ДОСЛіДЖЕННЯ СИСТЕМИ СТЕЖЕННЯ КОРіОЛіСОВОГО ГіРОСКОПА ЗА РЕЗОНАНСНОЮ ЧАСТОТОЮ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

СИСТЕМЫ И ПРОЦЕССЫ УПРАВЛЕНИЯ

УДК 629.13.014 DOI: 10.15587/2312-8372.2015.42745

Безвес1льна 0. М., Щрук В. Г., Ткачук А. Г., Просюк А. 0., Самсонова Н. В., Хомяк 0. М.

Д0СЛ1ДЖЕННЯ СИСТЕМИ СТЕЖЕННЯ К0Р10Л1С0В0Г0 Г1Р0СК0ПА ЗА РЕЗОНАНСНОЮ ЧАСТОТОЮ

У статтг розглянуто новий корклкоеий ггроскоп (КВГ) — датчик кутоеог шеидкост1 (ДКШ) системи стабшзацп наеггацгйного комплексу сучасног легког броньоеаног технгки. Розроблено систему стеження КВГ за резонансною частотою. Зазначенг датчики мають широку галузь застосуеання, у тому числг — стабшзацп платформ 1з устаноеленими на них еимгрюеальними пристроями й у системах керуеання рухомими об'ектами ргзного класу.

Клпчов1 слова: корголгсоеий ггроскоп, резонансна частота, датчик кутоеог шеидкостг.

1. Вступ

До КВГ сьогодш пред'являються висок вимоги для забезпечення необхвдно! точност системи стабтзацп навкацшного комплексу легко! броньованоï техшки. На ПАТ «НВО «КЗА iM. Г. I. Петровського» розроблено новий високоточний КВГ.

Конструкщя резонатора КВГ мае бути такою, яка забезпечуе вдентичшсть двох мод коливань (первин-но! i вторинноï). Оскiльки у цьому випадку забезпе-чуеться максимальна точшсть, то КВГ мае вiдноситись до другого класу проскотв. Конструкцiя мае осьову симетрш. 1снують двi геометричш фiгури, що мають високу осьову симетрш: сфера i цилшдр. Сфера (або твсферична оболонка) мае максимальну осьову симетрш i на основi цiеï геометричноï фiгури створено твсферич-нi кварцовi КВГ, якi в шоземнш лiтературi скорочено називають HRG (Hemispherical Resonator Gyroscope). Резонатор цього проскопа мае добротнiсть 5-10 мшь-йонiв i збуджуеться електростатичними (безконтактни-ми) електродами. Такий резонатор не технолопчний у виробництвi i, як наслвдок, дорогий у виготовленнi, його складно балансувати i для балансування потрiбно дороге устаткування [1, 2].

У лггератур^ однак, не дослщжено питання розроб-ки системи стеження КВГ за резонансною частотою, що надзвичайно важливо для забезпечення необхiдноï точностi. Цим обгрунтовуеться актуальнiсть даного до-слщження.

2. Постановка завдання

Щоб отримати максимально високу точшсть i чут-лившть КВГ, його резонатор повинен збуджуватись на резонанснш частотi. Проте, у процеа роботи резонансна частота змшюеться через дiю температури, а також через змшу жорсткосп резонатора, що обумовлено вто-мою матерiалу. Цi ефекти вимагають розробки системи стеження за резонансною частотою так, щоб сигнал збудження коливань резонатора мав резонансну частоту у момент його подання на резонатор.

3. 06'ект, мета та задач1 дослщження

Об'ект дослгдження — система стеження КВГ за резонансною частотою.

Метою статтг е розробка системи стеження КВГ за резонансною частотою.

Для досягнення поставлено! мети необхщно вико-нати так задачг.

1. Розробити структурну схему ФАПЧ.

2. Розглянути динамжу коливань резонатора.

3. Провести аналiз точносп стеження КВГ за резонансною частотою.

4. Анал1з л1тературних даних

Проведет дослщження показали, що великий внесок у теорш та практику проскотчних чутливих елементiв, датчикiв кутово'! швидкостi, систем стабiлiзацii в СНД бу-ло зроблено низкою видатних вчених. А. О. Одинцовим, Б. Б. Самотокшим, О. В. Збруцьким, М. А. Павловським, В. В. Карачуном, В. В. Чжоваш [2] та шшими. Однак, у ввдомш лiтературi не дослщжено питання розробки системи стеження КВГ за резонансною частотою.

