CC BY
63
Gnusarev Dmitry Sergeevich, electronics engineer, men4eg@gmail. com, Russia, Saratov, Branch of the Federal State Unitary Enterprise "Academician Pilyugin Scientific-production Center of Automatics and Instrument-making" - "Production Association "Korpus"
УДК 53.084.2
ШЕСТИОСНЫЙ БЛОК АКСЕЛЕРОМЕТРОВ ДЛЯ КК «СОЮЗ» И «ПРОГРЕСС» ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ: ОТ АНАЛОГОВОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫМ КАНАЛОМ
К ЦИФРОВОЙ
Д.М. Калихман, Л.Я. Калихман, В.В. Скоробогатов, Е.А. Депутатова,
А.Ю. Николаенко, Д.С. Гнусарёв
Рассмотрена история разработки и развития шестиканального блока измерителей линейного ускорения (БИЛУ), который с 2002 года эксплуатируется в составе системы управления космического корабля (КК) «Союз». В настоящее время проведена разработка кварцевого маятникового акселерометра с цифровой обратной связью, что позволило расширить функциональные возможности прибора БИЛУ, провести на практике политику импортозамещения. Учитывая полученные результаты, руководство ракетно-космической корпорации (РКК) «Энергия» приняло решение об использовании прибора в системе управления не только космического корабля «Союз - МС», но и транспортного корабля «Прогресс - МС». Разработанный прибор прошёл все виды отработочных испытаний и поставляется в РКК «Энергия» с января 2019 года.
Ключевые слова: акселерометр, цифровая обратная связь, импортозамещение, линейное ускорение.
Введение. В 1997 году РКК «Энергия» начала модернизацию транспортной системы в рамках программы Международной космической станции. Заместитель Генерального конструктора РКК «Энергия», д-р физ.-мат. наук Владимир Николаевич Бранец и главный специалист по разработке гироскопических приборов РКК «Энергия», канд. техн. наук Юрий Алексеевич Бажанов поставили конструкторскому бюро (КБ) производственного объединения (ПО) «Корпус» задачу разработки блока измерителей линейного ускорения для спускаемого аппарата космического корабля «Союз - ТМА». Инерциальным чувствительным элементом блока должен был стать кварцевый маятниковый акселерометр, в основу которого положены так называемые Q-Flex технологии на основе специализированной обработки кварцевого стекла [24], из которого изготавливается чувствительный элемент прибора - кварцевая пластина. Прибор должен был иметь 6 неортогонально ориентированных осей чувствительности, расположенных по образующим додекаэдра с углом полураствора у вершины 54,7356° (рис. 1). Такая ориентация обеспечивала существенное повышение надёжности работы прибора и возможность использования избыточной информации для системы управления [4, 23].
При этом измерение вектора линейного ускорения может осуществляться любой из 20 «троек» измерительных каналов прибора. Выбор «тройки» осуществляется системой управления на основе специальных алгоритмов. При этом прибор обеспечивает работу при трех отказавших каналах.
Прибор был разработан в 2002 г. [6, 8, 25] в порядке модернизации системы управления (СУ) и заменил блок струнных акселерометров, ранее используемый для решения этой задачи.
Рис. 1. Направление осей чувствительности относительно приборной системы координат OXYZ
Задачи и принцип действия прибора БИЛУ. Решение о переходе на использование кварцевых маятниковых акселерометров было принято РКК «Энергия» с учетом перспективности использования таких измерителей в виду их малых габаритов и высокой точности.
Кварцевые маятниковые акселерометры с аналоговой электрической обратной связью, реализуемой в малогабаритном усилителе, выполняемом в виде модуля, встраиваемого в корпус акселерометра [5, 12, 33], разработаны и изготавливаются многими фирмами (в США - фирмой «Honeywell»; в России - Московским институтом электромеханики и автоматики, - акселерометр АК-6. Научно-производственный коплекс «Электрооптика», г. Москва - акселерометр ВА-3; ПО «Корпус», г. Саратов - акселерометр КХ67-041).
Прибор БИЛУ КХ69-042 (рис. 2) в составе СУ космического корабля «Союз - МС» предназначен для решения следующих задач [8]:
5Ь. 7356
Y
Z
1. Для точной отработки импульсов 2-25 м/с коррекции орбиты. Ошибка отработки корректирующего импульса накапливается в течение суток (в процессе обеспечения движения стыкуемых кораблей по одинаковой орбите) до измерения текущей траектории и отработки следующего корректирующего импульса.
