CC BY
167
УДК 629.7.058
Н.В. Волков
канд. тех. наук, доцент, кафедра «Авиационные приборы и устройства», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
А.С. Титов
магистрант,
кафедра «Авиационные приборы и устройства», Арзамасский политехнический институт (филиал) ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
АНАЛИЗ ПОГРЕШНОСТЕЙ ДАТЧИКА УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ
Аннотация. Статья посвящена вопросам повышения точности датчиков угловых скоростей за счет уменьшения их методических погрешностей. На основе анализа внешних воздействий, формируемых различными видами движения объекта, определены выражения методических погрешностей. Предложены способы уменьшения методических погрешностей за счет алгоритмической обработки дополнительной информации, формируемой как структурой датчиков угловых скоростей, так и других датчиков угловых скоростей, входящих в состав блока.
Ключевые слова: датчик угловых скоростей, внешние моменты, перекрестная угловая скорость, минимизация погрешности.
N.V. Volkov, Arzamas Polytechnical Institute (branch) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E Alekseev
A.S. Titov, Arzamas Polytechnical Institute (branch) Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E Alekseev
ANALYSIS OF ERRORS ANGULAR VELOCITY SENSOR
Abstract. Article is devoted to improving the accuracy of the angular velocity sensors by reducing their methodological errors. Based on the analysis of external influences, formed by different types of motion of the object, determined expression of methodological errors. Ways of reducing the systematic errors due to the algorithmic processing of the additional information formed as the structure of the angular velocity sensors, and other angular rate sensors that are part of the block.
Keywords: angular velocity sensor, external moments, cross the angular velocity, error minimization.
Измерение угловых скоростей подвижных объектов производится датчиками угловых скоростей (ДУС), построенными на различных физических принципах. Чрезвычайно широко применяются электромеханические ДУС жидкостного или поплавкового исполнения компенсационного типа (рис. 1).
Рисунок 1 - Датчик угловых скоростей: гу - гироузел, ду - датчик угла, у - усилитель, Кн - сопротивление нагрузки, му - моментное устройство, Н - кинетический момент
Первоначально ДУС на объекте устанавливается совмещением оси чувствительности У с измерительной осью объекта У! (рис. 2).
Рисунок 2 - Векторная диаграмма: ОХУ2 - система координат, связанная с гироузлом, OX1У1Z1 - система координат объекта, Шу| - измеряемая угловая скорость объекта, Мг - гироскопический момент.
В процессе измерения происходит поворот гироузла вокруг выходной оси ОХ - это приводит к тому, что создается ряд внешних моментов, формирующих как информационный сигнал, так и погрешности измерений. Источниками этих моментов являются различные виды движений объекта и конструктивно-технологические несовершенства устройства.
Рассмотрим следующие виды движения объекта (рис. 3):
- угловые вращательные движения ((у1,(х1,(71);
- угловые ускорения ((у1,(х1,(71);
- линейные ускорения ().
Рисунок 3 - Виды движения объекта
В соответствии с принципом действия и кинематикой ДУС рассмотренные виды движения объекта сформируют следующие внешние моменты, действующие по оси ОХ: - гироскопические моменты
Ml = -H ■ юУл ■ cosb;М2 = H ■ w ■ sinb, (1)
- момент сил инерции
- моменты небаланса
Ml = -Jx -w,;
M = v ■ m■ a ,M = z ■ m ■ a
цт J цт z* ' цт цт "
(2)
(3)
'цт ' цт цт у1 '
где т - масса гироузла, уцт,гт - смещение центра тяжести, - момент инерции гироузла, Н - кинетический момент.
Кроме этих моментов, следует учесть момент сил трения, возникающий в опорах гироузла:
Мтр = М0р • з!дп,Ц (4)
С учетом представленных моментов структурная схема ДУС (рис. 4) имеет несколько входов. Поскольку все представленные моменты являются входными, реакция ДУС на них в статике будет одинаковой и, следовательно, структурно улучшить точностные характеристики не представляется возможным.
Рисунок 4 - Структурная схема ДУС
Существуют следующие способы уменьшения погрешностей от рассмотренных влияющих величин:
- ограничение угла поворота гироузла в;
- создание спаренных гироскопов [1; 2];
- создание мультипликаторных конструкций [3].
