axial component and offset voltage

3 仿真與實驗

3.1仿真計算

利用電磁仿真軟件Flux10.4對軸徑向元件進行建模，仿真計算在不同加力方式下電磁力的特點，三種加力方案分別為直流加力、正弦加力和方波加力。對三種加力方式在啟動、精確控制和定中這三個階段產(chǎn)生的電磁力進行仿真計算，結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8　精確控制階段電磁力Fig.8 Electromagnetic force of accurate control phase

圖9　定中階段電磁力Fig.9 Eletromanrtic force of determination phase

從仿真結(jié)果來看2V的情況下，三種加力電源均能產(chǎn)生符合設(shè)計指標的電磁力，但從最優(yōu)化設(shè)計角度分析，正弦加力時力的波形存在明顯尖峰，這樣作用下對浮子的沖擊比較明顯。

對三種力在1個控制周期內(nèi)積分求力的沖量，結(jié)果對比如表1、表2所示。

表1　一個周期內(nèi)電磁力沖量對比Table 1 Impulse of electromagnetic force within a period comparison

表2　加力電壓范圍Table 2 Range of biasing voltage

3.2實驗

仿真計算已經(jīng)給出了加力電壓，分析發(fā)現(xiàn)正弦加力存在尖峰，且力的沖量最小作用效果弱，因此僅對直流和方波在2V附近進行測試，主要考察陀螺精度、浮子定中精度和磁懸浮啟動時間。

從圖10可以看出在電壓比較低時，方波加力優(yōu)于直流加力。而從圖11可以看出方波的啟動時間要長，兩者啟動時間均在指標要求范圍內(nèi)，綜合考慮取1.8V方波電源作為加力電源。同時對方波加力下的定中精度進行觀測，如圖12所示，結(jié)果滿足要求。

圖10　電壓與精度測試Fig.10 Test of voltage and precision

圖11　電壓與啟動時間Fig.11 Voltage and starting time

圖12　不同方波電壓時定中精度Fig.12 The precision in different voltages

4 結(jié)論

對有源磁懸浮分時工作下加力時的軸、徑磁路進行了建模分析，給出加力電壓幅值為2V。Flux仿真分析加力電壓為2V時磁路未出現(xiàn)局部飽和，且電磁力滿足指標要求，同時排除正弦加力電源，通過實驗測試確定最佳加力電壓為1.8V方波電源。本文提出了確定有源磁懸浮加力電源的方法，為用好有源磁懸浮，提高陀螺精度奠定了基礎(chǔ)。

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Research of Active Magnetic Bearing Strength System in Three-floated Gyroscope

WU Liao，YANG Meng-xing，WANG Qing
（The 16thInstitute，China Aerospace Science and Technology Corporation，Xi'an 710100）

Three-floated gyroscope output shaft with active magnetic bearing system works under the sub-time control mode which parameter is the strength time.The selection of strength power will affect the amplitude and power consumption，and then affect the temperature distribution and precision of gyroscope.Flux electromagnetic simulation，a useful method based on magnetic circuit，is given after studied the electromagnetic properties of magnetic levitation element.Analysis gives that DC，SW and AC three kinds energizing power amplitude range，and 1.8V square wave force is the best option.Experimental results show that this method analysis energizing power is effective，while saving a lot of experiments to explore time.

three-floatedgyroscope；activemagneticbearing（AMB）；electromagneticsimulation；best afterburner power

V241.5

A

1674-5558（2016）02-01214

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.05.010

吳遼，男，碩士，研究方向為慣性儀表及設(shè)備、磁懸浮技術(shù)。

2015-12-09

國家自然科學基金（編號:61075030）