CC BY
150
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 629.7.054
А.В. Белячков
магистрант,
кафедра «Авиационные приборы и устройства», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
А.А. Гуськов
канд. техн. наук, доцент, кафедра «Авиационные приборы и устройства», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
С.Ю. Юрманов
ведущий инженер, АО «Арзамасский приборостроительный завод им. П. И. Пландина»
БЛОК ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И УСКОРЕНИЯ УГЛОВОГО ДВИЖЕНИЯ
Аннотация. В статье рассмотрен вариант построения блока измерения датчика угловой скорости и углового ускорения на базе гироскопического датчика угловой скорости компенсационного типа. Разработана структурная схема блока, представлены результаты моделирования его работы. Для исключения зоны нечувствительности опоры трения датчика угловой скорости заменены упругим подвесом, состоящим из нескольких балок.
Ключевые слова: датчик угловой скорости, датчик углового ускорения, упругий подвес.
A.V. Beliachkov, Arzamas Polytechnic Institute (branch) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev
A.A. Guskov, Arzamas Polytechnic Institute (branch) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev
S.Yu. Yurmanov, JSC «Arzamas Instrument Plant»
SPEED AND ACCELERATION MEASUREMENT UNIT OF ANGULAR MOVEMENT
Abstract. This article describes the build option block measuring angular velocity and angular acceleration based on gyro angular velocity sensor (DSU) compensation type. The structural scheme of the block presents the results of a simulation study of his work. To exclude a deadband supports friction CRS replaced by elastic suspension, consisting of several beams.
Keywords: angular rate sensor, angular acceleration sensor, elastic suspension.
Одним из направлений современной навигации является определение параметров движения объекта систем радиолокации, автономных летательных аппаратов малого радиуса действия и роботизированных систем, таких как угловая скорость и угловое ускорение антенны слежения радиолокационных систем наблюдения ближнего радиуса действия за высокоманевренными летательными аппаратами. Для измерения каждого параметра в системе используется несколько типов датчиков первичной информации.
Целью данной работы было исследование возможности создания блока измерения угловой скорости и углового ускорения на базе датчика угловой скорости (ДУС) компенсационного типа (ДУС). В качестве примера рассмотрим одноосный компенсационный ДУС на базе классического гироскопа, структурная схема которого представлена на рисунке 1.
На рисунке 1 обозначены передаточные функции: W^ - чувствительного элемента, Wn - подвижного узла, Wqy - датчика угла, W^m - демодулятора, W^ - корректирующего устройства, WдM - обратного моментного преобразователя; входные и выходные сигналы звеньев
структуры: шизм - измеряемая угловая скорость, Мгир, - гироскопический момент, аЧЭ - угол поворота ротора гироузла, идУ, {/цем, ивых_ш - напряжение на выходе датчика угла, демодулятора и ДУС, Мком - компенсационный момент, создаваемый обратным преобразователем.
Рисунок 1 - Структурная схема ДУС компенсационного типа
При введении в корректирующее устройство (КУ) астатизма первого порядка угол отклонения чувствительного элемента будет прямо пропорционален изменению угловой скорости. При этом, для исключения эффекта зоны нечувствительности, обусловленной трением покоя, необходимо применить упругие подвесы гироузла. Это позволит более точно измерять угловую скорость малых величин. Рассмотрим конструкцию узлов данной измерительной системы на базе гироскопического ДУС, выпускаемого на АО АПЗ (г. Арзамас).
В качестве чувствительного элемента используется синхронный гиромотор ГМС-0,1Д, кинетический момент которого равен 14,72*10" Нмс. Гиромотор располагается в герметичном гироузле, для лучшего теплообмена заполненном водородом.
Также в ДУСе применен индукционный датчик типа «Дуалсин», схема которого показана на рисунке 2, а. Это многополюсный индукционный датчик дифференциального типа. Наличие в пазах датчика только одной обмотки позволяет существенно увеличить сечение меди и повысить добротность по сравнению с другими датчиками. Пакет ротора представляет собой вось-миполюсный магнитопровод. При работе датчика угла магнитный поток обмотки возбуждения пронизывает сигнальную обмотку в двух направлениях, и поэтому наводимые в ней ЭДС противоположны по фазе, а по величине пропорциональны магнитной проводимости воздушного зазора. При повороте в сигнальной обмотке возникает разность ЭДС, наводимых в сигнальных обмотках, пропорциональная углу поворота гироузла с коэффициентом передачи 0,79 В/град.
Рисунок 2 - Схема построения датчика угла (а) и датчика момента (б)
Наиболее удобным конструктивным оформлением моментного датчика такого типа в данном случае является электрическая пружина, представляющая собой последовательно соединенные катушки, размещенные в поле постоянного шестиполюсного магнита (рис. 2, б), установленного неподвижно в корпусе прибора и каркаса с катушками, установленного на гироузле.
Оптимальным в конструкции ДУСа будет применение упругого подвеса гироузла схожего с описанным в работе [1]. Преимуществом данного подвеса (УП), показанного на рисунке 3,
перед классической шаровой опорой является исключение момента трения при сохранении прочности шарикоподшипниковых опор. В данной конструкции УП радиус скругления К снимает концентрацию напряжения в местах заделки балок, радиус обусловлен технологией изготовления УП, угол между балками равен а = 2п/п, где п - количество балок.
