CC BY
441
Малютин Дмитрий Михайлович, канд. техн. наук, доц., проф., Malyu-tindm@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
SMALL-SIZED GRA VIMETER COMPLEXES FOR AERO AND SEA MEASUREMENTS
D.M. Malyutin
In work the primary goals which have been solved at creation small-sized gravimeter complexs «GRIN» and "GRIN-M" for sea measurements are shined. The characteristics of complexes confirmed by results of natural tests are resulted.
Key words; gravimeter, gyrostabilizer, a gyroscop.
Malyutin Dmitriy Mikhailovich, candidate of texnical science, docent, professor , Malyutindm@yandex. ru,, Tula, Tula State University
УДК 531.383
ГИРОСТБИЛИЗАТОРЫ ОПТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ
Д.М. Малютин, С.В. Телухин, В.Я. Распопов
Приведено описание и технические характеристики гиростабилизаторов оптической аппаратуры, разработанные на кафедре ««Приборы управления» Тульского государственного университета.
Ключевые слова: микромеханический гироскоп, динамически настраиваемый гироскоп, волоконно-оптический гироскоп, гиростабилизатор.
Одним из научных направлений кафедры «Приборы управления» Тульского государственного университета является исследование динамики и разработка гиростабилизаторов (ГС) оптической аппаратуры. ГС оптической аппаратуры широко применяются на подвижных объектах. К таким ГС предъявляются высокие требования по точности стабилизации и ориентации в пространстве оптической аппаратуры, технологичности конструкции, малому числу функциональных элементов, и, следовательно, повышенной надежности, возможности функционирования в широком диапазоне температур и перегрузок при малом времени готовности, малой потребляемой мощности.
На кафедре «Приборы управления» разработан двухосный индикаторный гиростабилизатор (рис. 1) [1]. В качестве гироскопического чувствительного элемента гиростабилизатора применен трехстепенной астатический гироскоп МГТУ-05М, работающий в режиме датчика угла. Использование гироскопа МГТУ-05М обеспечивает высокие точностные характеристики ГС. Технические характеристики гироскопов семейства МГТУ приведены в табл. 1.
Таблица 1
Технические характеристики^ гироскопов семейства МГТУ
МГТУ 05 02 05М 02М 02А
Питание: по цепи гиромотора
напряжение, В 36
частота, Гц 1000 400
по цепи датчиков угла 12 В, 10000±2000 Гц
Время готовности, мин, не более 2
Углы прецессии, град, не менее 2
Собственный уход, град/мин, не более 2,75 5 2,75 5 5
Крутизна датчиков угла, мВ/град при питании 10В, 10000 Гц 900±300
Сдвиг фазы вторичного напряжения, град, не более 22
Влияние канала на канал по цепям датчиков угла, не более 10%
Ток в цепи управления, А при скорости управления, град/с, не более 0,35
20 40 - - 50
Крутизна по управлению град/смА, не менее - - 0,04 0,08 -
Влияние канала на канал по цепи управления, не более 5%
Температурная нестабильность скорости управления по току, не более 8%
Сопротивление катушек управления, Ом 50 50 22 22 50
Собственная частота Гц, не менее 280 140 280 140 110
Масса, г, не более 400
Габаритные размеры 48x60 мм, прокачка в сфере 63 мм
Ресурс, часов 110 200 110 200 200/1700
Срок службы, лет 11,5
В качестве двигателя стабилизации ГС применен датчик стабилизации типа ДС-27-01. Датчик стабилизации типа ДС-27-01 представляет собой датчик момента электромашинного типа с возбуждением от постоянных магнитов, предназначенный для работы в составе гироскопических и навигационных приборов.
Рис. 1. Двухосный индикаторный ГС на трехстепенном астатическом гироскопе
В качестве датчиков угла ГС использованы синусно-косинусные трансформаторы СКТ265Д8 кл.0,2, которые представляют собой индукционную электрическую машину переменного тока с синусными концентрическими обмотками, в которых взаимоиндукция между обмотками статора и ротора изменяется по синусоидальному закону от угла поворота ротора. Синусно-косинусные трансформаторы отличаются простотой конструкции, высокой надежностью и удобством в эксплуатации.