2. Для обеспечения точной отработки импульса торможения (115128 м/с) для схода с орбиты. При тяге силовых корректирующих двигателей 0,5 м/с2 время работы при действии импульса 128 м/с составляет 256 с. При тяге 0,08 м/с2 менее мощных корректирующих двигателей время работы при действии импульса 128 м/с составляет 1600 с.
Это определяет требование 1-Ю-^ к временной стабильности нулевого сигнала. Если случайная составляющая нулевого сигнала БИЛУ от запуска к запуску составляет 1-Ю-^ или 1 мм/с2, то за время работы 256 с ошибка составит 0,256 м/с, а за 1600 с - 1,6 м/с. Указанная ошибка по линейной скорости приводит к ошибке по точке входа в атмосферу и, соответственно - к ошибке в зоне посадки спускаемого аппарата.
3. Для обеспечения расчетного движения спускаемого аппарата на участке спуска. По результатам измерения каналами прибора БИЛУ перегрузки по осям X, У, Ъ изделия регулируется отношение перегрузки в боковых и продольном направлениях, чем обеспечивается точность зоны посадки.
У \7
Рис. 2. Схема прибора БИЛУ разработки 2002 года
85
На участке спуска высокие требования предъявляются к масштабным коэффициентам измерительных каналов, которые должны сохранять значения, записанные в формуляр прибора при его изготовлении и внесенные в память бортового вычислителя. Временная стабильность масштабного коэффициента не должна превышать ±0,02 %.
Высокие требования к стабильности нулевого сигнала и масштабного коэффициента прибора должны сохраняться в диапазоне рабочих температур от 0 до 40 °С [5, 6, 8, 26].
Как видно из рис. 2, конструкция прибора БИЛУ состоит из неортогонально ориентированных по своим осям чувствительности шести акселерометров, расположенных по граням усечённой пирамиды, пассивного терморегулятора для сброса на корпус прибора тепла в случае превышения температуры 55 °С, а также расположенных выше 6 каналов вторичных источников питания (ВИП) для преобразования 27 В бортового напряжения в необходимые для работы различных узлов прибора и 6 блоков преобразования информации (БПИ) с целью формирования унитарного кода и электронного наблюдения за температурой внутри прибора и включения обогрева. Блок логики (БЛ) был необходим для формирования дополнительного сигнала для работы со старой вычислительной машиной Аргон-16 разработки 1973 года, которая в то время всё ещё использовалась на КК «Союз».
В 2000 г. в период разработки прибора отечественной ЭРИ с характеристиками, обеспечивающими заявленные точности прибора БИЛУ, ещё не было, вследствие чего пришлось использовать элементную базу производства США, например, источник опорного напряжения AD780BNZ, токовые ключи ADG723BRMZ, операционный усилитель OPA 627SM в качестве интегратора.
Факторы, влияющие на стабильность и линейность масштабного коэффициента измерительного канала прибора. Масштабный коэффициент измерительного канала прибора БИЛУ - это коэффициент пропорциональности между количеством импульсов выходной информации и приращением линейной скорости либо между частотой следования импульсов выходной информации и кажущимся ускорением, измеряемым акселерометром.
Стабильность во времени и линейность масштабного коэффициента измерительного канала прибора БИЛУ определяется стабильностью и линейностью масштабных коэффициентов кварцевого маятникового акселерометра и преобразователя «напряжение - частота».
Математическая модель выходного сигнала кварцевого маятникового акселерометра КХ67-041. Математическая модель выходного сигнала кварцевого маятникового акселерометра КХ67-041 исследовалась во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в процессе выполнения аттестации акселерометра для введения его в ранг рабочего эталона в 2001 г. При этом исследования проводились на установках ЭУП-3 и ДЦ-3, входящих в состав Государственного эталона первого рода ГЭТ 94-01 [8].
