李 婧，張義福

（1.陜西寶成航空儀表有限責(zé)任公司裝配部，寶雞721006；2.陜西寶成航空儀表有限責(zé)任公司技術(shù)中心，寶雞721006）

0 引言

三自由度陀螺是導(dǎo)彈導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的核心慣性器件，利用其定軸性和進(jìn)動(dòng)性及其構(gòu)成的穩(wěn)定閉合回路來(lái)穩(wěn)定和控制雙軸穩(wěn)定平臺(tái)，為彈體提供慣性參考基準(zhǔn)，從而使導(dǎo)彈捕捉、跟蹤并擊中空中或地面目標(biāo)。如圖1所示，三自由度陀螺屬于小型轉(zhuǎn)子陀螺，由陀螺電機(jī)、傳感器、力矩器、內(nèi)外環(huán)架和殼體等組成。力矩器的永磁體 （5）與磁軛 （7）構(gòu)成一個(gè)直流閉合磁路， 和傳感器磁極 （8）一起與內(nèi)環(huán) （2）、 陀螺電機(jī) （1）軸剛性固連在一起。力矩器的繞組支架組件（6）處于直流閉合磁路的氣隙之間，并連接在陀螺殼體 （4）上，傳感器的定子組件 （10）也與陀螺殼體 （4）固連。 該陀螺結(jié)構(gòu)采用小型化和球面設(shè)計(jì)，具備撓性陀螺的特征，具有角位置和角速率雙重功能，其體積小、質(zhì)量小、精度高、進(jìn)動(dòng)角速度大、抗沖擊振動(dòng)等特點(diǎn)特別適合空空、空地導(dǎo)彈的導(dǎo)引控制系統(tǒng)，在空空、空地導(dǎo)彈中應(yīng)用較多。

圖1 三自由度陀螺的結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structural schematic diagram of the unrestrained gyroscope

傳感器是陀螺的重要部件，感應(yīng)陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子與殼體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)角度，輸出與角度成比例的電信號(hào)，并轉(zhuǎn)變?yōu)槌杀壤碾娦盘?hào)傳輸給控制系統(tǒng)。當(dāng)陀螺處于零位，即陀螺電機(jī)轉(zhuǎn)子與殼體的角度為零時(shí)，傳感器輸出信號(hào)即是陀螺零位信號(hào)。但實(shí)際上傳感器輸出陀螺零位包括陀螺真實(shí)零位和傳感器自身存在零位，當(dāng)傳感器自身存在較大零位時(shí)，傳感器輸出陀螺零位與陀螺真實(shí)零位存在偏差。對(duì)于傳感器自身零位問(wèn)題，在設(shè)計(jì)過(guò)程中已做了著重考慮，采用差動(dòng)技術(shù)進(jìn)行對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)就是從理論上消除零位誤差和偶次非線性項(xiàng)，但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，其制造精度和質(zhì)量的優(yōu)略決定了傳感器自身零位精度。本文針對(duì)制造過(guò)程中的一些因素進(jìn)行分析，在工藝上采用選配方法實(shí)現(xiàn)滿足對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)目的，以期望減小傳感器零位，提高傳感器輸出的陀螺零位精度。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

傳感器屬電磁感應(yīng)式 （變壓器式）傳感器。以X軸傳感器為例，如圖2所示，它由兩個(gè)相同的“山”型傳感器組成，分別在陀螺上、下兩端，“山”型傳感器由傳感器定子組件和傳感器磁極組成。傳感器定子組件包括U型鐵芯、激磁繞組、次級(jí)繞組，安裝在殼體上；傳感器磁極固裝在轉(zhuǎn)子組件上。

圖2 X軸傳感器結(jié)構(gòu)關(guān)系示意圖Fig.2 Structural diagram of X-axis sensor

“山”型傳感器是差動(dòng)互感式傳感器，由兩個(gè)相同對(duì)稱(chēng)的U型傳感器T1和T′1組成，二者同用一個(gè)激磁繞組，但初級(jí)繞組分開(kāi)，次級(jí)繞組反向串聯(lián)成合成繞組 （Uo1-U′o1）； 上、 下的“山” 型傳感器激磁繞組是并聯(lián)關(guān)系，激磁電壓為Uj，合成次級(jí)繞組同向串聯(lián)， 輸出Uo＝2× （Uo1-U′o1）。

