專(zhuān)利名稱(chēng)：一種陀螺相位響應(yīng)的測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)指標(biāo)測(cè)量領(lǐng)域，提出了一種陀螺相位響應(yīng) 的測(cè)量裝置及方法。
技術(shù)背景-
陀螺是慣性控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件，廣泛應(yīng)用于武器制導(dǎo)，航空、 航天設(shè)備姿態(tài)控制等軍事民用領(lǐng)域，其精度對(duì)以上設(shè)備的性能有非常 重要的影響。
陀螺的主要技術(shù)指標(biāo)包括量程、比例因子、溫度漂移、時(shí)間漂 移、線形度誤差、分辨率等，對(duì)這些技術(shù)指標(biāo)，每個(gè)陀螺的數(shù)據(jù)手冊(cè) 均有詳細(xì)的說(shuō)明，很多科技文章也給出了各自的測(cè)試方法。但在具體 應(yīng)用中，陀螺是作為速度測(cè)量元件存在于設(shè)備控制系統(tǒng)中，而相位延 遲對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的影響，但多數(shù)陀螺數(shù)據(jù)手冊(cè)對(duì) 相位延遲這一指標(biāo)沒(méi)有具體描述，導(dǎo)致控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法對(duì)陀螺引 起的相位延遲進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)建模，從而給控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)帶 來(lái)較大的困難。例如一般控制系統(tǒng)速度環(huán)剪切頻率處的相位裕度小于
90度，如果陀螺在該頻點(diǎn)處的相位延遲為90度，無(wú)論怎樣修改控制
系統(tǒng)的校正參數(shù)，系統(tǒng)均不會(huì)穩(wěn)定。
隨著對(duì)制導(dǎo)精度，平臺(tái)穩(wěn)定精度的要求越來(lái)越高，迫切需要一種既有一定精度又簡(jiǎn)便易行的陀螺相位響應(yīng)測(cè)試方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了增強(qiáng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，提高總體設(shè)備的控制精度，本 發(fā)明提出了一種陀螺相位響應(yīng)的測(cè)量裝置及方法，使用本方法可以獲 得陀螺在控制系統(tǒng)帶寬內(nèi)的相位信息。
一般位置系統(tǒng)的測(cè)量元件為電位計(jì)，電位計(jì)為阻性器件，其電感、 電容值非常小，因此電位計(jì)的輸出對(duì)輸入的相位延遲可以忽略不計(jì)。
例如一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)作頻率為f的正弦擺動(dòng)，電位計(jì)的輸出值與轉(zhuǎn)臺(tái)所處的 位置一一對(duì)應(yīng)，二者在時(shí)間上可以認(rèn)為是同步的。設(shè)轉(zhuǎn)臺(tái)的角度為^， 單位為弧度；電位計(jì)輸出電壓為v，單位為伏特。二者關(guān)系如式l所 示，其中&為修正系數(shù)，單位為弧度/伏特。
p二A: v (1)
對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的角度在時(shí)間上求導(dǎo)數(shù)，則可以得到轉(zhuǎn)臺(tái)的角速度，如式
2所示
(2)
雖然電位計(jì)的精度較差， 一般僅為0.1%，考慮到噪聲以及裝配 的原因，對(duì)其求導(dǎo)得到的平臺(tái)角速度值誤差要大于0.1%，但該角速
度與轉(zhuǎn)臺(tái)真實(shí)角速度在相位上可以認(rèn)為是無(wú)延遲的，且該角速度與陀 螺的響應(yīng)在波形的形狀上是相似的，僅相差一個(gè)比例系數(shù)，二者的相 位延遲即是待測(cè)陀螺在頻率f處的相位響應(yīng)信息。
陀螺在控制系統(tǒng)帶寬內(nèi)各頻點(diǎn)處的相位延遲是不同的，在測(cè)量陀 螺相位響應(yīng)時(shí)，對(duì)控制系統(tǒng)帶寬內(nèi)每個(gè)點(diǎn)均應(yīng)測(cè)量，然后對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行擬和，即可得到待測(cè)陀螺在系統(tǒng)帶寬內(nèi)的相位響應(yīng)。
該陀螺相位響應(yīng)的測(cè)量裝置包括待測(cè)陀螺，轉(zhuǎn)臺(tái)，電位計(jì)，數(shù)據(jù) 采集與處理系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，各主要部件連接關(guān)系及裝配技術(shù)要 求如下
為避免非正交性引起的誤差，陀螺敏感角速度的方向應(yīng)與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn) 軸方向平行；為保證系統(tǒng)能夠做規(guī)則的正弦擺動(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)矩要求平
