CC BY
10
Chernyak Tatyana Anatolievna, candidate of economic sciences, docent, 79119113039@yandex.ru, Russia, St. Petersburg, Saint-Petersburg State University for Civil Aviation,
Maiorov Evgeny Evgenievich, candidate of technical sciences, docent, majorov_ee@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Kurlov Viktor Valentinovich, candidate of technical sciences, docent, vitek543@ramblerl.ru, Russia, St. Petersburg, Saint-Petersburg state university of aerospace instrumentation (GUAP),
Tayurskaya Irina Solomonovna, candidate of economic sciences, docent, tis_ivesep@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Saint-Petersburg University of management technologies and Economics
УДК 62-752.4:681.586.2
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-251-256
РЕАЛИЗАЦИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ АВТОКОЛЕБАТЕЛЬНОГО КОНТУРА ВОЛНОВОГО
ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ГИРОСКОПА
Ж.С. Абгарян, Я.В. Дулуб, В.В. Лихошерст
Приведена реализация автоколебательного контура первичных колебаний волнового твердотельного гироскопа с использованием аналоговых элементов. Показана устойчивость автоколебаний. Рассмотрены вопросы управления амплитудой и фазой автоколебаний.
Ключевые слова: металлический резонатор, автоколебания, волновой твердотельный гироскоп.
Задача построения гироскопического датчика, обладающего малыми габаритами, большим ресурсом работы и позволяющим измерять параметры углового движения с высокой точностью является актуальной для построения на его базе малогабаритных систем ориентации и стабилизации различной структуры и назначения. На сегодняшний день этим требованиям максимально соответствуют два типа гироскопических датчиков угловой скорости: микрогироскопы изготовленные по технологии МЭМС [1] и волновые твердотельные гироскопы (ВТГ) [2]. Первые являются наиболее миниатюрными и обладают самым низким энергопотреблением, при этом основной сложностью производства данных приборов является технология изготовления как механической части микроструктуры, так и электронной части съема и обработки сигналов. При этом наибольшего качественного эффекта удается достигнуть при изготовлении перечисленных элементов на единой подложке - система на кристалле (SoC - system on chip). Пока данные технологии не в полной мере доступны российским производителям.
Волновые твердотельные гироскопы напротив могут быть изготовлены по традиционным технологиям и представляют собой интегрированные системы, состоящие из чувствительного элемента и блока электроники. Среди чувствительных элементов волновых гироскопов следует выделить два основных типа с полусферическим резонатором и цилиндрическим резонатором. Первые чаще всего изготавливаются из кварцевого стекла и обладают минимальной добротностью порядка 1 000 000. Вторые имеют металлические резонаторы, изготовление которых возможно на прецизионных токарных станках.
ВТГ с полусферическим резонатором в зависимости от варианта построения системы управления могут быть как свободными гироскопами, так и гироскопическими датчиками угловой скорости. Приборы с металлическим резонатором цилиндрической формы из-за существенно меньшей добротности (30 000 - 45 000) чаще всего проектируются по схеме датчика угловой скорости, хотя работы по построению на их базе датчика угла также проводятся.
Функционирование данных гироскопов основано на свойстве стоячей волны в кольцевом резонаторе открытом ещё в XIX столетии. Одним из критериев, обеспечивающих качественную работу прибора, является возбуждение и поддержание стоячей волны на резонансной частоте - первичные колебания. Управление амплитудой и частотой колебаний резонатора традиционно реализуется по принципу обеспечения фазового запаздывания равного 90° между задающим гармоническим сигналом на резонансной частоте и выходным сигналом, снимаемым с резонатора. Реализация такого способа управления возможна при наличии высокоточных измерителей выходного сигнала (аналого-цифровых преобразователей), высокопроизводительного вычислителя (сигнальные процессоры, ПЛИС) и быстродействующего ЦАП с разрядностью не менее 12 - 14 бит. Такой набор элементов позволяет достигнуть точности и стабильности показаний ВТГ достаточных для построения на их базе систем ориентации и стабилизации с ограниченным временем. Однако стоимость элементов, сложность настройки и калибровки (для каждого резонатора) существенно увеличивают себестоимость и трудоемкость изготовления ВТГ. В следствии чего поиск путей уменьшения себестоимости и трудоемкости изготовления, а также и настройки контура первичных колебаний является актуальной задачей. В связи с этим целью настоящей статьи является поиск пути построения контура первичных колебаний на элементной базе меньшей стоимости.
251
Резонансные частоты металлических чувствительных элементов зависят от геометрических размеров резонатора и, для исследованных авторами резонаторов, составляют от 4 до 8 кГц. При этом с позиции применения ВТГ в составе систем, размещаемых на подвижных объектах, которые в процессе функционирования испытывают воздействие вибрационных перегрузок, повышение собственной частоты резонатора является предпочтительным. Исходя из этого для исследования был выбран резонатор с собственной частотой порядка 7,5 кГц, а за направление поиска схемы возбуждения колебаний - автоколебательный режим.