當(dāng)陀螺工作在零位時(shí)，傳感器磁極停在 “山”型鐵芯的中央，其邊沿正好對(duì)準(zhǔn) “山”型T1、T′1兩側(cè)鐵芯磁極的S／2面積上，對(duì)應(yīng)面積相等，左、右兩端磁路的磁勢(shì)、磁通、磁阻相等，兩側(cè)鐵芯次級(jí)繞組產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)大小相等。由于兩感應(yīng)繞組反向串聯(lián)，電勢(shì)抵消，每個(gè)輸出端（Uo1-U′o1）無(wú)信號(hào)輸出，總輸出Uo為零。

當(dāng)內(nèi)環(huán)組件旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器磁極偏離零位，假設(shè)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。這時(shí)，上端 “山”型傳感器的磁極處在右邊，磁路面積發(fā)生了差動(dòng)變化，右側(cè)U型傳感器感應(yīng)電勢(shì)大于左側(cè)，輸出端（Uo1-U′o1）有差值電壓輸出； 下端“山” 型傳感器的磁極處在左邊，磁路面積同樣發(fā)生了差動(dòng)變化，左側(cè)U型傳感器感應(yīng)電勢(shì)大于右側(cè)，輸出端（Uo1-U′o1）有差值電壓輸出； Uo是上、 下“山” 型傳感器輸出之和。

2 傳感器零位位置的數(shù)學(xué)模型

為了便于直觀說(shuō)明，以X軸為例給出傳感器等效原理示意圖，如圖3所示。

圖3 X軸傳感器等效原理示意圖Fig.3 Equivalent principle diagram of X-axis sensor

由于上、下端的傳感器相同，這里只給出上端傳感器的分析。上端傳感器中，根據(jù)電磁定律，在陀螺處于零位狀態(tài)下，T1、T′1次級(jí)繞組的零位輸出電壓為：

反向串聯(lián)電壓為：

其中， Eo1、 E′o1為 T1、 T′1的次級(jí)繞組感應(yīng)電勢(shì)， N1、 N′1為 T1、 T′1的次級(jí)繞組匝數(shù)， Φ1、 Φ′1為 T1、 T′1的磁路磁通量， Fm1、 F′m1為 T1、 T′1的磁路磁勢(shì)， Rm1、 R′m1為 T1、 T′1的磁回路總磁阻， Nj為 T1、 T′1的同用激磁繞組匝數(shù)， Ij為 T1、 T′1的同用激磁繞組電流。

磁回路包括U型鐵芯、傳感器磁極、激磁繞組的氣隙、次級(jí)繞組的氣隙共4段，回路總磁阻為：

其中， RmFe、 R′mFe為 T1、 T′1的 U 型鐵芯磁阻，RmJ、 R′mJ為 T1、 T′1的傳感器磁極磁阻， Rmδ1、 R′mδ1為 T1、 T′1的激磁繞組毗鄰的氣隙磁阻， Rmδ2、 R′mδ2為 T1、 T′1的次級(jí)繞組毗鄰的氣隙磁阻， IFe、 I′Fe為T(mén)1、 T′1的U型鐵芯長(zhǎng)， μFe、 μ′Fe為T(mén)1、 T′1的U型鐵芯磁導(dǎo)率， SFe、 S′Fe為 T1、 T′1的 U 型鐵芯截面積，IJ、 I′J為 T1、 T′1的傳感器磁極等效長(zhǎng)， μJ、 μ′J為T(mén)1、 T′1的傳感器磁極磁導(dǎo)率， SJ、 S′J為 T1、 T′1的傳感器磁極等效截面積， δ0、 δ′0為 T1、 T′1的氣隙，μ0為空氣磁導(dǎo)率。

