[科普中國]-電動陀螺儀

陀螺電機是陀螺儀的一部分，電機轉(zhuǎn)子就是陀螺儀的飛輪，在高速旋轉(zhuǎn)下構(gòu)成陀螺儀最本質(zhì)的物理性質(zhì)—陀螺效應(yīng)。陀螺電機在原理上與一般電機沒有本質(zhì)差別，但它的設(shè)計，制造精度應(yīng)服從于陀螺儀的需要。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量比一般普通電機要大，轉(zhuǎn)速高且穩(wěn)定，電機抗干擾能力強，發(fā)熱量小，對陀螺轉(zhuǎn)子不產(chǎn)生附加干擾力矩，啟動時間短，重復(fù)性好，結(jié)構(gòu)簡單等。早期的陀螺儀采用的是火藥驅(qū)動，穩(wěn)定性和可重復(fù)性較差，而且火藥燃燒的廢物對陀螺的平衡產(chǎn)生較大干擾，使陀螺儀產(chǎn)生漂移。后來采用直流有刷電機，雖然直流有刷電機轉(zhuǎn)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，還會產(chǎn)生電火花，導(dǎo)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刷，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了可靠性和安全性，但是它的轉(zhuǎn)速不好控制，穩(wěn)定性不高，這在高精度陀螺儀中是不允許的。后來出現(xiàn)了直流無刷電機，到 20 世紀(jì) 70 年代后，由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展，解決了高控制精度，高可靠性的直流無刷電機不能自啟動的難題。因此，高精度，高可靠性，低功耗的直流無刷電機在陀螺儀中得到了廣泛應(yīng)用。1

永磁無刷直流電動機的優(yōu)點是:效率高，一般可達 90%--98%。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度高；采用閉環(huán)系統(tǒng) PID 技術(shù)后，抗干擾能力強、精度高、重復(fù)性好；結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠。永磁同步電動機的缺點是:電機本身無啟動轉(zhuǎn)矩、啟動困難、有死點，必須采用電子啟動電路才能順利啟動。但一經(jīng)啟動，它將快速達到額定、同步轉(zhuǎn)速。鑒于永磁同步電動機具有上述優(yōu)點，電子啟動電路亦易實現(xiàn)，故在隨機漂移小于 的框架式陀螺儀中得到了廣泛的應(yīng)用。

高速旋轉(zhuǎn)的物體的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)物體在橫向傾斜時，重力會向增加傾斜的方向作用，而軸則向垂直方向運動，就產(chǎn)生了搖頭的運動（歲差運動）。當(dāng)陀螺經(jīng)緯儀的陀螺旋轉(zhuǎn)軸以水平軸旋轉(zhuǎn)時，由于地球的旋轉(zhuǎn)而受到鉛直方向旋轉(zhuǎn)力，陀螺的旋轉(zhuǎn)體向水平面內(nèi)的子午線方向產(chǎn)生歲差運動。當(dāng)軸平行于子午線而靜止時可加以應(yīng)用。

陀螺儀基本上就是運用物體高速旋轉(zhuǎn)時，角動量很大，旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)得夠快，或者慣量夠大(也可以說是角動量要夠大)。不然，只要一個很小的力矩，就會嚴(yán)重影響到它的穩(wěn)定性。

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轉(zhuǎn)。當(dāng)一個傾斜力作用在頂部的軸上的時候，質(zhì)點A向上運動，質(zhì)點C則向下運動，如其中的子圖1。因為陀螺儀是順時針旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)90度角之后，質(zhì)點A將會到達質(zhì)點B的位置。CD兩個質(zhì)點的情況也是一樣的。子圖2中質(zhì)點A當(dāng)處于如圖的90度位置的時候會繼續(xù)向上運動，質(zhì)點C也繼續(xù)向下。AC質(zhì)點的組合將導(dǎo)致軸在子圖2所示的運動平面內(nèi)運動。一個陀螺儀的軸在一個合適的角度上旋轉(zhuǎn)，在這種情況下，如果陀螺儀逆時針旋轉(zhuǎn)，軸將會在運動平面上向左運動。如果在順時針的情況中，傾斜力是一個推力而不是拉力的話，運動將會向左發(fā)生。在子圖3中，當(dāng)陀螺儀旋轉(zhuǎn)了另一個90度的時候，質(zhì)點C在質(zhì)點A受力之前的位置。C質(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動。傾斜力推軸的力量越大，當(dāng)邊緣旋轉(zhuǎn)大約180度時，另一側(cè)的邊緣推動軸向回運動。2