Выходной сигнал ивых акселерометра в функции от измеряемого кажущегося ускорения записывается в виде:
где Км - масштабный коэффициент акселерометра; К0 - смещение нуля выходного сигнала; авх - измеряемое ускорение, направленное вдоль измерительной оси акселерометра; К2 - нелинейный коэффициент второго порядка; К3 - нелинейный коэффициент третьего порядка; Квхом - коэффициент перекрестной связи между ускорениями в направлениях измерительной оси и оси маятника; Квхоп - коэффициент перекрестной связи между ускорениями в направлениях измерительной оси и оси подвеса маятника; аом - ускорение в направлении оси маятника; аоп - ускорение в направлении оси подвеса маятника; 80 - коэффициент поперечной чувствительности акселерометра в направлении оси маятника; 81 - коэффициент поперечной чувствительности акселерометра в направлении оси подвеса маятника.
Для акселерометра КХ67-041 по результатам аттестации во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева получены следующие значения коэффициентов математической модели (1): Км = 0,10709 В-с2/м; К0 = -0,013 м/с2; 50 = 210-5; 51 = 1-10-4; К2 = 410-6 с2/м; Кз = 0 с4/м2; Квхом = 110-5 с2/м; Квхоп = 6,510-6 с2/м.
Из результатов аттестации следует, что акселерометр КХ67-041 обладает высокой степенью линейности коэффициента пропорциональности между выходным напряжением и измеряемым кажущимся ускорением, комплексная оценка нелинейности этой характеристики - 0,005 %.
Факторами, обеспечивающими высокую линейность и стабильность во времени масштабного коэффициента акселерометра, являются методы технологического процесса изготовления акселерометра, обеспечивающие отсутствие остаточных напряжений в кварцевой пластине акселерометра, равномерность рабочего зазора в датчике момента и стабильность величины магнитной индукции в рабочем зазоре.
Температурная зависимость параметров кварцевого маятникового акселерометра и технические решения, обеспечивающие термоинвариантность его параметров. Технология изготовления кварцевой пластины и сборки акселерометра, обеспечивающая приведенную выше высокую линейность и стабильность во времени масштабного коэффициента, является основой для решения задачи, рассматриваемой в данной работе, т.е. условием обязательным, но недостаточным. Следующим фактором, обеспечивающим решение задачи, является создание в приборе БИЛУ необходимых температурных условий и построение схемы измерительного канала с компенсацией температурных зависимостей параметров акселерометра [24].
2
3
вхом ' авх ' аом +
(1)
Особенностью всех кварцевых маятниковых акселерометров как отечественных, так и зарубежных, является существенная зависимость их основных технических характеристик - нулевого смещения и масштабного коэффициента от изменения температуры окружающей среды, носящая, как правило, нелинейный характер. Природа этой зависимости следующая [8]:
1. Изменение нулевого смещения кварцевых маятниковых акселерометров при изменении температуры происходит вследствие термоупругих деформаций, возникающих в кварцевой пластине, а также вследствие разной толщины золотого напыления с обеих сторон кварцевой пластины, реализующего емкостной датчик угла акселерометра и вносящего неоднородность в упругодеформируемый материал пластины.
Исследования, проведенные на предприятии ПО «Корпус», показали, что отличие толщин золотого покрытия, нанесенного на одну и другую стороны кварцевой пластины, на величину 0,02 мкм (при номинальном значении толщины покрытия 0,2 мкм) приводит к температурному изменению величины нулевого смещения на 3-10"^ при изменении температуры на 30 °С [8].
2. Температурная зависимость масштабного коэффициента кварцевого акселерометра в основном определяется зависимостью от температуры индукции в рабочем зазоре датчика момента акселерометра.
Указанные температурные зависимости параметров кварцевых маятниковых акселерометров являются их органической особенностью, поэтому обеспечение линейности масштабного коэффициента измерительного канала прибора предполагает, прежде всего, принятие конструктивных решений, исключающих зависимость параметров акселерометра от температуры.
В приборе БИЛУ для обеспечения термоинвариантности нулевых смещений и масштабных коэффициентов измерительных каналов применены сложная система терморегулирования, включающая передачу через тепловоды мощности, выделяемой электронными блоками, на места закрепления акселерометров, использование активных терморегуляторов температуры внутри специальных оболочек, установленных на акселерометры, введение пассивного регулятора (с исполнительным элементом в виде пакета биметаллических пластин) для сброса тепла на корпус изделия, а также система электронной компенсации температурной зависимости указанных параметров, реализованная за счет подачи компенсирующих напряжений на вход интегратора в блоках преобразования информации каждого измерительного канала. Упомянутые технические решения подробно рассмотрены в работах [6, 8, 25] и направлены на создание внутри прибора БИЛУ температуры +30...+55 °С при температуре окружающей среды от 0 до +40 °С.