У робот [3] запропоновано використовувати для тривимiрного аналiзу роботи рухомих платформ на основi гiроскопiв метод кватернюшв.

У роботi [4] проведено аналiз рiвняння руху авiа-цшно! гравiметрично'i системи (АГС), чутливим еле-ментом яко! е гiроскопiчний гравiметр. Узагальнено теорiю i принципи побудови прецизшних гiроскопiчних гравiметрiв. Описано проведет експериментальш досль дження АГС iз використанням гiроскопiчного гравiметра з цифровою обробкою iнформацii.

У роботi [5] запропоновано використовувати МЕМС-технологп у проектуванш сучасних гiроскопiв.

У роботах [6-8] описано роботу п'езоелектричного проскопа та принцип стеження за резонансною частотою. Дослщжено залежшсть змши резонансно'! частоти вщ впливу температури зовнiшнього середовища.

У роботах [9, 10] викладено теорш i принципи побудови системи ударо- i вiброзахисту чутливих елеменпв

4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 3/2(23], 2015, © Безвесшьна О. М., Ц1рук В. Г, Ткачук А. Г,

Прасюк А. □., Самсанава Н. В., Хомяк □. М.

ISSN 222Б-3780

СИСТЕМЫ И ПРОЦЕССЫ УПРАВЛЕНИЯ

J

стабiлiзатора озброення легко! броньовано! технiки. Описано будову цифрового КВГ та розглянуто його чутливий елемент.

5. Система фазового автопщстропвання частоти

Одна iз основних систем КВГ е автогенератор. За-звичай, налаштування контуру позитивного зворотного зв'язку формуеться так, щоб сума коефiцiентiв посилення по усьому ланцюгу зворотного зв'язку дорiвнювала оди-ницi. Така система швидко знаходить резонансну частоту i стiйко утримуе 11 при температурних i iнших варiацiях резонансно! частоти. Недолшом автогенератора е великi шуми. Тому для точних приладiв використовують iншi системи стеження за резонансною частотою. Одшею iз найчастiше використовуваних систем е система фазового автотдстроювання частоти (ФАПЧ). ФАПЧ складаеться з трьох основних блоюв: фазовий детектор, контролер i генератор керування напругою (ГКН) (у цифровому виконанш управляеться кодом). Структурна схема ФАПЧ i 11 пiдключення до чутливого елементу представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурна схема ФАПЧ

У схемi чутливий елемент (ЧЕ) складаеться з резонатора, актюатора (п'езоелемента збудження, що впливае на резонатор силою F) i вимiрювача (п'езоелемента, що вимiрюе вiдхилення резонатора вщ нейтрального стану). Фазовий детектор реалiзуеться, як демодулятор, що складаеться з помножувача на опорну частоту i фшьт-ра низько! частоти (ФНЧ). ГКН синтезуе частоту пропорцшно напрузi, що подаеться на його вхщ.

Динамiка коливань резонатора описуеться рiвнянням другого порядку:

де 8 — миттева фаза ГКН, cos8 — вихщний сигнал ГКН, А — амплггуда сили, визначена параметрами п'езокерамь ки i системою стабтзацп амплiтуди коливань А = Vw/g31, V — електрична напруга, що подаеться на п'езокерамжу, w — ширина п'езокерамжи, g31 — п'езоелектрична постшна.

6. Система автоматичного регулпвання пщсилення

ФАПЧ гарантуе захоплення резонансно! частоти, якщо початкова частота ГКН ю0 досить близька до резонансно! частоти юг. У зв'язку з тим, що юг е локальним максимумом, то, чим ближче ю0 до юг, тим надшшше i швидше вiдбудеться захоплення резонансно! частоти системою ФАПЧ. Крiм того, за умови близькост ю0 до юг, параметри ФАПЧ можна настро!ти на вузьку смугу захоплення частоти, мiнiмiзуючи при цьому шум ФАПЧ, а отже — максимiзувати точшсть стеження.

