摆式陀螺寻北仪导流丝输电装置的设计.doc

关于摆式陀螺寻北仪的导流丝
2007年11月28日
1．导流丝的作用及其对零位的影响
摆式陀螺寻北仪的陀螺房是一个自由悬挂的重力摆，作为输电装置的导流丝是摆式陀螺寻北仪为陀螺房内的陀螺马达供电的引线装置，其结构形式、安装工艺、材料扭转刚度及其稳定性等因素都会影响陀螺房摆动零位的稳定性进而进而影响寻北精度。其重要性不次于悬带对零位稳定性的影响。早期的陀螺马达通常采用三相同步马达，因此输电装置采用三根导流丝，有些情况下为了便于扭矩的平衡而安装四根。
为了减少导流丝数目，美国ALINE和MARCS摆式寻北仪使用了两相交流陀螺马达，陀螺房内安装移相电容，因此可以采用单相交流供电，只使用两根导流丝为陀螺马达供电。德国Gyromat2000摆式陀螺寻北仪则使用低功耗直流无刷马达并且把马达稳速驱动电路和供电电池也安装在陀螺房内，又由于其自动积分寻北测量过程中没有加矩过程，陀螺房内没有力矩线圈因此彻底省去了导流丝。
目前采用循环阻尼的寻北仪使用六根导流丝，四根用于为两相直流陀螺马达供电，另外两根为陀螺房的力矩器激励绕组供电。
在寻北测量时作为供电导线的导流丝成为载流导线与周围磁场作用形成的干扰力矩，在采用交流陀螺马达时导流丝流过的交变电流形成交变磁场其干扰力矩平均值为零。
在正常情况下为两相直流马达供电的两对导流丝流过的对称方波电流其平均值近似为零，产生的交变磁场的干扰力矩平均值也为零。但是力矩器激励绕组需要一个恒定直流供电，这两根导流丝流过直流电流，这个载流导线与外磁场作用将形成直流干扰力矩。
如果能减少两根甚至减少四根导流丝，将会大大简化生产调试过程也必将改善系统的零位稳定性。在减少了导流丝之后，导流丝的载流负担将会加大（主要是考虑启动过程的过流），因此设计时必须考虑马达启动过程中的过流问题。

2.减少两根导流丝－从六根变为四根导流丝
如果把马达驱动电路直接安装在陀螺房内然后以两根导流丝为电路板供电则可省去两根导流丝。导流丝从六根减少为四根。但是由于这四根导流丝均已单向直流供电将形成干扰力矩。为了减少导流丝载流导线产生的直流干扰力矩可以将为陀螺马达驱动电路板的直流供电改为对称方波交流供电。交流方波电压在驱动电路板上进行全波整流和平滑滤波之后再为驱动电路供电。

3.再减少两根导流丝－从六根变为两根导流丝
进一步，如果将陀螺房力矩器线圈激励恒流源也设置在陀螺房内部，又可省去为力矩器供电的两根导流丝。这样，目前循环阻尼寻北的摆式陀螺寻北仪使用的六根导流丝就被减少到只有两根了！
有些情况下，恒流激励线圈的激励电流需要分为两档或者三档的数字可变恒流源因此需要实现陀螺房与外部通讯。

4.旁路启动和制动
为了防止陀螺马达在启动和制动时导流丝过流，可在启动和制动上时断开导流丝（或者串入电阻）而采用旁路启动和制动。由于此时制动电流不再流过导流丝，因此对于制动电流的大小可以不加限制。

5.无导流丝设计
德国Gyromat2000摆式陀螺寻北仪则使用低功耗直流无刷马达并且把马达稳速驱动电路和供电电池安装在陀螺房内彻底省去了导流丝，这是一个巨大进步。其缺点是，由于电池寿命有限需要定期进行返厂更换，其次是充电时间长。为此本人提出采用超级电容，又称电容电池代替现在的普通电池设计方案。有关内容可参考本人发表过的相关文章。

6.陀螺房与外部的数字通讯
寻北仪工作时，有时陀螺房需要与外部进行通讯完成各种操作。在采用两根导流丝时如果只需向陀螺房发出单向指令，则这个外部命令可通过方波供电电压的宽度调制载入。陀螺房内部CPU通过判断供电方波的宽度得知指令内容。
如果需要双向通信则需考虑其他方法，例如光电和蓝牙信息传输等。

7陀螺房内电路板和引线的安装工艺
为了避免由于陀螺房体内部质量分布不对称和变形刚度分布不对称而在出现振动时产生非等弹性变形，进而产生整流力矩，要求电路板和引线的设计尽可能做到轴对称并且与陀螺房体固联，此外还要考虑电子元件的热变形的影响。陀螺房内引线的松动的挠性悬挂是不允许的。
电路板与陀螺马达必须分为上下相互隔离的两层，以防止马达运行时转子周围的气流扰动。

8.超级电容代替陀螺房内部电池
由于陀螺马达的功耗越来越小，超级电容的容量越来越大，完全有可能代替陀螺房内的电池为陀螺马达和力矩器激励线圈供电。与电池相比，超级电容超级电容的寿命是“无限”的，体积重量可能更小而其充电时间可以“瞬间”完成。此时即可彻底去掉导流丝。

9.美国ALINE寻北仪使用的导流丝输电装置专利
下面是早期美国专利提供的两种导流丝输电装置结构
1）在垂直平面内的半圆形导流丝输电装置，图1
这里要求R/r＝π/2即：半圆的导流丝的安装中心到陀螺房的悬挂轴之间的距离R与半圆的导流丝的半径r之比等于π/2。以保证在陀螺房方位转动时导流丝产生扭转