衡，且電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩要大，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)要保證電位計(jì)的值在0V 15V 之間線形變化；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與處理系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行實(shí) 時(shí)采集陀螺與電位計(jì)的值，對(duì)采集到的電位計(jì)值求導(dǎo)；電機(jī)控制與驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生轉(zhuǎn)臺(tái)正弦擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)功率放大后輸入到轉(zhuǎn)臺(tái)電 機(jī)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)做正弦擺動(dòng)。
陀螺相位響應(yīng)的測(cè)量方法包括如下步驟
(1) 選擇測(cè)試的頻率f，利用數(shù)字信號(hào)處理器產(chǎn)生該頻率的正弦
脈沖調(diào)制信號(hào)，通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)級(jí)輸入到轉(zhuǎn)臺(tái)；
(2) 實(shí)時(shí)采集電位計(jì)與陀螺的信息；
(3) 對(duì)采集到的電位計(jì)值求導(dǎo)數(shù)；
(4) 通過(guò)比較待測(cè)陀螺的波形與電位計(jì)導(dǎo)數(shù)波形時(shí)間上的差異， 求出待測(cè)陀螺在f頻率處的相位延遲；
(5) 重復(fù)上述步驟，完成控制系統(tǒng)頻帶內(nèi)的陀螺延遲信息的測(cè)
(6) 根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合出陀螺的相位響應(yīng)。電位計(jì)對(duì)位置響應(yīng)相位延遲非常小，在時(shí)間上對(duì)其求導(dǎo)數(shù)即可得 到角速度信息，以該角速度為基準(zhǔn)，將待測(cè)陀螺的響應(yīng)與該值進(jìn)行比 較，即可得到待測(cè)陀螺的相位延遲信息。本發(fā)明在工程實(shí)際中實(shí)現(xiàn)起 來(lái)非常簡(jiǎn)單，能夠有效的給出待測(cè)陀螺的相位信息，從而提高控制系 統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。而且成本低廉，便于推廣。


圖1是本發(fā)明一種陀螺相位響應(yīng)的測(cè)量方法的實(shí)施例框圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明主要由待測(cè)陀螺1，轉(zhuǎn)臺(tái)2，電位計(jì)3，數(shù) 據(jù)采集與處理系統(tǒng)4，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5組成；
各主要部件連接關(guān)系及裝配要求如下待測(cè)陀螺1連接轉(zhuǎn)臺(tái)2， 為避免非正交性引起的誤差，陀螺1敏感角速度的方向應(yīng)與轉(zhuǎn)臺(tái) 2轉(zhuǎn)軸方向平行；轉(zhuǎn)臺(tái)2的轉(zhuǎn)矩要求平衡，保證系統(tǒng)能夠做規(guī)則的正 弦擺動(dòng)；且電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩要大，具體數(shù)值以確保轉(zhuǎn)臺(tái)能夠在測(cè)量頻 率范圍內(nèi)進(jìn)行正弦擺動(dòng)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，例如要測(cè)量陀螺在20Hz處的相 位響應(yīng)，則轉(zhuǎn)臺(tái)必須能夠在此頻率下進(jìn)行正弦運(yùn)動(dòng)，否則是不能夠進(jìn) 行測(cè)量的；電位計(jì)3在裝配的過(guò)程中要保證轉(zhuǎn)臺(tái)工作時(shí)電位計(jì)處在線 性范圍內(nèi)，例如電位計(jì)兩端輸入電壓分別為0V， 15V，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí) 要保證電位計(jì)的值在0V 15V之間線形變化，避免OV與15V和15V 與OV之間的跳變；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與處理系統(tǒng)4用來(lái)實(shí)時(shí)采集陀螺與 電位計(jì)的值，采用TMS320F2812為處理器，采集頻率為lKHz，對(duì) 采集到的電位計(jì)值求導(dǎo)，設(shè)電位計(jì)值為X(n)，則導(dǎo)數(shù)為X(n)-X(n-l);電機(jī)控制與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)5負(fù)責(zé)產(chǎn)生轉(zhuǎn)臺(tái)正弦擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由于控制
系統(tǒng)的閉環(huán)帶寬受限，可以使用TMS320F2812芯片產(chǎn)生一個(gè)正弦的 脈寬調(diào)制信號(hào)，經(jīng)功率放大后輸入到轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)做正弦擺動(dòng)。 利用以上描述的部件與結(jié)構(gòu)，陀螺相位響應(yīng)的測(cè)量步驟為
(1) 選擇測(cè)試的頻率f，利用數(shù)字信號(hào)處理器(TMS320F2812) 產(chǎn)生該頻率的正弦脈沖調(diào)制信號(hào)，通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)級(jí)輸入到轉(zhuǎn)臺(tái)；