Таким образом, в 1997-2002 году был разработан блок акселерометров, в котором был применён аппаратный метод компенсации температурных погрешностей, с успехом себя оправдавший на практике в течение 17 лет эксплуатации. За все эти годы случаев отказа хотя бы одного измерительного канала прибора БИЛУ не было.
Разработка кварцевого акселерометра с алгоритмической компенсацией температурных погрешностей и цифровым выходом. После успешных пусков КК «Союз - ТМА» с прибором БИЛУ в системе управления перед разработчиками встал вопрос о решении задач компенсации температурных погрешностей алгоритмическим способом, но не в бортовой ЭВМ, как это делается в авиационных системах, а в измерительном канале самого прибора БИЛУ. Для этого был разработан акселерометр с аналоговой обратной связью и цифровым выходом [9, 11].
Развитие мировой процессорной техники и возможность в те годы использования в России импортных процессоров позволило предложить более простое техническое решение задачи построения прецизионных измерителей линейного ускорения на базе кварцевых маятниковых акселерометров, обеспечивающее термоинвариантность параметров измерителя в достаточно широком диапазоне температур (например, -35 .„+65 °С) и представляющее собой вариант алгоритмической компенсации. Алгоритмическая компенсация, применяемая в известных авиационных системах управления, для приборов, построенных на кварцевых акселерометрах, предполагает введение заранее определенных температурных зависимостей параметров акселерометров в память бортовой вычислительной машины либо другого специализированного вычислителя, работающего совместно с акселерометрами.
Это создает значительные неудобства для использования приборов, т.к. БЦВМ обычно перегружены решением навигационных и других задач управления, а специализированные вычислители усложняют и удорожают систему.
На рис. 3 приведена структурная схема акселерометра, разработанного в 2005 г., в состав которого входил чувствительный элемент, содержащий кварцевую пластину, емкостной датчик угла и датчик момента, усилитель обратной связи, осуществляющий преобразование напряжения емкостного датчика угла в ток датчика момента, процессорный модуль, осуществляющий алгоритмическую компенсацию температурных зависимостей смещения нуля и масштабного коэффициента, и вторичный источник питания, вырабатывающий напряжения, необходимые для работы усилителя обратной связи и процессорного модуля, из бортового напряжения 27 В.
Процессорный модуль, помимо самого процессора ЛОыС 824, содержит сервисные микросхемы - источник опорного напряжения Л0780, кварцевый резонатор и микросхему ЛОЫ3202, формирующую выходную информацию в стандарте Я8-232.
Процессор ADuC 824 на входе содержит два АЦП - 24- и 16-разрядный; на первый АЦП поступает напряжение с нагрузочного резистора в цепи обратной связи акселерометра, а на второй - напряжение с термодатчика, встроенного в акселерометр.
Рис. 3. Структурная схема подключения прибора КХ67-041 к микропроцессорному модулю на базе ЛйиС 824
Напряжение с акселерометра поступает на входы AIN1, AIN2 24-разрядного SD АЦП процессорного модуля ADuC 824. Частота среза цифрового фильтра выбрана равной 5 Гц, так как при такой фильтрации достигается максимальная разрешающая способность АЦП.
На вход AIN3 - вход 16-разрядного Д-о АЦП поступает сигнал с термодатчика акселерометра КХ67-041 в виде падения напряжения на переходе база-эмиттер. Питание термодатчика осуществляется от встроенного в ADuC 824 генератора стабильного тока (выходной ток 200 мкА, температурный дрейф 200 ppm/oC, нестабильность выходного тока от напряжения питания 0,1 мкА/В).
В качестве источника опорного напряжения (ИОН) АЦП использован внешний источник на микросхеме AD780 (Analog Devices), подключенной к выводам REFIN+ и REFIN-.
Отказ от встроенного в ADuC 824 ИОН и использование данного опорного источника обеспечивает не только существенное повышение точности (температурный дрейф у встроенного ИОН 100 ppm/oC, ослабление влияния напряжения питания 45 дБ, а у внешнего ИОН AD780 анало-
гичные параметры составляют соответственно 0,5 ррш/0С и 90 дБ ), но и расширение диапазона измеряемых входных напряжений с ±1,25 до ±2,56 В.