陀螺儀在工作過程中，可以通過實時測量火箭彈滾轉(zhuǎn)的角度來計算火箭彈的滾轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速度，但是接觸摩擦力對陀螺儀的影響很大，將使陀螺儀產(chǎn)生較大的漂移；后來采用了霍爾角度傳感器，雖然霍爾傳感器基本不產(chǎn)生摩擦，減小了漂移，但是霍爾傳感制造復(fù)雜，而且精度不高，不能準(zhǔn)確的測出火箭的飛行姿態(tài)角以及滾轉(zhuǎn)速度?，F(xiàn)在由于單片機的出現(xiàn)和空間技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了把軸角位置轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(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(zhuǎn)換成電壓信息，再經(jīng)過電路處理為數(shù)字代碼形式。它又分為絕對式和增量式兩種編碼器。其中增量式編碼器是將輸入軸角分為多個單位增量，敏感元件對這些增量響應(yīng)。每當(dāng)出現(xiàn)一個單位增量時，敏感元件就向計數(shù)器發(fā)出一個脈沖，計數(shù)器把這些脈沖累加起來，并以二－十進制數(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，減小了陀螺儀的漂移，同時數(shù)字信號準(zhǔn)確穩(wěn)定，提高了檢測的可靠性。

二十世紀(jì)初，由于航海事業(yè)的興起和北極探險的需要，促進了陀螺儀技術(shù)的發(fā)展，而且，當(dāng)時異步電動機和滾珠軸承也都達到了一定的水平。安休茲于 1908 年在德國、斯派利于 1911 年在美國，先后各制成一種原理基本相同而結(jié)構(gòu)不同的陀螺羅盤，用來測量輪船的航向。陀螺儀在航空上的應(yīng)用比航海稍晚些。從二十年代到三十年代，在飛機上相繼使用了陀螺儀轉(zhuǎn)彎儀、陀螺地平儀和陀螺半羅盤，提供飛機轉(zhuǎn)彎、姿態(tài)和航向指示。三十年代中期，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，作為飛機姿態(tài)、航向和角速度的敏感元件。從四十年代到五十年代，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)定平臺。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示。如在平視顯示儀中就把姿態(tài)和航向等多種信息綜合在一起顯示，使得飛行員能夠直觀、形象而迅速地判讀出各種信息。
　　我國的慣導(dǎo)技術(shù)近年來已經(jīng)取得了長足進步，液浮陀螺平臺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、動力調(diào)諧陀螺四軸平臺系統(tǒng)已相繼應(yīng)用于長征系列運載火箭。其他各類小型化捷聯(lián)慣導(dǎo)、光纖陀螺慣導(dǎo)、激光陀螺慣導(dǎo)以及匹配 GPS 修正的慣導(dǎo)裝置等也已經(jīng)大量應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)武器、飛機、艦艇、運載火箭、宇宙飛船等。如漂移率 0.01°~0.02°/h 的新型激光陀螺捷聯(lián)系統(tǒng)在新型戰(zhàn)機上的試飛，漂移率0.05°/h 以下的光纖陀螺、捷聯(lián)慣導(dǎo)在艦艇、潛艇上的應(yīng)用，以及小型化撓性捷聯(lián)慣導(dǎo)在各類導(dǎo)彈制導(dǎo)武器上的應(yīng)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(dǎo)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(qū)動，也就是燃氣陀螺，工作很不穩(wěn)定，更為重要的是它不可測，只能是一次性使用，所以先進穩(wěn)定，成本低廉，精度較高，可以重復(fù)測試的電動陀螺儀就成為我國未來短程精確制導(dǎo)武器的重點發(fā)展對象。3