动调式陀螺测斜系统伺服控制电路的设计与实现

第32卷　第2期2008年4月

测　井　技　术

WELL LO GGIN G TECHNOLO GY

Vol.32　No.2

Apr2008

文章编号:100421338(2008)022*******

动调式陀螺测斜系统伺服控制电路的设计与实现

史晓锋,谢晋东,王　鑫

(北京航空航天大学电子信息工程学院,北京100083)

摘要:介绍了动调式陀螺测斜系统伺服控制再平衡回路的基本原理和工作特点。选择了耐高温、实现简单、工作稳定的模拟再平衡回路,它由前置放大、交流放大、同步解调、带阻滤波、直流放大与补偿部分完成力反馈信号的处理,由采样器和A/D构成测量回路。给出了再平衡回路的数学模型,捷联系统的解耦方法,以及前置放大电路和陷波电路的设计方案。试验表明其方位角测量重复性绝对误差仅为0.12°,达到了石油测井的精度要求。该设计方案已成功应用于动调式陀螺测斜系统,其测量精度高、收敛速度快、性能稳定。

关键词:动力调谐式陀螺;再平衡回路;解耦;陀螺测斜系统

中图分类号:P631.83 文献标识码:A

Design and R ealization of Control Loop in A Dynamically Tuned G yro Inclinometer

SHI Xiao2feng,XIE Jin2dong,WAN G Xin

(Electronic and Information Engineering,Bei Hang University,Beijing100083,China)

Abstract:Int roduced are basic principle and characters of servo rebalance control loop in a dy2 namically t uned gyro inclinometer system.Selected is high temperat ure endurable,easy realizable and working stable analog rebalance loop,which is compo sed of preamplifier,AC amplifier,syn2 chronous demodulator,bandstop filter,DC amplifier and compensating unit,to complete feed2 back signal of t he force;and t he measuring elect ronics are composed of sampling and A/D unit.

Mat h model of t he rebalance loop,decoupling met hod of t he st rap2down system and design scheme of t he p reamplier and notch filter are p ropo sed.Test shows t hat it s absolute error of re2 peatability in azimut hal measurement is only0.12°,meet s t he requirement of well logging in ac2 curacy.The design scheme has been applied in a dynamically t uned gyro inclinometer system wit h high p recision,high convergence rate and high stability.

K ey w ords:dynamically t uned gyro scope,rebalance loop,decoupling,gyro inclinometer system

0　引　言

陀螺测斜系统源于捷联式惯性导航技术[1],其核心部件是惯性测量组件,包括1个双自由度动力调谐式陀螺和2个石英加速计。该技术采用惯性测量组件直接固连在载体上,通过建立捷联数学模型完成惯性导航数据的解释计算,进而确定空间某点方位。

捷联式惯性导航系统中的陀螺是用来测量陀螺坐标系相对于惯性空间的角位移,为了提高测量精度,把它设计成一个闭环测量系统。文中设计一套伺服控制回路,其作用是通过角度传感器随时检测敏感陀螺输出轴的转角,经过放大,反馈到陀螺力矩器,用力矩器产生的力矩去平衡输入角速率引起的陀螺力矩,通过测量反馈力矩的大小和方向来测量陀螺力矩的大小和方向,就可以测出输入角速度值,进而解算出角增量值,作为导航计算的依据。