Выбор автоколебательного режима обусловлен тем, что построение схемы вынужденных колебаний требует разработки малогабаритного аналогового высокоточного управляемого генератора гармонических колебаний с частой близкой к 8 кГц и возможностью изменения частоты в сотых долях герц, что является отдельной поисковой задачей.
Одним из условий возникновения автоколебаний является сдвиг фаз в контуре равный -180°. При этом за счет особенностей конструкции резонатора (расположения датчиков) сдвиг -90° уже существует в ней изначально. Необходимость коррекции сдвига фаз определила выбор нелинейного элемента в разрабатываемом контуре. Выбрана схема с релейным элементом с зоной неоднозначности, порогами срабатывания которого можно управлять в широких пределах.
Упрощенная схема такого контура показана на рис. 1. Она включает в себя: релейный элемент 1 связанный с усилителем 2, сигнал которого поступает на резонатор 4 с пьезоэлементов 3. Сигнал снимаемый с пьезоэлементов 5 поступает на вход предварительного усилителя 6, расположенного в цепи обратной связи, выходной сигнал данного усилителя поступает на вход релейного элемента 1.
к. г >-■0-
й
6<3
Рис. 1. Структурная схема автоколебательного контура
По данной схеме был реализован макет, в котором все электронные узлы структуры (рис. 1) были построены на базе универсальных операционных усилителей по известным схемным решениям [3]. В процессе исследования данной схемы было выявлено:
- запуск автоколебаний при включении питания (от шума в измерительно-преобразующем тракте) происходит при фазовом запаздывании между сигналом на входе резонатора и на выходе с него в диапазоне от 130° до 145°. Т.е. запуск происходит в зарезонансной полосе частот;
- запуск автоколебаний возможен только при существенном (более 20) коэффициенте усиления усилителя 6, обеспечивает сужение зоны нечувствительности релейного элемента;
- запуск автоколебаний возможен при наличии фазосдвигающего элемента между выходным сигналом пьезоэлемента 5 и входом усилителя 6, обеспечивает начальное фазовое запаздывание при стремящейся к нулю ширине зоны неоднозначности релейного элемента;
- амплитуда выходных колебаний составляет от 0,9 до 1 амплитуды входных колебаний раскачки;
- автоколебания устойчивы в широком диапазоне угловых скоростей и угловых ускорений в направлении измерительной оси резонатора.
Выводы по результатам исследования макета:
- подтверждена возможность построения контура первичных колебаний на более дешевой (доступной) элементной базе;
- недостатком схемы является работа в зарезонансной полосе частот и, как следствие, малая амплитуда первичных колебаний по сравнению с другими способами их создания. Малая амплитуда выходных колебаний при построении ВТГ приведет к снижению чувствительности прибора к измеряемому воздействию.
Для поиска путей преодоления выявленного недостатка была разработана имитационная модель контура и проведено моделирование в два этапа:
1 проверка адекватности математической модели - сравнение результатов, полученных на модели с результатами, полученными на макете;
2 проработка путей приведения контура к резонансу.
Имитационные модели для первого и второго этапов работы приведены на рис. 2 а и б соответственно.
Проверка адекватности модели (рис. 2, а) не вызвала затруднений: амплитудные и частотные характеристики между моделью и макетом соответствуют друг другу с точностью до точности номиналов резисторов, определяющих коэффициенты усиления операционных усилителей (порядка 10 %). Для выполнения второго этапа работы была реализована имитационная модель (рис. 2 б), в которую дополнительно включены следующие элементы:
- демодулятор сигнала с резонатора: состоит из выпрямителя и фильтра;
- цепь включения и выключения из контура управления фазосдвигающего элемента;
- цепь переключения коэффициента усиления усилителя БЛ2.
— —■ -—
Ера
-SHI
N3
б
Рис. 2. Имитационные модели: M, B, G - масса, демпфирование и жесткость резонатора; К1, К2 - коэффициенты преобразования из вольт в силу деформации резонатора и из силы деформации в вольты, соответственно; КЗ - коэффициент определяющий амплитуду
шумовой составляющей; DA1, DA2, DA3 - коэффициенты усиления операционных усилителей макета; К, Т - коэффициент усиления и постоянная времени фильтра; К5, К6 - коэффициенты
усиления усилителя DA2
В виде структурной схемы контур управления, соответствующий имитационной модели (рис. 2 б) имеет вид, показанный на рис. 3.
