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電動陀螺儀
閱讀�4341時間�2017-10-14 09:30:54

    陀螺儀是慣性器件之一,由于陀螺在任何�(huán)境下都具有自主導航能力的特性,自問世以�,就引起人們極大關�,被廣泛運用于航海、航�、航天、軍事等領域。電動陀螺儀便是電驅動的陀螺儀�

相關知識

    陀螺電機的�(fā)展及其作�
    陀螺電機是陀螺儀的一部分,電機轉子就是陀螺儀的飛�,在高速旋轉下構成陀螺儀最本質(zhì)的物理性質(zhì)—陀螺效�。陀螺電機在原理上與一般電機沒有本�(zhì)差別,但它的設計,制造精度應服從于陀螺儀的需�。轉子的轉動慣量比一般普通電機要大,轉速高且穩(wěn)�,電機抗干擾能力強,�(fā)熱量�,對陀螺轉子不�(chǎn)生附加干擾力矩,啟動時間�,重復性好,結構簡單等。早期的陀螺儀采用的是火藥驅動,穩(wěn)定性和可重復性較�,而且火藥燃燒的廢物對陀螺的平衡�(chǎn)生較大干�,使陀螺儀�(chǎn)生漂移。后來采用直流有刷電�,雖然直流有刷電機轉速比較容易控制,但直流有刷電機的采用電刷換相,換相過程中會有較大的接觸摩擦,還會�(chǎn)生電火花,導致電磁干擾。后來又有人采用交流電機,這種電機雖然去掉了電�,簡化了結構,提高了可靠性和安全�,但是它的轉速不好控�,穩(wěn)定性不�,這在高精度陀螺儀中是不允許的。后來出�(xiàn)了直流無刷電�,到 20 世紀 70 年代�,由于電子技術的飛速發(fā)�,解決了高控制精�,高可靠性的直流無刷電機不能自啟動的難題。因�,高精度,高可靠�,低功耗的直流無刷電機在陀螺儀中得到了廣泛應用�
    永磁無刷直流電動�
    永磁無刷直流電動機的�(yōu)點是:效率高,一般可� 90%--98%。轉速穩(wěn)定度高;采用閉環(huán)系統(tǒng) PID 技術后,抗干擾能力�、精度高、重復性好;結構簡單、工作可�。永磁同步電動機的缺點是:電機本身無啟動轉�、啟動困�、有死點,必須采用電子啟動電路才能順利啟�。但一�(jīng)啟動,它將快速達到額定、同步轉�。鑒于永磁同步電動機具有上述�(yōu)�,電子啟動電路亦易實�(xiàn),故在隨機漂移小�的框架式陀螺儀中得到了廣泛的應��

原理

    陀螺儀原理
    高速旋轉的物體的旋轉軸,對于改變其方向的外力作用有趨向于垂直方向的傾向。而且,旋轉物體在橫向傾斜�,重力會向增加傾斜的方向作用,而軸則向垂直方向運動,就�(chǎn)生了搖頭的運動(歲差運動�。當陀螺經(jīng)緯儀的陀螺旋轉軸以水平軸旋轉�,由于地球的旋轉而受到鉛直方向旋轉力,陀螺的旋轉體向水平面內(nèi)的子午線方向�(chǎn)生歲差運動。當軸平行于子午線而靜止時可加以應��
    陀螺儀基本上就是運用物體高速旋轉時,角動量很大,旋轉軸會一直穩(wěn)定指向一個方向的性質(zhì),所制造出來的定向儀器。不過它必需轉得夠快,或者慣量夠�(也可以說是角動量要夠�)。不�,只要一個很小的力矩,就會嚴重影響到它的�(wěn)定��
    用四個質(zhì)點ABCD來表示邊上的區(qū)域,這個邊對于用圖來解釋陀螺儀的工作原理是很重要的。軸的底部被托住靜止但是能夠各個方向旋�。當一個傾斜力作用在頂部的軸上的時�,質(zhì)點A向上運動,質(zhì)點C則向下運�,如
    其中的子�1。因為陀螺儀是順時針旋轉,在旋轉90度角之后,質(zhì)點A將會到達�(zhì)點B的位�。CD兩個質(zhì)點的情況也是一樣的。子�2中質(zhì)點A當處于如圖的90度位置的時候會繼續(xù)向上運動,質(zhì)點C也繼�(xù)向下。AC�(zhì)點的組合將導致軸在子�2所示的運動平面�(nèi)運動。一個陀螺儀的軸在一個合適的角度上旋�,在這種情況下,如果陀螺儀逆時針旋�,軸將會在運動平面上向左運動。如果在順時針的情況�,傾斜力是一個推力而不是拉力的�,運動將會向左發(fā)生。在子圖3�,當陀螺儀旋轉了另一�90度的時候,�(zhì)點C在質(zhì)點A受力之前的位�。C�(zhì)點的向下運動受到了傾斜力的阻礙并且軸不能在傾斜力平面上運�。傾斜力推軸的力量越�,當邊緣旋轉大約180度時,另一側的邊緣推動軸向回運��
    光電編碼器在電動陀螺儀中的作用
    陀螺儀在工作過程中,可以通過實時測量火箭彈滾轉的角度來計算火箭彈的滾轉速度。最初的框架式陀螺儀采用接觸電刷式角度傳感器來測量火箭的姿態(tài)角及其滾轉速度,但是接觸摩擦力對陀螺儀的影響很�,將使陀螺儀�(chǎn)生較大的漂移;后來采用了霍爾角度傳感�,雖然霍爾傳感器基本不產(chǎn)生摩擦,減小了漂�,但是霍爾傳感制造復雜,而且精度不高,不能準確的測出火箭的飛行姿�(tài)角以及滾轉速度?,F(xiàn)在由于單片機的出�(xiàn)和空間技術的�(fā)�,出�(xiàn)了把軸角位置轉換成對應的�(shù)字代碼的無接觸傳感器也就是光電軸角編碼器。它用光電方法將軸角轉換成電壓信�,再�(jīng)過電路處理為�(shù)字代碼形�。它又分為式和增量式兩種編碼�。其中增量式編碼器是將輸入軸角分為多個單位增�,敏感元件對這些增量響應。每當出�(xiàn)一個單位增量時,敏感元件就向計�(shù)器發(fā)出一個脈�,計�(shù)器把這些脈沖累加起來,并以二-十進制�(shù)字碼的形式再由輸出端給出所需要的輸入角度的瞬時信息。由于發(fā)光元件和接收元件之間沒有任何摩擦,減小了陀螺儀的漂�,同時數(shù)字信號準確穩(wěn)�,提高了檢測的可靠��

�(fā)�

    二十世紀初,由于航海事業(yè)的興起和北極探險的需�,促進了陀螺儀技術的�(fā)�,而且,當時異步電動機和滾珠軸承也都達到了一定的水平。安休茲� 1908 年在德國、斯派利� 1911 年在美國,先后各制成一種原理基本相同而結構不同的陀螺羅盤,用來測量輪船的航�。陀螺儀在航空上的應用比航海稍晚�。從二十年代到三十年�,在飛機上相繼使用了陀螺儀轉彎儀、陀螺地平儀和陀螺半羅盤,提供飛機轉�、姿�(tài)和航向指�。三十年代中�,在飛機自動駕駛儀中使用了垂直陀螺儀、航向陀螺儀和速率陀螺儀,作為飛機姿�(tài)、航向和角速度的敏感元�。從四十年代到五十年�,航空陀螺儀表向組合式方向發(fā)展,相繼出現(xiàn)了陀螺磁羅盤、全姿態(tài)組合陀螺儀和陀螺穩(wěn)定平�。六十年代以后,姿態(tài)和航向的顯示從原先機械式的發(fā)展成為電子式的綜合顯�。如在平視顯示儀中就把姿�(tài)和航向等多種信息綜合在一起顯�,使得飛行員能夠直觀、形象而迅速地判讀出各種信��
    我國的慣導技術近年來已經(jīng)取得了長足進步,液浮陀螺平臺慣性導航系�(tǒng)、動力調(diào)諧陀螺四軸平臺系�(tǒng)已相繼應用于長征系列運載火箭。其他各類小型化捷聯(lián)慣導、光纖陀螺慣導、激光陀螺慣導以及匹� GPS 修正的慣導裝置等也已�(jīng)大量應用于戰(zhàn)術制導武�、飛機、艦�、運載火�、宇宙飛船等。如漂移� 0.01°~0.02°/h 的新型激光陀螺捷�(lián)系統(tǒng)在新型戰(zhàn)機上的試飛,漂移�0.05°/h 以下的光纖陀�、捷�(lián)慣導在艦�、潛艇上的應�,以及小型化撓性捷�(lián)慣導在各類導彈制導武器上的應用,都極大的改善了我軍裝備的性能。由于我國的近距攻擊制導中,對陀螺儀的精度要求不像遠程攻擊那樣高,因而采用了價格便宜的原始的框架式機械慣性陀螺儀,這種陀螺儀大多采用傳統(tǒng)的火藥驅�,也就是燃氣陀�,工作很不穩(wěn)�,更為重要的是它不可�,只能是一次性使�,所以先進穩(wěn)�,成本低廉,精度較高,可以重復測試的電動陀螺儀就成為我國未來短程精確制導武器的重點�(fā)展對��

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