3 T1、 T′1 傳感器不對(duì)稱(chēng)點(diǎn)分析

分析式 （4）和式 （5），Rm1與R′m1中， 除結(jié)構(gòu)保證的δ0＝ δ′0外， 任一對(duì)應(yīng)參數(shù)不相等， 則 Rm1≠ R′m1。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，T1、T′1傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，其U型鐵芯、次級(jí)繞組均是同一個(gè)零部件圖號(hào)，傳感器磁極共用一個(gè)零件，理論上N1與N′1、Rm1與R′m1應(yīng)相等。但是，對(duì)于鐵芯和次級(jí)繞組，即使同一零部件圖號(hào)，由于制造因素、因材料差異和工藝過(guò)程不一致性等因素，生產(chǎn)出的零部件也會(huì)存在差異。不同的 U型鐵芯其 IFe、μFe、SFe有差異，RmFe與R′mFe不相等，不同的次級(jí)繞組其匝數(shù)N1存在不同。如果由不同的U型鐵芯、次級(jí)繞組組裝成T1、T′1傳感器，那么就會(huì)造成兩個(gè)傳感器對(duì)稱(chēng)點(diǎn)性能參數(shù)不等，導(dǎo)致上傳感器在零位狀態(tài)下輸出零位不為零。

4 工藝方法及技術(shù)分析

4.1 疊片性能參數(shù)的控制

不同U型鐵芯的IFe、μFe、SFe有差異，主要產(chǎn)生于工藝過(guò)程中。U型鐵芯由U型疊片疊壓而成，工藝流程如圖4所示。

圖4 工藝流程Fig.4 Technological process

在流程的每個(gè)環(huán)節(jié)中，不同廠家的硅鋼板磁性能（包含μFe）有差異，不同沖壓工裝沖出的疊片尺寸不一樣，疊合成鐵芯的SFe、IFe存在差異，不在同一爐熱處理的疊片磁性能 （包含μFe）也有差別。如果組成鐵芯的疊片有不同廠家的硅鋼板下料、用不同工裝沖壓、不是同一爐處理，那么都會(huì)造成每個(gè)鐵芯的IFe、μFe、SFe有很大差異。疊片性能參數(shù)一致性非常重要，所以要加強(qiáng)工藝過(guò)程。措施要求：組成T1、T′1傳感器必須用同一批U型鐵芯，同一批鐵芯必須由同一廠家同一批硅鋼板下料、同一個(gè)工裝沖壓、經(jīng)同一爐處理的疊片疊合而成。

4.2 U型鐵芯性能參數(shù)的測(cè)試與選配

通過(guò)對(duì)疊片磁性能參數(shù)采取的措施，磁性能一致性得到一定控制，U型鐵芯的性能參數(shù)一致性也得到一定控制。但是，由于疊片磁性能的工藝控制難度大，即使同一批中的疊片磁性能仍有不同程度差異，而且疊片在加工、轉(zhuǎn)運(yùn)、疊合過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力也將對(duì)磁性能造成損失，所以疊合的鐵芯的磁性能等參數(shù)差異仍然較大，達(dá)不到T1、T′1對(duì)稱(chēng)傳感器所用的鐵芯參數(shù)基本相同的要求，傳感器零位很大。

實(shí)際上， 同一個(gè)上 （下）傳感器上的T1、T′1傳感器要求所用的兩個(gè)鐵芯性能參數(shù)基本相同，不同的上（下）傳感器則不需要鐵芯性能參數(shù)相同。這樣，要達(dá)到T1、T′1傳感器所用的鐵芯參數(shù)相同，只要有兩個(gè)鐵芯性能參數(shù)盡量相同即可，并不一定需要同一批鐵芯IFe、μFe、SFe盡量相同。因此，在同一批鐵芯中選取性能參數(shù)相同的兩個(gè)鐵芯配成一組，就能滿足T1、T′1傳感器的要求。為此，采用測(cè)試選配法，將一批鐵芯分成兩兩一組，供組裝T1、T′1傳感器使用，測(cè)試原理如圖5所示。給定激磁電壓Vj， 將被測(cè)鐵芯放入工裝線圈，測(cè)量輸出V0。從變壓器原理可知，輸出V0與被測(cè)鐵芯磁阻Rm1一一對(duì)應(yīng)，V0可代表Rm1的變化。

圖5 U型鐵芯測(cè)試原理圖Fig.5 Schematic diagram of U-core test

表1記錄了某一批U型鐵芯的測(cè)量結(jié)果。

表1 U型鐵芯輸出電壓V0Table 1 Output voltage of U-core

由表1可知，同一批鐵芯的磁阻存在差異，其輸出電壓最大最小值變化量為0.0816V。

根據(jù)輸出電壓值，將數(shù)值相同或相近的U型鐵芯配成對(duì)，表2是選配成對(duì)的結(jié)果。

表2 U型鐵芯配對(duì)情況Table 2 Matching condition of U-core

由表2可知，配對(duì)U型鐵芯差值最大為0.0223V，最小為0V。通過(guò)配對(duì)，傳感器 （T1和T′1）的一對(duì)U型鐵芯的差異可以控制很小。