В табл. 2 приведены основные технические характеристики синус-но-косинусного трансформатора СКТ265Д8 кл.0,2.
Таблица 2
Технические характеристики СКТ265Д8
Напряжение, В 36
Частота, Гц 400
Электромагнитная асимметрия, угл. мин., не более ±5
Отношение минимального напряжения
к крутизне, угл. мин., не более 7,5
Квадратурное напряжение, мВ, не более 200
Погрешность воспроизведения тригонометрической зависимости, %, не более ±0,2
Максимальное напряжение, В 36±2
Потребляемый ток, мА, не более 45±7
Габаритные размеры, мм 065x16
Масса, г, не более 170
Гиростабилизатор функционирует как в режиме стабилизации, так и в совмещенном режиме стабилизации и управления.
Гиростабилизатор на трехстепенном астатическом гироскопе имеет следующие технические характеристики: диаметр - 200 мм, длина -210 мм, масса ГС и полезной нагрузкт 6 кг, погрешность стабилизации, подтвержденная результатами испытаний, не более 1 угл.мин при перегрузках.
В ряде случаев при использовании ГС оптической аппаратуры на борту летательного аппарата важное значение имеют малые масса и габариты ГС. На кафедре «Приборы управления» разработаны малогабаритные ГС оптической аппаратуры на миниатюрных чувствительных элементах (волоконно оптических гироскопах, динамически настраиваемом гироскопе, микромеханических гироскопах).
Наличие миниатюрных волоконно оптических датчиков угловой скорости (ВОГ) с практически мгновенным временем готовности (рис. 2), серийный выпуск которых освоен в последнее время, и малогабаритных датчиков момента постоянного тока и малогабаритных датчиков угла обуславливает возможность создания малогабаритного ГС по схеме двухосного индикаторного гиростабилизатора на ВОГ. Внешний вид примененного в конструкции ГС ВОГ представлен на рис. 2.
Рис. 2. Волоконно оптический датчик угловой скорости УС941-ЗА8
ВОГ имеет следующие технические характеристики: максимальная измеряемая угловая скорость - 500 %: точность преобразования - 1%; чувствительность (1Гц, 1а) - 0,003 °/с; дрейф после коррекции (1а) -0,01°/с; полоса частот выходного сигнала - 1000 Гц; шум в рабочей полосе - 0,002 °/с/л/Гц; габариты (диаметр/высота) - 25/60 мм; вес - 40 г; низковольтное однополярное питание (+5 В); бесшумная работа; мгновенный запуск - 0,01 ... 0,1 с; наработка на отказ в нормальных
293
условиях до 50000 ч; срок службы до 15 лет (количество запусков не ограничено); прибор может эксплуатироваться при температуре окружающей среды -30.. ,+700С, после ударов до 90g.
В качестве датчика угла по осям карданова подвеса гиростабилизатора использован синусно-косинусный трансформатор Т-232 (рис. 3). Датчик Т-232 имеет габаритные размеры: диаметр 32 мм, высота 8,8 мм, и работает от источника переменного тока с частотой 9 кГц. Параметры датчика СКТ-232Д8 сведены в табл. 3.
Рис. 3. Синусно-косинусный трансформатор Т-232
Таблица 3
Технические характеристики датчика угла Т-232
Отношение минимального напряжения к крутизне, угл. мин, не более 5
Электромагнитная асимметрия, угл. мин, не более ± 2,5
Максимальное напряжение, В: на холостом ходу при нагрузке 1500 Ом 8 ± 0,5
Квадратурное напряжение, мВ, не более 150
Потребляемый ток, мА 48 ± 8
Погрешность воспроизведения напряжения по тригонометрическим зависимостям не более, % ± 0,1
Достоинствами такой схемы построения ГС являются: возможность обеспечения достаточно высоких динамических характеристик, практически мгновенное время готовности прибора, отсутствие реакций со стороны
гироскопов на платформу, отсутствие кинематической составляющей дрейфа ВОГ, малые масса и габариты. 3Б-модель гиростабилизатора представлена на рис. 4 [2].