Кварцевый резонатор RQ, вырабатывающий частоту 32768 кГц, подключен к выводам ХТЛЬ1 и ХТЛЬ2. Встроенная в ЛБыС 824 схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) преобразует эту частоту в частоту 12,58 МГц, требуемую для работы логической части процессорного модуля.
Для обеспечения выдачи выходной информации в виде кода в стандарте RS-232 (выводы интерфейса UЛRT) подключен преобразователь -микросхема ЛБМ3202.
Ее выход подключается к порту СОМ компьютера или к аналогичному по функциональному назначению порту бортового вычислителя.
Усилитель обратной связи, процессорный модуль, вторичный источник питания выполнены на современной элементной базе с использованием ЭРИ в микрокорпусах, что позволяет обеспечить малые габариты акселерометра и массу не более 0,04 кг.
Учет температурных зависимостей смещения нуля и масштабного коэффициента акселерометра путем их прошивки в процессор осуществляется следующим образом.
Определяются оптимальные поправочные коэффициенты для элементарных температурных интервалов, на которые разбивается весь температурный диапазон, в котором обеспечивается алгоритмическая компенсация; при этом целесообразен метод кусочно-линейной аппроксимации температурной зависимости упомянутых параметров. Осуществляется программирование процессора ЛОыС 824 с занесением в память таблицы с поправочными коэффициентами и алгоритма расчёта параметров прибора.
Алгоритм расчёта параметров прибора с учётом поправочных коэффициентов следующий:
- в памяти процессора прошит весь температурный диапазон, разбитый на элементарные температурные интервалы, равные 0,3 °С;
- процессор анализирует температуру по информации термодатчика, установленного в акселерометр, которая поступает на вход 16-разрядного АЦП;
- процессор выбирает из таблицы поправочных величин значение смещения нуля, записанное для данной температуры, которое вычитается из измеренного значения выходного сигнала прибора, поступающего на вход 24-разрядного АЦП;
- процессор выбирает из таблицы поправочный коэффициент, записанный в памяти для масштабного коэффициента акселерометра для данной температуры, на который умножается упомянутый выходной сигнал прибора.
Сформированная таким образом информация являлась выходной информацией прибора.
Поиск путей разработки кварцевого маятникового акселерометра с цифровой обратной связью. Техническое решение, описанное выше, позволяло алгоритмически скомпенсировать температурную погрешность акселерометра, однако оно обладало одним существенным недостатком: ограниченностью полосы пропускания акселерометра до 20 Гц из-за малого быстродействия АЦП, тогда как у кварцевого акселерометра с аналоговым усилителем обратной связи полоса пропускания была около 500 Гц. Известно, что для повышения быстродействия и виброустойчивости [7, 21, 27] акселерометр должен обладать широкой полосой пропускания, желательно до 1 кГц. В связи с этими соображениями было принято решение искать пути разработки КМА с цифровой обратной связью [11]. В самом начале прорабатывались два варианта схем исполнения с ЦАП -АЦП преобразованием на импортном процессоре фирмы Analog Devices. В качестве выходной информации по требованиям РКК «Энергия» формировался унитарный код.
Структура такого акселерометра изображена на рис. 4.
/V
1
43
s Г[
N
51 —
L Н iu, I—^
/7/7
ИОН
УМ
ПУ2 ЮОкГц
5В | | ±5В
ВИП
АЦП2 CPU
Вх1
f
АЦП1
f
Таймер г, Г
27! В
ч
I
УМ
т УМ - -
Унитарный код
УФ
Рис. 4. Структурная схема акселерометра с цифровой обратной связью. Первый вариант исполнения
Для реализации цифровой обратной связи выбран процессор ADuC 70ХХ фирмы Analog Devices со встроенным быстродействующим АЦП. Алгоритм работы прибора в этом случае предлагался следующий:
1 вариант исполнения - процессор с помощью встроенного в него таймера формирует частоту (100 кГц) питания датчика угла (дифференциального емкостного датчика) акселерометра, включенного в мостовую схему, сигнал с которого поступает через полосовые усилители ПУ1, ПУ2 на ФЧВ (рис. 4), а затем выпрямленный сигнал поступает на вход АЦП1, где и происходит преобразование этого сигнала в код (в этом случае к АЦП не предъявляются повышенные требования по быстродействию (частота опроса должна быть 10-20 кГц), но при этом разрешение АЦП должно быть не менее 16 разрядов). