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CN108872636B - 一种两轴框架摆式加速度计 - Google Patents

一种两轴框架摆式加速度计 Download PDF

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CN108872636B CN201810665382.8A CN201810665382A CN108872636B CN 108872636 B CN108872636 B CN 108872636B CN 201810665382 A CN201810665382 A CN 201810665382A CN 108872636 B CN108872636 B CN 108872636B
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acceleration
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    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
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Abstract

本发明公开了一种两轴框架摆式加速度计，包括：内框架轴角度传感器、内框架轴放大器、内框架轴控制器组件、外框架轴角度传感器、外框架轴放大器、外框架轴控制器组件和摆片。本发明通过两个框架给摆片提供两个方向的角运动的自由度，当基座沿其中一个框架轴方向存在视加速度时，在另一个框架轴上将产生力矩带动摆片转动，角度传感器将测量到的摆片转动角度传输给控制器，控制器通过控制力矩电机的输出力矩平衡由基座加速度产生的力矩，使摆片稳定在零位附近，从而根据力矩电机控制电流和基座加速度的比例关系，可以获得基座加速度的大小，实现两个方向加速度的同步测量，结构简单，体积小，便于控制，可靠性高。

Description

一种两轴框架摆式加速度计
技术领域
本发明属于高精度视加速度测量的航空、航天技术领域，尤其涉及一种两轴框架摆式加速度计。
背景技术
摆片式加速度计由检测质量构成单摆，在加速度的作用下绕输出轴作角运动。常见的摆式加速度计包括宝石支承加速度计、液浮摆式加速度计、挠性摆式加速度计等。在高精度惯性稳定平台中，目前主要采用石英挠性摆式加速度计和摆式积分陀螺加速度计。而这些摆式加速度计的摆片由于仅包含一个方向的角运动自由度，均为单自由度加速度计，即每个加速度计仅能敏感一个方向的视加速度。因此，在惯性稳定平台系统中，需要沿正交的三个方向安装三块加速度计才能实现系统全方向加速度的测量。如果能够增加摆片的角运动自由度并有效控制，则可以实现两个方向加速度的测量，将极大的减小加速度计体积，从而减小惯性平台系统中加速度的占用空间，缩小惯性平台系统体积。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种两轴框架摆式加速度计，具备敏感两个方向的视加速度能力，旨在通过框架增加加速度计摆片角运动自由度，实现两个方向加速度的测量，从而减小惯性平台系统体积。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种两轴框架摆式加速度计，包括：内框架轴角度传感器(1)、内框架轴放大器(2)、内框架轴控制器组件(3)、外框架轴角度传感器(4)、外框架轴放大器(5)、外框架轴控制器组件(6)和摆片(7)；
摆片(7)安装在内框架轴(8)上；
内框架轴角度传感器(1)和内框架轴控制器组件(3)分别安装在内框架轴(8)的两个轴端；内框架轴角度传感器(1)、内框架轴放大器(2)和内框架轴控制器组件(3)依次连接；
外框架轴角度传感器(4)和外框架轴控制器组件(6)分别安装在外框架轴(9)的两个轴端；外框架轴角度传感器(4)、外框架轴放大器(5)和外框架轴控制器组件(6)依次连接；
内框架轴(8)安装在外框架(10)上，内框架轴(8)与外框架轴(9)相互垂直；
外框架轴(9)与基座相连，基座直接与被测载体连接，用于测量载体加速度。