Рис. 4. Двухосный индикаторный ГС на волоконно-оптических гироскопах
Гиростабилизатор на ВОГ имеет следующие технические характеристики: диаметр - 116 мм, длина - 86 мм, масса ГС и полезной нагрузкт 0,78 кг, погрешность стабилизации, не более 0,00460 при трехкомпонент-ной качке основания с амплитудой 5 град и частотой 3 Гц.
Высокие точностные характеристики, большой ресурс работы при малом времени готовности, малая потребляемая мощность, рациональное использование внутреннего объема (благодаря наличию внутреннего кар-данова подвеса), обеспечивающее малые габаритные размеры и массу ди-намическинастраиваемого гироскопа (ДНГ), большое расстояние между приводом и чувствительным элементом - ротором, а следовательно, малое влияние тепловыделения в приводе на точность ДНГ определяют целесообразность его использования в качестве чувствительного элемента малогабаритных ГС. В разработанном ГС в качестве чувствительного элемента применен гироскоп ДНГ-4 (рис. 5) [3, 4].
3Б-модель ГС представлена на рис. 6. 3Б-модели внутренней и наружной рамок ГС представлены на рис. 7, 8. Изменение положения элементов ГС в пространстве измеряются гироскопом 1 (рис. 7), закрепленным на внутренней рамке посредством кроншейтна 3. Также на ней установлена оптическая система 2.
Внутренняя рамка представляет собой сборочный узел, состоящий из собственно детали рамки 4, на которой на винтах закреплены две полуоси 5. На полуосях размещаются внутренние кольца подшипников качения 6. Также на них установлены роторные узлы датчика момента и датчика
295
узла, состоящий каждый из переходной втулки 7, выполненной из немагнитного материала, и ротора датчика 8. Эти роторные узлы и внутренние кольца подшипников фиксируются на полуосях гайками 9.
Рис. 5. Динамически настраиваемый гироскоп ДНГ-4
Рис. 6. ГС на ДНГ
Наружная рамка (рис. 8), так же как и внутренняя, представляет собой сборочный узел, состоящий из основной детали рамки 10, на которой на винтах закреплены статорные узлы датчиков, ответные роторным узлам на внутренней рамке, и двух полуосей, на которых размещаются внутренние кольца подшипников (обеспечивающих вращение относительно корпуса) и роторные узлы датчиков момента и угла. Состав и фиксация ро-
296
торных узлов аналогичны по исполнению узлам внутренней рамки. Ста-торные узлы датчиков состоят из выполненных из немагнитного материала вкладышей 11, 12, в которых закреплены статоры датчиков 13. Вкладыш статорного узла датчика момента 11 имеет буртик для постановки наружного кольца подшипника 14, которое фиксируется гайкой 15. Движение наружного кольца подшипника 14 в статорном узле датчика угла свободное. Для целей балансировки со стороны статорного узла датчика угла на наружную рамку крепится шайба 16.
Статорные узлы датчиков, ответные роторным узлам наружной рамки, находятся на корпусе ГС. Ограничение углового перемещения внутренней и наружной рамок обеспечивается упорами 17, закрепленными на корпусе и наружной рамке.
Центровка рамок и требуемое взаимное положение роторов и статоров всех датчиков обеспечивается установкой прокладок, размещаемых на кольцах подшипников.
Электропроводка (не показана) идет через отверстия в корпусе стабилизатора. Далее, идя по внешней стороне крышек 18, провода проходят через отверстия полуосей, идут по наружной рамке и, также проходя по внешней стороне крышек, входят в отверстия полуосей внутренней рамки, и оттуда подаются на оптическую систему и ДНГ.
Балансировка ГС осуществляется путем закрепления грузов (не показаны) на наружной рамке и кронштейне ДНГ и перемещения балансировочных винтов (не показаны) в шайбе 16.
4
3
Рис. 7. Внутренняя рамка ГС на ДНГ
297
13 16
Рис. 8. Наружная рамка ГС на ДНГ
Гиростабилизатор на ДНГ имеет следующие технические характеристики: диаметр - 116 мм, длина - 90 мм, масса ГС и полезной нагрузки 1,3 кг, погрешность стабилизации не более 0,0057° при трехкомпонентной качке основания с амплитудой 5 град и частотой 3 Гц.