ii но-
г-,10
см 13 >
Рис. 3. Структурная схема автоколебательного контура: 1, 5, 6 - усилители; 2,4 - коммутирующие элементы; 3 - фазосдвигающий элемент; 7 - триггер Шмитта; 8,10 - пьезоэлементы; 9 - резонатор; 11 - выпрямитель; 12 - сглаживающий фильтр; 13 - элемент сравнения
В процессе моделирования определена амплитуда выходного сигнала резонатора, позволяющая обеспечить запуск автоколебаний с фазовым запаздыванием порядка 135 - 140° (рис. 4 а). Данная величина служит для переключения коммутирующих элементов 2 и 4, первый из которых исключает из цепи управления элемент запаздывания 3, а второй переключает входы операционных усилителей, тем самым изменяя коэффициент усиления контура автоколебаний. Изменение коэффициента усиления на входе релейного элемента, изменяет амплитуду входного сигнала, при которой происходит его переключение. Это позволяет изменять фазовое запаздывание в контуре в широком диапазоне. По результатам модели-
а
рования определен коэффициент усиления, при котором фазовое запаздывание в контуре близко к 90°, при этом ожидаемо происходит увеличение амплитуды колебаний. График выхода на режим показан на рис. 4 б.
5 10 15
Время, с б
Рис. 4. Результат моделирования выход на режим автоколебательного контура: а - фазовая задержка, коэффициент усиления 22; б - переключение между коэффициентами усиления и исключение фазовой задержки при амплитуде выходного сигнала 0,18 В
Анализ графиков (рис. 4) позволяет говорить о достижении цели моделирования. Однако предложенный двухступенчатый выход на режим существенно увеличивает время готовности ВТГ к работе: 6 - 6,5 секунд без переключения и порядка 10 секунд с переключением.
Полученные результаты были проверены на доработанном макете. На рис. 5 а приведены осциллограммы, соответствующие участку установившегося движения для схемы рис. 2 а, на рис. 5 б для схемы рис. 2 б.
0.1 I О
Я -0 0.1
\ Л г
\ 1 \
\ \
1 1 *
............/.............. '.......I
у и и 1 4 V
0.2 0.3
Бремя, НС В|>емя, мс
а б
Рис. 5. Результаты моделирования: а - установившийся режим без переключения; б - установившийся режим с переключением (синусоида - выходной сигнал резонатора, меандр - сигнал на выходе релейного элемента) 254
В целом результаты моделирования подтверждаются экспериментальными исследованиями и позволяют говорить о возможности построения автоколебательного контура создания первичных колебаний ВТГ. Реализованная в макете схема рис. 3 построена на базе семи универсальных операционных усилителей. Напряжение питания схемы биполярное со средней точкой и амплитудой ± 12 В. Ток потребления макета 7 мА.
При исследовании контура выявлена возможность срыва автоколебаний при вращении резонатора в направлении оси чувствительности с угловыми скоростями более 200 °/с. Срыв колебаний вызван существенным уменьшением выходной амплитуды колебаний резонатора вследствие смещения волновой картины.
Решение задачи устойчивости автоколебаний планируется по двум направлениям:
- реализация контура обратной связи по каналу вторичных колебаний;
- включение в контур первичных колебаний местной обратной связи поддерживающей амплитуду колебаний на входе релейного элемента.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках государственного задания по теме «Развитие теории инерциальных датчиков первичной информации для навигационных систем высокоманевренных летательных аппаратов» (FEWG-2022-0002).
Список литературы
1. Распопов В.Я. Микромеханические приборы: учебное пособие. М.: Машиностроение, 2007.
400 с.
2. Распопов, В.Я., Волчихин, И.А., Волчихин, А.И., Ладонкин, А.В., Лихошерст В.В., Матвеев В.В. Волновой твердотельный гироскоп с металлическим резонатором / Под ред. В.Я. Распопова. Тула: Издательство ТулГУ, 2018. 189 с.
3. Хоровиц П, Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. Изд. 2-е. М.: Издательство БИНОМ. 2014. 704 с.
Абгарян Жора Смбатович. лаборант-исследователь, abgaryan308@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Дулуб Ян Витальевич, лаборант-исследователь, lolw0tt@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Лихошерст Владимир Владимирович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, lvv_01 @inbox.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
ANALYSIS OF WAYS TO CREATE PRIMARY OSCILLATIONS IN A METAL RESONATOR
Zh.S. Abgaryan, Ya.V. Dulub, V.V. Likhosherst
Two methods of creating primary oscillations of a wave solid-state gyroscope with a metal resonator are considered. Experimental studies and analysis of the advantages and disadvantages of both methods have been carried out from the position of constructing an angular velocity sensor for orientation or stabilization systems.
Key words: resonance, self-oscillation, natural frequency, gyroscope.
Abgaryan Zhora Smbatovich. laboratory researcher, abgaryan308@gmail. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Dulub Yan Vitalievich, laboratory researcher, lolw0tt@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Likhoshurst Vladimir Vladimirovich, candidate of technical sciences, senior researcher, lvv_01 @inbox. ru, Russia, Tula, Tula State University