4.3 次級(jí)繞組參數(shù)的測(cè)試和選配

T1、T′1傳感器次級(jí)繞組共用一個(gè)圖號(hào)，理論上，按此圖號(hào)生產(chǎn)出的次級(jí)繞組匝數(shù)相同。但由于生產(chǎn)過(guò)程人員、設(shè)備差異，即使同一批次級(jí)繞組，其匝數(shù)也存在差別。T1、T′1傳感器上的次級(jí)繞組匝數(shù)不相等，其感應(yīng)電勢(shì)不同，反向串聯(lián)輸出零位不為零。為了減小零位，對(duì)次級(jí)繞組進(jìn)行測(cè)試選配，測(cè)試原理如圖5所示。

給工裝繞組加激磁電壓Vj，將被測(cè)次級(jí)繞組放入工裝鐵芯，測(cè)試輸出電壓V0，工裝繞組和工裝鐵芯不變，輸出電壓V0只與被測(cè)次級(jí)繞組有關(guān)。根據(jù)變壓器原理，輸出電壓與被測(cè)次級(jí)繞組一一對(duì)應(yīng)，輸出電壓差異反應(yīng)被測(cè)次級(jí)繞組的差異。

圖6 次級(jí)繞組測(cè)試原理圖Fig.6 Test schematic diagram of secondary winding

表3是某一批次級(jí)繞組的測(cè)試電壓值，從數(shù)據(jù)可知：不同次級(jí)繞組輸出電壓值差異較大，說(shuō)明不同次級(jí)繞組差異較大。

表3 次級(jí)繞組輸出電壓V0Table 3 Output voltage of secondary winding

根據(jù)數(shù)值，選配輸出電壓基本相同或相近的兩個(gè)次級(jí)繞組配作一組，配組數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 次級(jí)繞組配對(duì)情況Table 4 Matching condition of secondary winding

由表4可知，配對(duì)次級(jí)繞組差值最大為0.094V，最小為0V。通過(guò)配對(duì)，用于傳感器（T1和T′1）的一對(duì)次級(jí)繞組的差異可以控制很小。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述方法，生產(chǎn)一批U型鐵芯和次級(jí)繞組，配對(duì)U型鐵芯輸出電壓差值控制≤5mV，配對(duì)次級(jí)繞組輸出電壓差值控制≤5mV。用選配成對(duì)的U型鐵芯和線圈組裝成的上 （下）傳感器 （T1和T′1），再組成X軸和Y軸傳感器。 在陀螺裝配過(guò)程中，如出現(xiàn)因傳感器所引起的零位超差問(wèn)題時(shí)，用組裝的傳感器進(jìn)行更換，測(cè)試出零位數(shù)據(jù)并對(duì)比前后變化。表5是更換8只陀螺的零位數(shù)據(jù)。

表5 陀螺更換傳感器前后零位變化統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistical chart of the zero position before and after changing the sensor

從8只產(chǎn)品試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，更換傳感器后陀螺零位減小，最大減小量為32mV，而且更換后X軸、Y軸傳感器零位對(duì)稱(chēng)性有所改善，品質(zhì)提高。

6 結(jié)論

通過(guò)采取對(duì)同一批U型疊片必須是同一廠家同一批硅鋼板下料、同一個(gè)工裝沖壓、經(jīng)同一爐處理的措施，同一批U型疊片性能參數(shù)一致性得到一定控制。

分別對(duì)U型鐵芯和次級(jí)繞組采用測(cè)試配對(duì)方法后傳感器輸出陀螺零位減小，X軸、Y軸傳感器輸出零位對(duì)稱(chēng)性有所改善，品質(zhì)提高。

由于對(duì)U型鐵芯和線圈的配對(duì)輸出電壓值控制越小，零位越小，陀螺品質(zhì)越高，建議隨著生產(chǎn)條件和工藝設(shè)備改進(jìn)不斷加強(qiáng)控制措施，以提高陀螺零位精度和品質(zhì)。

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