(2) 實(shí)時(shí)采集電位計(jì)與陀螺的信息，采集頻率為500Hz 3KHz, 本實(shí)施例為lKHz，采集時(shí)間5秒~10秒，本實(shí)施例采集時(shí)間為5秒；
(3) 對(duì)采集到的電位計(jì)值求導(dǎo)數(shù)；
(4) 通過(guò)比較待測(cè)陀螺的波形與電位計(jì)導(dǎo)數(shù)波形時(shí)間上的差異， 求出待測(cè)陀螺在f頻率處的相位延遲；
(5) 重復(fù)上述步驟，完成控制系統(tǒng)頻帶內(nèi)的陀螺延遲信息的測(cè)
(6) 根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合出陀螺的相位響應(yīng)。
權(quán)利要求
1、一種陀螺相位響應(yīng)的測(cè)量裝置，其特征在于；該裝置包括待測(cè)陀螺(1)、轉(zhuǎn)臺(tái)(2)、電位計(jì)(3)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)(4)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(5)；各主要部件連接關(guān)系如下陀螺(1)連接轉(zhuǎn)臺(tái)(2)，為避免非正交性引起的誤差，陀螺(1)敏感角速度的方向與轉(zhuǎn)臺(tái)(2)轉(zhuǎn)軸方向平行，轉(zhuǎn)臺(tái)(2)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)要保證電位計(jì)(3)的值在0V～15V之間線形變化；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與處理系統(tǒng)(4)采用數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集陀螺與電位計(jì)的值，對(duì)采集到的電位計(jì)值求導(dǎo)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(5)產(chǎn)生轉(zhuǎn)臺(tái)正弦擺動(dòng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)功率放大后輸入到轉(zhuǎn)臺(tái)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)(2)做正弦擺動(dòng)。
2、 一種陀螺相位響應(yīng)的測(cè)量方法，其特征在于利用上述陀螺相 位響應(yīng)測(cè)量裝置的測(cè)量方法包括如下步驟(1) 選擇測(cè)試的頻率f，利用數(shù)字信號(hào)處理器，產(chǎn)生該頻率的正 弦脈沖調(diào)制信號(hào)，通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)級(jí)輸入到轉(zhuǎn)臺(tái)；(2) 實(shí)時(shí)采集電位計(jì)與陀螺的信息，采集頻率為500Hz 3KHz, 采集時(shí)間5秒 10秒；(3) 對(duì)采集到的電位計(jì)值求導(dǎo)數(shù)；(4) 通過(guò)比較待測(cè)陀螺的波形與電位計(jì)導(dǎo)數(shù)波形時(shí)間上的差異，求出待測(cè)陀螺在f頻率處的相位延遲；(5) 重復(fù)上述步驟，完成控制系統(tǒng)頻帶內(nèi)的陀螺延遲信息測(cè)量(6) 根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合出陀螺的相位響應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)指標(biāo)測(cè)量領(lǐng)域，提出了一種陀螺相位響應(yīng)的測(cè)量裝置及方法。該裝置包括待測(cè)陀螺，轉(zhuǎn)臺(tái)，電位計(jì)，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，各主要部件連接關(guān)系及技術(shù)要求如下陀螺敏感角速度的方向應(yīng)與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸方向平行；轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)矩要求平衡，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)要保證電位計(jì)的值在0V～15V之間線形變化；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與處理系統(tǒng)采用數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集陀螺與電位計(jì)的值，對(duì)采集到的電位計(jì)值求導(dǎo)；通過(guò)比較待測(cè)陀螺的波形與電位計(jì)導(dǎo)數(shù)波形時(shí)間上的差異，求出待測(cè)陀螺在f頻率處的相位延遲；本發(fā)明在工程實(shí)際中實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常簡(jiǎn)單，能夠有效的給出待測(cè)陀螺的相位信息，從而提高控制系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。而且成本低廉，便于推廣。
文檔編號(hào)G01C25/00GK101424543SQ20081005155
公開(kāi)日2009年5月6日 申請(qǐng)日期2008年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月9日
發(fā)明者王德江 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所