Развитие микросистемной техники обуславливает возможность создания малогабаритных ГС на основе микромеханических чувствительных элементов (ММЧЭ) невысокой стоимости. Однако, в этом случае необходима разработка специальных структурных, аппаратных и программных решений, обеспечивающих надлежащую точность системы и расширение ее функциональных возможностей [5, 6, 7].
На рис. 9 приведен общий вид ГС на микромеханических чувствительных элементах. В приборе применены микромеханические гироскопы АВХ118610. В качестве центрального процессорного устройства использован микроконтроллер АТМ^а8. Для увеличения точности оцифровки сигналов ММЧЭ в макете применен внешний 16-разрядный аналогово-цифровой преобразователь последовательного приближения АБ7680. Для ШИМ управления датчиками момента использованы драйвера двигателей Ь293Б.
Особенностью цифровой реализации каналов управления является реализованная в макете процедура калибровки сигналов ММЧЭ и медианная фильтрация сигналов ММЧЭ. Применение на этапе обработки данных процедуры медианного фильтра с целью устранения из потока входного
сигнала ММЧЭ шумовых импульсов позволяет увеличить точность калибровки сигналов ММЧЭ, а, следовательно, уменьшить собственный уход
Собственный уход ГС определялся по показаниям образцового акселерометра А-15 (устанавливался на стабилизируемой площадке) и составил 0,00158 град/с. Длительность переходного процесса в системе определялась по показаниям ММГ и составила 0,25 с. Амплитуда погрешности стабилизации на качке определялась при помощи автоколлиматора и составила 1 угл. мин при амплитуде качки основания 2 град и частоте качки 1^2 Гц. Подтвержден штатный режим функционирования ГС в режиме управления.
1. Малютин Д.М., Распопов В.Я, Иванов Ю.В. Опыт создания систем стабилизации и управления линией визирования // 16-я Санкт-Петербургская Международная конф. по интегрированным навигационным системам: сб.матер. СПб.: 2009. Государственный научный центр РФ ЦНИИ «Электроприбор». С.89-90.
2. Малютин Д.М. Система стабилизации и управления на волоконно-оптических гироскопах / Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2014. № 5. С.121-125.
3. Малютин Д.М. Система стабилизации полезной нагрузки на динамически настраиваемом гироскопе / Приборы и методы измерений. 2016.
ГС.
Рис. 9. Общий вид макета ГС на ММЧЭ
Список литературы
Т. 7. № 1. С.32-40.
4. Патент на полезную модель №122477 РФ. Двухосный индикаторный гиростабилизатор на динамически настраиваемом гироскопе. Малютин Д.М. Дегтярев М.Н. Опубл. 27.11.2012. Бюл. №33.
5. Малютин Д.М., Малютина М.Д., Филин И.В. Индикаторный гиростабилизатор на микромеханических гироскопах // Инженерный журнал «Справочник» №1(166) с Приложением. М. Издательство «Машиностроение». 2011. С.44-53.
6. Патент на полезную модель №120491 РФ. Индикаторный гиростабилизатор. Малютин Д.М., Малютина М.Д. Опубл. 20.09.2012. Бюл. №26.
7. Малютин Д.М., Малютина М.Д. Информационно-измерительная и управляющая система беспилотных летательных аппаратов на микромеханических чувствительных элементах повышенной точности // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2014. №2. С.39-43.
Малютин Дмитрий Михайлович, канд. техн. наук, доц., проф., tgupu@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Телухин Сергей Владимирович, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Распопов Владимир Яковлевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
OPTICAL AIDS GYROSTABILIZERS D.M. Malyutin, S. V. Telukhin, V. Ya. Raspopov
The description and specifications of the optical aids gyrostabilizers developed by Control Devices depatrment of the Tula State University are cited.
Keywords: MEMS gyroscope, dynamically tuned gyroscope, fibre optic gyroscope, gyrostabilizer.
Malyutin Dmitriy Michaylovich, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Telukhin Sergey Vladimirovich, candidate of technical science, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Raspopov Vladimir Yakovlevich, doctor of technical science, professor, director of department, tgupu@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