Одним iз можливих i досить ефективних способiв завдання початково! частоти ГКН, при включенш КВГ на будь-якiй температурi з робочого дiапазону, е вве-дення у систему управлшня автогенератора (рис. 2) як допомiжного елемента [2]. У дiапазонi вiд 0,1 до 0,4 с роботи автогенератора визначаеться частота резонансу з похибкою не бшьше 0,1 Гц. Ви-мiряна частота передаеться на ГКН ФАПЧ в якост ю0. Далi, автогенератор вщключаеться i ФАПЧ, впродовж часу не бшьше 0,5 с, на-дшно захоплюе резонансну частоту, тому що початкова частота ГКН ю0 = юг. При цьому, сумарний час виходу КВГ на режим вимiрю-вання при будь-якш температурi з робочого дiапазону не перевищуе 1 с.

Смуга пропускання ФАПЧ i перехiднi про-цеси визначаються, в основному, параметрами контролера. При робот ФАПЧ поблизу резонансно! частоти !! роботу можна з до-статньою точнiстю описати лшеаризованими р1вняннями. 3 щею метою слщ отримати пе-редатну функцiю лiнеаризовано! ФАПЧ. На рис. 3 представлена блок-схема, до складу яко! входить ЧЕ, демодулятор в якост фазового детектора, контролер (регулятор) i ГКН. Була отримана передатна функщя ЧЕ, до складу яко! увшшов демодулятор. Тому демодулятор у складi ФАПЧ можна виключити з роз-гляду i перетворити блок-схему на рис. 1 у блок-схему на рис. 3.

x + cx + = F,

(1)

де х — вщхилення резонатора вiд нейтрального положення, с — нормований (на масу) коефщент демпфiрування, юг — резонансна частота, F — сила, що збуджуе резонатор, дiе вщ п'езокерамiки збудження. Ця сила може бути представлена у виглядк

F = A cos 6,

(2)

Рис. 2. Блок-схема ФАПЧ i3 запускам вщ автогенератора

СИСТЕМЫ И ПРОЦЕССЫ УПРАВЛЕНИЯ

ISSN 2226-3780

Рис. 3. Блок-схема ФАПЧ i ЧЕ з модулятором-демодулятором

7. Анал1з точносТ стеження за частотой

Час пошуку резонансно'! частоти залежить вщ того, насюльки точно задаеться !! початкове значення. Чим ближче початкове значення частоти ГКН до резонансно! частоти, тим швидше i точшше ФАПЧ !! знаходить. На рис. 4 приведений графж залежностi рiзницi мiж резонансною частотою i частотою збудження при невiдомiй резонанснiй частотi, тобто початкове значення частоти ГКН дорiвнюе нулю (використано передатну функщю ФАПЧ без фазового детектора [9, 10]).

На рис. 7 представлеш графжи вхiдного шуму АЦП i буфера, середньоквадратичне значення якого приведене до частоти, piBrn овх = 0,5 Гц в частотному дiапазонi до 50 кГц i шуму на виходi резонатора, СКВ якого рiвне ових = 0,02 Гц. Коефщент пригнiчення шумiв АЦП i буфера дорiвнюe 0,5/0,02 = 25.

1.4 1.2 1

I 0.8

I 0.6

<

0.4

. Час встановлення 60 мс

Час, с

Рис. 6. Час встановлення точного стеження за частотою тсля удару

Рис. 4. Вихщ на резонанс при початковш частотi ГКН рiвноi' нулю

Рис. 7. Пригшчення ФАПЧ шумiв АЦП i буфера

Частота збудження ГКН досягае резонансу з по-хибкою менше 0,01 Гц пльки за 4,5 с.

На рис. 5 зображено графж пе! ж залежностi при початковш частотi ГКН, що вiдрiзняеться вщ резонансно! на 0,5 Гц. Вже на 20-тш мс вщмшшсть резонансно! частоти вiд частоти збудження дорiвнюе 0,01 Гц. Так, щоб ФАПЧ швидко захоплював резонансну частоту, слщ спочатку запускати автогенератор, вимiрювати частоту резонансу в режимi автогенератора, а попм перемикатися на ФАПЧ, задаючи ГКН вимiряну частоту резонансу

Рис. 5. Вихщ на резонанс при початковш частой 1ГВ!! — 0,5 Гц

На рис. 6 показано перехщний процес ФАПЧ при стрибкоподiбнiй змш частоти резонансу вщ ди зов-нiшнiх збурень.

Час встановлення режиму стеження за резонансною частотою з похибкою не бiльше 0,01 Гц дорiвнюе 60 мс.