在上述两轴框架摆式加速度计中，摆片(7)运动的动力学模型表示为：
Figure BDA0001707533670000021
其中，α表示外框架相对基座的角度，β表示内框架相对外框架的角度；ax表示仪表沿外框架轴输入的视加速度，ay表示仪表沿内框架轴输入的视加速度；ml表示仪表沿内框架轴的摆性；Mx表示绕外框架轴的各种干扰力矩之和，My表示绕内框架轴的各种干扰力矩之和；MDx表示外框架轴力矩电机产生的控制力矩，MDy表示内框架轴力矩电机产生的控制力矩；Jx表示外框架的转动惯量，Jy表示内框架的转动惯量，Cx表示外框架的转动阻尼系数，Cy表示内框架轴的转动阻尼系数；φX0、φY0分别表示基座绕x和y轴转动的角速度。
在上述两轴框架摆式加速度计中，内框架轴控制器组件(3)，包括：内框架轴控制器、内框架轴力矩电机和内框架轴输出装置；
内框架轴控制器，用于接收内框架轴放大器(2)输入的Y轴方向的角度变化信号，控制内框架轴力矩电机产生与所述Y轴方向的角度变化信号相匹配的控制力矩，以控制内框架轴(8)回到零位；
内框架轴输出装置，用于根据内框架轴控制器产生的电流，以及电流与加速度的比例关系，输出载体X方向运动的加速度。
在上述两轴框架摆式加速度计中，所述与所述Y轴方向的角度变化信号相匹配的控制力矩MDy表示为：
Figure BDA0001707533670000031
Gβ(s)表示表示外框架稳定回路传递函数。
在上述两轴框架摆式加速度计中，内框架轴输出装置输出的载体X方向运动的加速度表示为：
Figure BDA0001707533670000032
在上述两轴框架摆式加速度计中，外框架轴控制器组件(6)，包括：外框架轴控制器、外框架轴力矩电机和外框架轴输出装置；
外框架轴控制器，用于接收外框架轴角度传感器(4)输入的X轴方向的角度变化信号，控制外框架轴力矩电机产生与所述X轴方向的角度变化信号相匹配的控制力矩，以控制外框架轴(9)回到零位；
外框架轴输出装置，用于根据外框架轴控制器产生的电流，以及电流与加速度的比例关系，输出载体Y方向运动的加速度。
在上述两轴框架摆式加速度计中，所述与所述X轴方向的角度变化信号相匹配的控制力矩MDx表示为：
Figure BDA0001707533670000033
Gα(s)表示内框架稳定回路传递函数。
在上述两轴框架摆式加速度计中，外框架轴输出装置输出的载体Y方向运动的加速度表示为：
Figure BDA0001707533670000034
本发明具有以下优点：
(1)本发明所述的两轴框架摆式加速度计利用框架结构增加了摆片的角运动自由度，实现一个加速度计两个方向加速度的同步测量，有效地减小了加速度计的使用体积。
(2)本发明所述的两轴框架摆式加速度计由两个框架、一个摆片和控制回路构成，结构简单，易于加工，便于控制。
(3)本发明所述的两轴框架摆式加速度计相比于陀螺加速度计、液浮摆式加速度计等其他支撑形式的加速度计，由框架结构提供支撑，结构性能更加稳定，可靠性高。
(4)本发明所述的两轴框架摆式加速度计，具备自标定功能，通过改变外框架和内框架的角度可实现质量摆相对于基座的不同方位，实现误差的标定和补偿功能，提高加速度计的使用精度。
附图说明
图1是本发明实施例中一种两轴框架摆式加速度计的结构示意图；
图2是本发明实施例中一种两轴框架摆式加速度计的测量示意图；
图3是本发明实施例中一种载体X方向运动的反馈控制框图；
图4是本发明实施例中一种载体Y方向运动的反馈控制框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
参照图1，示出了本发明实施例中一种两轴框架摆式加速度计的结构示意图。在本实施例中，所述两轴框架摆式加速度计，包括：内框架轴角度传感器1、内框架轴放大器2、内框架轴控制器组件3、外框架轴角度传感器4、外框架轴放大器5、外框架轴控制器组件6和摆片7。
如图1，摆片7安装在内框架轴8上；内框架轴角度传感器1和内框架轴控制器组件3分别安装在内框架轴8的两个轴端；内框架轴角度传感器1、内框架轴放大器2和内框架轴控制器组件3依次连接；外框架轴角度传感器4和外框架轴控制器组件6分别安装在外框架轴9的两个轴端；外框架轴角度传感器4、外框架轴放大器5和外框架轴控制器组件6依次连接；内框架轴8安装在外框架10上，内框架轴8与外框架轴9相互垂直；外框架轴9与基座相连，基座直接与被测载体连接，用于测量载体加速度。