Рассмотрим одну из балок УП (рис. 3, б). Длина балки определяется выражением:
/раб = Краб - (1/2 Л + К2)Сд(а), (1)
где Краб - расстояние от оси 02 до места крепления балки (рис. 3, 4), Л - толщина балки.
Рисунок 3 - Конструкция упругого подвеса гироузла: а) внешний вид, б) сечение
Угол отклонения балки упругого подвеса при кручении подвеса на угол р относительно оси 02 (рис. 4, б) рассчитывается по формуле:
в/ = в Краб //раб. (2)
Рисунок 4 - Схема расположения балки подвеса: а) в недеформированном состоянии; б) при продольном изгибе
Проекция на ось 02 реакции опоры, создаваемой балкой при деформации, равна:
Е1ЬЛ3йпаб Е1ЬЛК3аб ,
МР_-!—р+ 1 2 а Ь , (3)
р 12/2 и /2 и 1 *-'раб 'раб
где Е1 - модуль упругости материала УП, Ь - ширина подвеса. Откуда коэффициент жесткости УП равен:
^ _ Мр _ ПЕ1ЬЛ'Краб + ПЕ1ЬЛК3аб Р2 (4)
аб 12/2 + 2/ 2 Р . (4)
раб раб
Учитывая, что время воздействия углового ускорения очень мало, реализация измере-
ния углового ускорения возможно только при отсутствии зоны нечувствительности, обусловленной трением покоя в опорах. При применении упругого подвеса и введении астатизма в обратную связь появляется возможность измерения угловой скорости. Структурная схема реализации блока измерения угловой скорости шизм и углового ускорения £изм (рис. 5) имеет следующие отличия от одноосного компенсационного ДУС: измеряемая угловая скорость шизм условно представлена суммой постоянной шПос и переменной шпер угловых скоростей; сигнал с демодулятора Ццем подается на дополнительное корректирующее устройство Wф1, с которого выходит сигнал об угловом ускорении ивых Е; корректирующее устройство ДУС разбито на два функциональных звена WКУ и Мф2, одно из которых выведено из-под обратной связи.
Рисунок 5 - Структурная схема блока измерения угловой скорости и углового ускорения
Коэффициент жесткости подвеса гироузла, состоящего из двух соосно расположенных УП, равен Суп = 2 сраб, и, согласно методике, описанной в работе [2], выбирается из соотношения:
Суп = 10 К/10 /пр2//7, (5)
где /пр - полоса пропускания полезного сигнала; - момент инерции гироузла по оси вращения; К - запас на резонансной частоте (дБ).
При этом должно выполняться неравенство:
М//2 * /пр, (6)
где ^ - коэффициент вязкого трения в подвесе.
Коэффициент усиления разомкнутого тракта должен быть равен:
Крк = FпP х Кн (дБ), (7)
где Fпр - полоса пропускания полезного сигнала, дек; Кн = 20 дБ/дек - наклон желаемой ЛАЧХ разомкнутого контура ДУС.
Откуда коэффициент усиления корректирующего устройства равен:
Кку = Крк Суп/(КдуХКдм). (8)
где КцУ - коэффициент передачи датчика угла; КцМ - коэффициент передачи датчика момента.
Исходя из этого, блок электроники для ДУС должен представлять из себя демодулятор,
К-2/20
усилитель сигнала, интегратор, фильтр низкой частоты с частотой среза 10 " /пр и два тракта коррекции, выдающих сигнал об угловой скорости и угловом ускорении (рис. 5). Результаты моделирования формул (5)-(8) показаны на рисунках 6-8.
На рисунке 6 показаны логарифмические амплитудно-частотные характеристики (ЛАЧХ) разомкнутого контура по угловой скорости без коррекции при трех разных значениях жесткости подвеса. Конкретное значение жесткости при проектировании выбирается исходя из частотных характеристик внешних воздействий. На рисунке 7 показаны ЛАЧХ разомкнутого контура по угловой скорости с коррекцией, а на рисунке 8 - ЛАЧХ замкнутого контура по угловому ускорению. Характер изменения ЛАЧХ замкнутого контура по угловой скорости аналогичен рисунку 8.
Как видно из результатов моделирования, частотные характеристики измерительных контуров, как по угловой скорости, так и по угловому ускорению при различных жесткостях под-
весов идентичны в области низких и средних частот, что позволяет говорить о достоверности модели, приведенной выше.
Рисунок 6 - ЛАЧХ разомкнутого контура без коррекции
Рисунок 7 - ЛАЧХ разомкнутого контура с коррекцией
Таким образом, данная схема реализации блока электроники позволит измерять угловую скорость и угловое ускорение на подвижных объектах с помощью одного датчика.
Данная схема построения блока электроники актуальна для любых приборов первичной информации компенсационного типа с астатизмом в обратной связи.
Список литературы:
1. Юрманов С.Ю. Оптимизация упругого подвеса чувствительных элементов датчиков в системах навигации // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. - 2010. - № 3 (82). - С. 315-324.
2. Бесекерский В.А. Цифровые автоматические системы. - Москва: Наука, 1976. - 576 с.