На рис. 8 показано шум на виходi резонатора при вхщному шумi ЦАП аналогiчному за параметрами шуму АЦП i буфера.

Як видно, коефiцiент пригнiчення шумiв ЦАП до-рiвнюе 25000, що значно бшьше, чим коефiцiент при-гнiчення шумiв АЦП. Тому шумам АЦП i буфера необ-хiдно придiляти велику увагу, мiнiмiзуючи !х засобами схемотехшки.

Рис. 8. Частотний шум, обумовлений шумами ЦАП

8. Висновки

В результат проведених дослщжень:

1. Розглянуто i описано корiолiсовий гiроскоп, роз-роблений ПАТ «НВО «КЗА iм. Г. I. Петровського», побудований на основi металевого резонатору, що мае високу точшсть та надшшсть.

2. Розроблено структурну схему системи фазового автопщстроювання частоти, яка складаеться з трьох

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 3/2(23], 2015

ISSN 222Б-3780

СИСТЕМЫ И ПРОЦЕССЫ УПРАВЛЕНИЯ

основних блоюв: фазовий детектор, контролер i генератор керування напругою.

3. Розроблено ефективну систему стеження КВГ за резонансною частотою. Встановлено, що час пошуку резонансно! частоти залежить вщ того, наскшьки точно задаеться ii початкове значения. Чим ближче початко-ве значення частоти генератора керування напругою до резонансно! частоти, тим швидше i точнiше фазове автотдстроювання частоти ii знаходить.

Литература

1. Безвесшьна, О. М. Методи оптгашзацп цшьово! функци та щентифжацп характеристик прецизiйиих иавiгацiйиих систем [Текст]: монографiя / О. М. Безвесшьна, Ю. В. Киричук, Ю. О. Подчашинський. — Житомир: ЖДТУ, 2010. — 200 с.

2. Щрук, В. Г. Системи наведення та стаб1мзацп озброен-ня [Текст]: монографiя / В. Г. Щрук, О. М. Безвесшьна, В. П. Квасшков, В. В. Чжоваш. — Ки!в: НАУ, 2014. — 176 с.

3. Tadano, S. Three Dimensional Gait Analysis Using Wearable Acceleration and Gyro Sensors Based on Quaternion Calculations [Text] / S. Tadano, R. Takeda, H. Miyagawa // Sensors. — 2013. — Vol. 13, № 7. — P. 9321-9343. doi:10.3390/ s130709321

4. Bezvesilnaya, E. N. Corrected gyrocompass synthesis as a system with changeable structure for aviation gravimetric system with piezoelectric gravimeter [Text] / E. N. Bezvesilnaya, A. H. Tka-chuk // Aviation. — 2014. — Vol. 18, № 3. — P. 134-140. doi:10.3846/16487788.2014.969878

5. Xia, D. The Development of Micromachined Gyroscope Structure and Circuitry Technology [Text] / D. Xia, C. Yu, L. Kong // Sensors. — 2014. — Vol. 14, № 1. — P. 1394-1473. doi:10.3390/ s140101394

6. Singh, A. K. Piezoelectric Gyro Sensor Technology [Text] / A. K. Singh // Defence Science Journal. — 2007. — Vol. 57, № 1. — P. 95-103. doi:10.14429/dsj.57.1735

7. Shiratori, N. Temperature Characteristic Compensation of a Miniature Bi-Axial Gyro-Sensor Using a Disk-Type Resonator [Text] / N. Shiratori, M. Hatakeyama, S. Okada // Japanese Journal of Applied Physics. — 1999. — Vol. 38, Part 1, № 9B. — P. 5586-5591. doi:10.1143/jjap.38.5586

8. Donley, E. A. Nuclear magnetic resonance gyroscopes [Text] / E. A. Donley // Proceedings of the IEEE Sensors, Kona, HI, USA, 1-4 November 2010. — IEEE, 2010. — Р. 17-22. doi:10.1109/icsens.2010.5690983

9. Цифровий коркшавський вiбрацiйиий проскоп [Електрон-ний ресурс]: Патент Украши № 101747 / Маляров С. П., Щрук В. Г., Школаенко А. В. — № а 2011 13301; заявл. 11.11.2011; опубл. 25.04.2013, Бюл. № 8. — Режим доступу: \www/URL: http://uapatents.com/9-101747-cifrovijj-koriolisivskijj-vibracijjnijj-giroskop.html