在本发明的一优选实施例中，摆片7运动的动力学模型可以表示为：
Figure BDA0001707533670000051
其中，α表示外框架相对基座的角度，β表示内框架相对外框架的角度；ax表示仪表沿外框架轴输入的视加速度，ay表示仪表沿内框架轴输入的视加速度；ml表示仪表沿内框架轴的摆性；Mx表示绕外框架轴的各种干扰力矩之和，My表示绕内框架轴的各种干扰力矩之和；MDx表示外框架轴力矩电机产生的控制力矩，MDy表示内框架轴力矩电机产生的控制力矩；Jx表示外框架的转动惯量，Jy表示内框架的转动惯量，Cx表示外框架的转动阻尼系数，Cy表示内框架轴的转动阻尼系数；φX0、φY0分别表示基座绕x和y轴转动的角速度。
在本发明的一优选实施例中，内框架轴控制器组件3具体可以包括：内框架轴控制器、内框架轴力矩电机和内框架轴输出装置。其中，内框架轴控制器，用于接收内框架轴放大器2输入的Y轴方向的角度变化信号，控制内框架轴力矩电机产生与所述Y轴方向的角度变化信号相匹配的控制力矩，以控制内框架轴8回到零位；内框架轴输出装置，用于根据内框架轴控制器产生的电流，以及电流与加速度的比例关系，输出载体X方向运动的加速度。
优选的，所述与所述Y轴方向的角度变化信号相匹配的控制力矩MDy可以表示为：
Figure BDA0001707533670000052
Gβ(s)表示外框架稳定回路传递函数。
优选的，内框架轴输出装置输出的载体X方向运动的加速度可以表示为：
Figure BDA0001707533670000061
在本发明的一优选实施例中，外框架轴控制器组件6，具体可以包括：外框架轴控制器、外框架轴力矩电机和外框架轴输出装置。其中，外框架轴控制器，用于接收外框架轴角度传感器4输入的X轴方向的角度变化信号，控制外框架轴力矩电机产生与所述X轴方向的角度变化信号相匹配的控制力矩，以控制外框架轴9回到零位；外框架轴输出装置，用于根据外框架轴控制器产生的电流，以及电流与加速度的比例关系，输出载体Y方向运动的加速度。
优选的，所述与所述X轴方向的角度变化信号相匹配的控制力矩MDx可以表示为：
Figure BDA0001707533670000062
Gα(s)表示内框架稳定回路传递函数。
优选的，外框架轴输出装置输出的载体Y方向运动的加速度可以表示为：
Figure BDA0001707533670000063
如前所述，在本实施例中，两轴框架摆式加速度计的工作原理可以如下：内框架轴角度传感器1测量内框架轴转动角度，并通过内框架轴放大器2传输到内框架轴控制器组件3，内框架轴控制器组件3下的内框架轴控制器通过驱动内框架轴力矩电机使内框架轴稳定在零值附近，同时内框架轴控制器输出内框架轴力矩电机驱动电流大小；类似地，摆片和内框架轴通过框架连接在外框架轴上，外框架轴角度传感器4测量外框架轴转动角度，并通过外框架轴放大器5传输到外框架轴控制器组件6，外框架轴控制器组件6下的外框架轴控制器通过驱动外框架轴力矩电机使外框架轴稳定在零值附近，同时外框架轴控制器输出外框架轴力矩电机驱动电流大小。
基于上述实施例，下面结合一个具体的应用场景对所述两轴框架摆式加速度计进行详细说明。
在本实施例中，参照图2，示出了本发明实施例中一种两轴框架摆式加速度计的测量示意图。优选的，两轴框架摆式加速度计的测量过程如下：当在一个轴方向存在加速度时，摆片将沿另一个轴转动，此时角度传感器将测量到转动轴的角度变化，控制器通过控制力矩电机，将转轴稳定在零位，同时，控制器输出力矩电机控制电流。根据电流与加速度的比例关系，即可获得加速度的大小。
如前所述，摆片存在两个方向角运动的自由度，摆片运动的动力学模型可以表示为：
Figure BDA0001707533670000071
通过内外框架轴力矩电机分别反馈控制内外框架轴的转角，两个方向的反馈控制框图分别如图3和图4所示。
设C(s)＝Jys2+Cys，D(s)＝Jxs2+Cxs
根据力矩电机的反馈控制，可以得到由基座加速度产生的电机力矩为：
Figure BDA0001707533670000072