Из представленных способов в настоящее время реализуется только первый из перечисленных. Однако, учитывая возможности современной вычислительной техники, можно с помощью алгоритмической обработки выходного сигнала ДУС минимизировать его погрешности от представленных факторов. Для этого необходимо сформировать дополнительные сигналы в структуре ДУС.
Такими сигналами могут быть:
1. Выходной сигнал датчика угла:
иду = Кду ¡. (5)
Этот сигнал конструктивно доступен для реализации, т.к. электронная часть устройства выполняется отдельным блоком.
2. Сигнал об угловой скорости вращения гироузла:
и0 = В 1п Д (6)
где В - магнитная индукция в рабочем зазоре; I - длина активной части витка катушки; п - число витков катушки.
Этот сигнал формируется в моментном устройстве, работающем в режиме магнитоэлектрического преобразователя. Конструктивно моментное устройство представляет собой неподвижный многополюсный магнит, вокруг которого размещены подвижные катушки, кинематически связанные с гироузлом. Катушки соединены таким образом, что образуют две электрические независимые цепи. Одна цепь включена в контур отрицательной обратной связи, другая цепь не имеет подключений и используется только для диагностики работоспособности ДУС («катушка завала»). Именно эта цепь и может быть использована для формирования сигнала об угловой скорости вращения гироузла.
Рассмотрим варианты алгоритмической минимизации погрешностей.
Погрешность от перекрестной угловой скорости <о. На объекте располагаются, как
минимум, три ортогонально ориентированных ДУС. Достаточно часто эти ДУС конструктивно объединены в блоки. Для исключения из выходного сигнала
ивых = Н(( • С°5 Ь - ( • ^ Ь)
(7)
составляющей со • э1пЬ, необходимо учитывать сигналы датчика угла основного ДУС и выходного сигнала ДУС по перекрестной оси (рис. 5).
Рисунок 5 - Функциональная схема Погрешность, вызванная соэД Формируется сигнал с датчика угла в виде соэ^ (рис. 6), который корректирует выходной сигнал ДУС.
Рисунок 6 - Функциональная схема Погрешность, вызванная ускоренным вращением основания ю. Формирование поправки производится по сигналу с «катушки завала» иь (рис. 7). Учитывая существенную разность быстродействия ДУС и объекта, можно реализовать фильтрацию сигнала поправки.
ДУС
_у_ ^
К(о)у1-савр -/Х С0Х1)
му
Рисунок 7 - Функциональная схема
Погрешности, образованные смещением центра тяжести гироузла. Смещение центра тяжести гироузла формирует не только дрейф ДУС, но и влияет на работу ДУС в случае ускоренного движения объекта.
Это влияние формируется по двум направлениям:
- непосредственное влияние на величину масштабного коэффициента через моменты сил инерции при ускоренном движении объекта;
- изменение момента трения в опорах, так как любая сила инерции, сформированная смещенным центром тяжести, создает реакцию опоры и, следовательно, изменяет силу нормального давления в опоре. В переходном процессе момент силы трения можно отождествить с силами жидкостного трения, оказывающими демпфирующее действие. В статическом режиме изменение силы трения приводит к изменению масштабного коэффициента.
Таким образом, показано, что использование средств вычислительной техники способствует повышению точности измерений угловой скорости объекта за счет снижения методических погрешностей ДУС. Инструментальные погрешности будут зависеть от состояния технологической и конструкторской баз.
Список литературы:
1. Бороздин В.Н. Гироскопические приборы и устройства систем управления / В.Н. Бороздин. - М.: Машиностроение, 1990. - 272 с.
2. Пельпор Д.С. Гироскопические приборы систем ориентации и стабилизации / Пель-пор Д.С., Осокин Ю.А., Рахтеенко Е.Р. - М.: Машиностроение, 1977. - 208 с.
3. Коновалов С.Ф. Проектирование гироскопических систем / Коновалов С.Ф., Никитин Е.А., Селиванова Л.М. - М.: Высшая школа, 1980. - Ч. 3.