10. Чутливий елемент корюлюова вiбрацiйиого проскопа [Елект-ронний ресурс]: Патент Украши № 97783 / Маляров С. П., Щрук В. Г., Школаенко А. В. — № а 2011 10539; заявл. 31.08.2011; опубл. 12.03.2012, Бюл. № 5. — Режим доступу: \www/URL: http://uapatents.com/8-97783-chutlivijj-element-koriolisova-vibracijjnogo-giroskopa.html

ИССЛЕД0ВАНИЕ СИСТЕМЫ СЛЕЖЕНИЯ К0РИ0ЛИС0В0Г0 ГИРОСКОПА ЗА РЕЗОНАНСНОЙ ЧАСТОТОЙ

В статье рассмотрен новый кориолисовый гироскоп (КВГ) — датчик угловой скорости (ДУС) системы стабилизации навигационного комплекса современной легкой бронированной техники. Разработана система слежения КВГ за резонансной частотой. КВГ имеют широкую область применения, в том числе, они используются для стабилизации платформ с установленными на них измерительными устройствами и в системах управления подвижными объектами разного назначения.

Ключевые слова: кориолисовый гироскоп, резонансная частота, датчик угловой скорости.

Безвесшьна Олена Миколагвна, доктор mexHi4Hux наук, профе-сор, заслужений diMU науки i технки Украти, кафедра приладобу-дування, Нацюнальний технгчний утверситет Украти «Кшвський полтехтчний тститут», Украта, e-mail: bezvesilna@mail.ru. Щрук Вжтор Григорович, кандидат технчних наук, докторант, кафедра приладобудування, Нацюнальний технчний утверситет Украти «Кигвський полтехшчний iнститут», Украта, e-mail: kza@kza.com.ua.

Ткачук Андрт Геннадтович, кандидат техшчних наук, старший викладач, кафедра автоматизованого управлтня технологлч-ними процесами та комп'ютерних технологш, Житомирський державний технологiчний утверситет, Украта, e-mail: andrew_tkachuk@i.ua.

Просюк АнастаЫя Олександрiвна, кафедра автоматизованого управлтня технологiчними процесами та комп'ютерних технологш, Житомирський державний технологiчний утверситет, Украта, e-mail: nastua2008@inbox.ru.

Самсонова Нта Вiкторiвна, кафедра автоматизованого управлтня технологлчними процесами та комп'ютерних технологш, Житомирський державний технологiчний утверситет, Украта, e-mail: andrew_tkachuk@i.ua.

Хомяк Олександр Миколайович, кафедра автоматизованого управлтня технологлчними процесами та комп'ютерних технологш, Житомирський державний технологiчний утверситет, Украта, e-mail: andrew_tkachuk@i.ua.

Безвесильная Елена Николаевна, доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники Украины, кафедра приборостроения, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Украина. Цирук Виктор Григорьевич, кандидат технических наук, докторант, кафедра приборостроения, Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Украина.

Ткачук Андрей Геннадьевич, кандидат технических наук, старший преподаватель, кафедра автоматизированного управления технологическими процессами и компьютерных технологий, Житомирский государственный технологический университет, Украина. Просюк Анастасия Александровна, кафедра автоматизированного управления технологическими процессами и компьютерных технологий, Житомирский государственный технологический университет, Украина.

Самсонова Нина Викторовна, кафедра автоматизированного управления технологическими процессами и компьютерных технологий, Житомирский государственный технологический университет, Украина.

Хомяк Александр Николаевич, кафедра автоматизированного управления технологическими процессами и компьютерных технологий, Житомирский государственный технологический университет, Украина.

Bezvesilna Olena, National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine, e-mail: bezvesilna@mail.ru. Tsyruk Victor, National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Ukraine, e-mail: andru_tkachuk@ukr.net. Tkachuk Andriy, Zhytomyr State Technological University, Ukraine, e-mail: andrew_tkachuk@i.ua.

Prosyuk Anastasia, Zhytomyr State Technological University, Ukraine, e-mail: nastua2008@inbox.ru.

Samsonova Nina, Zhytomyr State Technological University, Ukraine, e-mail: andrew_tkachuk@i.ua.

Khomyak Alexander, Zhytomyr State Technological University, Ukraine, e-mail: andrew_tkachuk@i.ua