变换放大器故障导致速率陀螺组件转动有异响原因分析

1 故障现象组件工作原理

某型飞机速率陀螺组件在进行性能测试时发现，静态无异常，转动时发出异响。

该型飞机速率陀螺组件用于测量飞机机轴体系的方位角速度ωy和俯仰角速度ωz，输出的角速度信号作为火控系统计算的重要信息。该组件主要由直流电源插件板、锁定回路插件板、信号器电源插件板、马达电源插件板、直流输出插件板及挠性陀螺组成。其中，直流电源提供子系统的各种直流电源；马达电源产生三相方波信号，驱动陀螺马达；信号器电源输出正弦波信号，驱动信号器，并为相敏解调器提供解调基准；挠性陀螺感应飞机的方位和俯仰角速度，锁定回路，将方位、俯仰信号进行滤波、移相、相敏解调，再经过功放，为力矩器提供力平衡电流；该电流经采样电阻采样，提供给直流输出接口，经处理后再提供给任务计算机。

2 故障原因分析

挠性陀螺与其锁定回路构成了火控系统的双轴测速子系统。从故障现象来看，速率陀螺组件在转动时发出异响的原因有两个：一是挠性陀螺故障；二是锁定回路在陀螺马达达到一定转速后不工作。

挠性陀螺结构如图1所示，由陀螺转子、外扭杆、平衡环、内扭杆、驱动轴、传感器、力矩器、滚珠轴承、磁滞同步陀螺马达和仪表壳体等组成。传感器用来检测陀螺转子自转轴相对仪表壳体的偏角，并提供陀螺仪的输出信号；力矩器对陀螺转子施加控制力矩，并使转子进动或保持稳定方位；陀螺马达的驱动轴通过一对滚珠轴承安装在仪表壳体上，驱动轴的一端通过挠性接头与陀螺转子相连，另一端与驱动马达转子相连[1]。

挠性接头是挠性陀螺的关键结构，由互相垂直的内外扭杆和平衡环组成，结构如图2所示。图中一对共轴线的内扭杆与驱动轴及平衡环固连，另一对共轴线的外扭杆与平衡环及陀螺转子固连。内外扭杆形成的平面垂直于驱动轴轴线，外扭杆轴线垂直于内扭杆轴线，并且内外扭杆轴线与驱动轴轴线相交于一点。内外扭杆绕其自身轴线时具有很低的扭转刚度，而绕与内外扭杆轴线垂直的方向时具有很高的抗弯刚度[1]。

陀螺马达带动驱动轴旋转时，驱动轴通过内扭杆带动平衡环旋转，平衡环再通过外扭杆带动陀螺转子旋转。当陀螺转子绕内扭杆轴线有转角时，陀螺转子通过外扭杆带动平衡环一起绕内扭杆轴线偏转，内扭杆将产生扭转弹性变形。当陀螺转子平面绕外扭杆轴线有转角时，则不会带动平衡环绕外扭杆轴线偏转，而仅是外扭杆产生扭转弹性变形。由此可见，由内外扭杆和平衡环组成的挠性接头，一方面起着支撑陀螺转子的作用，另一方面又提供了陀螺转子所需的转动自由度[1]。

当陀螺承受过载、冲击振动或超时限疲劳运转时，内部挠性接头将出现断裂，导致电机持续运转而挠性接头无规律转动，此时陀螺转动时会出现异响。

锁定回路是与挠性陀螺配套设计的一种电子线路，与挠性陀螺共同组成一个闭环控制系统，其稳定性和动态性能直接影响测速子系统的成败[2]。

锁定回路又称力反馈回路，主要由前置放大器、带通滤波器、相敏放大器、稳定网络、功率放大器等环节组成，其原理方框图如图3所示。

图1 挠性陀螺结构图

图2 挠性接头结构图

图3 锁定回路原理框图

前置放大器装在陀螺内部，将陀螺信号器输出的交流信号直接进行交流放大后输给变换放大器，可以减少噪声干扰。

变换放大器采用集成电路LB8301，具有带通滤波、交流放大、相敏解调、低通滤波和移相等功能，内部结构如图4所示，典型应用如图5所示。

陀螺输出的前置放大信号从24脚进入芯片，同时与之同相的激磁信号分别从9脚和11脚进入芯片。先在芯片中进行带通滤波，从23脚输出后进入A1的2脚和3脚、A2的5脚和6脚进行交流放大。交流放大后，信号从4脚和7脚输出，进入17脚、18脚进行相敏解调。解调后的信号进入片内低通滤波器，滤波后的直流信号从15脚输出进入后级稳定网络及功率放大电路。

由于挠性陀螺是一个两自由度陀螺，在陀螺马达未达到一定转速前，锁定回路不能工作，否则将引起误动作。组件通电前，用常闭继电器接通锁定回路，组件通电后马达未达到一定转速前，继电器工作，断开锁定回路，马达同步后再次接通锁定回路。

图4 变换放大器内部结构图

图5 典型应用图

马达同步以后，变换放大器15端来的转速信号经带通滤波器整形后输出一个频率为102.5Hz的正弦波信号，用来监视陀螺马达的转速，同时控制继电器接通锁定回路，使组件正常工作，并通过逻辑门输出低电平，表示陀螺已工作正常。

在马达同步后，当变换放大器发生故障时，无法控制继电器动作接通锁定回路，此时经外部电路处理后的陀螺信号无法提供到陀螺内部力矩器，无法获得足够大的再平衡力矩来恢复陀螺转子轴的位置，转动时产生的弹性约束力矩无法被动力引进的负弹性力矩精确补偿，必然会产生异响。

3 故障排除

1）将挠性陀螺拆下，装入性能良好的速率陀螺组件里通电检查，转动无异响，说明挠性陀螺性能良好。

2）将挠性陀螺重新装入产品并更换性能良好的锁定回路插件板后通电检查，转动无异响，说明锁定回路插件板故障。

3）将有故障的锁定回路插件板通过转接板接入产品，并用示波器对电路进行检查，发现变换放大器的24脚及9脚和11脚信号正常，15脚无输出，将后级电路断开后重新检查15脚仍无输出，由此判断变换放大器性能失效。

4）更换变换放大器后重新通电检查，转动无异响，故障排除。

由此可见，此次速率陀螺组件转动有异响是由于变换放大器性能失效导致的。

4 总结

根据电路原理，在排查速率陀螺组件转动发出异响这类故障时，首先排查挠性陀螺，再考虑锁定回路插件板。由于锁定回路插件板包含变换放大器、稳定网络及功率放大电路，首先应排除变换放大器，其次排除稳定网络和功率放大电路。考虑到异响对挠性陀螺的损害，在排除故障的过程中，应尽量缩短排故时间以减少对挠性陀螺造成的二次损伤。