1　伺服控制回路的基本原理

动力调谐陀螺仪在捷联式惯导系统中使用时,陀螺信号器用来检测壳体相对转子自转轴的偏角,

作者简介:史晓峰男,1974年生,讲师,博士,主要从事测控系统、传感技术、光电探测等方面的研究。

信号器的输出即为力反馈电路的输入,经力反馈电

路产生的电流输入到陀螺力矩器,形成一个绕输出轴的力矩。在理想情况下,该力矩与由壳体绕输入轴产生的陀螺进动力矩平衡,从而使陀螺仪主轴始终保持稳定。输给力矩器的电流可以是模拟量,也可以是数字量,该电流是陀螺壳体绕输入角速率进动的直接量度。也就是说,应用于捷联系统中的动力调谐陀螺仪必须工作于闭环状态。它将其信号器产生的与陀螺仪进动角速率成比例的电压信号变换成电流信号,通入力矩器,产生绕输出轴的力矩,迫使陀螺绕输入轴进动。当这一进动的角速度与输入角速度方向相同、大小相等时,陀螺仪主轴达到新的平衡状态,由原来的静止平衡状态过渡到新的运动平衡状态,通常称这一平衡为再平衡,其伺服控制回路也称为再平衡回路。动调式陀螺仪的结构如图1所示[2]

。

图1　动调式陀螺仪示意图

由上述说明可知再平衡回路具有下列功能。

(1)在陀螺仪随其载体运动的过程中,保证陀螺转子跟随其壳体运动,防止因主轴进动使陀螺转子与其壳体碰撞而失去测量功能;

(2)改善陀螺仪性能,扩大陀螺仪量程范围;(3)测量流经力矩器的反馈电流,可间接地获得输入陀螺仪的载体运动角速度的大小。因此,再平衡回路不仅是一个锁定回路,也是一个测量回路。

2　再平衡回路的分类与选择

再平衡回路按对力矩器施加电流方式的不同,可分为模拟再平衡回路和脉冲再平衡回路2种[324]。2.1　模拟再平衡回路

模拟再平衡回路中,流经力矩器的是连续变化

的缓慢直流量。由于模拟式仪表精度偏低,为了较精确地测量力矩器电流,同时又便于与数字计算机相配合,一般采用精密电阻对电流信号进行变换,使之成为电压信号,再用V/F 或A/D 转换电路将其转变为数字信号。

模拟再平衡回路线路简捷、可靠、体积小、成本低、重量轻,但对陀螺仪力矩器的线性度、A/D 转换线路的线性度和分辨率等均提出了较为严格的要求,这些要求与现实性之间的矛盾制约了敏感元件系统整体性能的提高。2.2　脉冲再平衡回路

脉冲再平衡回路中,对力矩器施加幅值恒定的电流,将漂移信号或载体的运动信息调制在电流方向和持续时间上。脉冲再平衡回路的输出是幅值恒定的脉冲电流,对力矩器的要求由全工作范围内的线性度转变为2个工作点的对称性,在脉冲电流的激励下,作用于陀螺仪的反馈力矩是脉冲力矩。因此,脉冲再平衡回路有利于构成1个高性能的敏感元件系统。但是脉冲再平衡回路结构较为复杂、体积较大,而且脉冲方式下力矩器成为1个功率恒定的热源,不利于陀螺仪在高温环境下工作。2.3　陀螺测斜系统中再平衡回路的选择

石油用陀螺系统在设计时应当考虑具体的使用环境。

测井仪器舱可以看作是一个狭长的圆筒,为了使仪器可以在套管、油管、钻杆内进行测量,仪器的外径不应大于48mm ,在有些使用小直径管件的油井中,要求设备的最大外径不得大于39mm 。

在航空航天应用领域,更多地考虑陀螺的低温使用环境,一般为-40℃～85℃,而在石油测井领域,更关心高温性能,测井仪器至少可以工作在-10℃～125℃的环境中,部分场合会要求175℃的环境温度。系统要求稳定可靠,油井开发的费用十分昂贵,测井设备能否稳定、准确地进行测量至关重要,因此测井用陀螺仪的工作应当十分稳定。

模拟再平衡回路虽然在精确度方面稍逊,但是其实现简单、工作稳定、成本较低、更适合于石油工程的应用。

3　再平衡回路的构成与模型

3.1　回路构成

图2为再平衡回路的结构框图。其中前置放

大、交流放大、同步解调、带阻滤波、直流放大与补偿

・071・测　井　技　术 2008年