电机力矩作用在转轴上并保持转轴稳定在零位，根据电机力矩的表达式，通过测量力矩电机的控制电流Ix和Iy的大小，可以获得包含干扰力矩作用和基座角运动影响的基座相对于惯性空间的加速度的近似值a′y和ax′表达如下：
Figure BDA0001707533670000073
根据加速度近似值a′y和ax′可知，当工作带宽在系统控制带宽范围内，加速度的近似表达式化简为：
Figure BDA0001707533670000081
当加速度计隔离基座角运动且干扰力矩可以忽略不计时，测量得到的加速度则与真实加速度(视加速度)的大小相等：
Figure BDA0001707533670000082
可见，本发明所述的两轴框架摆式加速度计可以实现两个方向加速度的同步测量，结构简单，体积小，便于控制，可靠性高。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种两轴框架摆式加速度计，其特征在于，包括：内框架轴角度传感器(1)、内框架轴放大器(2)、内框架轴控制器组件(3)、外框架轴角度传感器(4)、外框架轴放大器(5)、外框架轴控制器组件(6)和摆片(7)；
摆片(7)安装在内框架轴(8)上；
内框架轴角度传感器(1)和内框架轴控制器组件(3)分别安装在内框架轴(8)的两个轴端；内框架轴角度传感器(1)、内框架轴放大器(2)和内框架轴控制器组件(3)依次连接；
外框架轴角度传感器(4)和外框架轴控制器组件(6)分别安装在外框架轴(9)的两个轴端；外框架轴角度传感器(4)、外框架轴放大器(5)和外框架轴控制器组件(6)依次连接；
内框架轴(8)安装在外框架(10)上，内框架轴(8)与外框架轴(9)相互垂直；
外框架轴(9)与基座相连，基座直接与被测载体连接，用于测量载体加速度；
内框架轴控制器组件(3)，包括：内框架轴控制器、内框架轴力矩电机和内框架轴输出装置；其中，内框架轴控制器，用于接收内框架轴放大器(2)输入的Y轴方向的角度变化信号，控制内框架轴力矩电机产生与所述Y轴方向的角度变化信号相匹配的控制力矩MDy，以控制内框架轴(8)回到零位；内框架轴输出装置，用于根据内框架轴控制器产生的电流，以及电流与加速度的比例关系，输出载体X方向运动的加速度；
外框架轴控制器组件(6)，包括：外框架轴控制器、外框架轴力矩电机和外框架轴输出装置；其中，外框架轴控制器，用于接收外框架轴角度传感器(4)输入的X轴方向的角度变化信号，控制外框架轴力矩电机产生与所述X轴方向的角度变化信号相匹配的控制力矩MDx，以控制外框架轴(9)回到零位；外框架轴输出装置，用于根据外框架轴控制器产生的电流，以及电流与加速度的比例关系，输出载体Y方向运动的加速度；
其中，摆片(7)运动的动力学模型表示为：
Figure FDA0002734126420000021
其中，α表示外框架相对基座的角度，β表示内框架相对外框架的角度；ax表示仪表沿外框架轴输入的视加速度，ay表示仪表沿内框架轴输入的视加速度；ml表示仪表沿内框架轴的摆性；Mx表示绕外框架轴的各种干扰力矩之和，My表示绕内框架轴的各种干扰力矩之和；Jx表示外框架的转动惯量，Jy表示内框架的转动惯量，Cx表示外框架的转动阻尼系数，Cy表示内框架轴的转动阻尼系数；φX0、φY0分别表示基座绕x和y轴转动的角速度。
2.根据权利要求1所述的两轴框架摆式加速度计，其特征在于，所述与所述Y轴方向的角度变化信号相匹配的控制力矩MDy表示为：
Figure FDA0002734126420000022
Gβ(s)表示内框架稳定回路传递函数。
3.根据权利要求2所述的两轴框架摆式加速度计，其特征在于，内框架轴输出装置输出的载体X方向运动的加速度表示为：
Figure FDA0002734126420000023
4.根据权利要求1所述的两轴框架摆式加速度计，其特征在于，所述与所述X轴方向的角度变化信号相匹配的控制力矩MDx表示为：
Figure FDA0002734126420000024
Gα(s)表示外框架稳定回路传递函数。
5.根据权利要求4所述的两轴框架摆式加速度计，其特征在于，外框架轴输出装置输出的载体Y方向运动的加速度表示为：
Figure FDA0002734126420000031
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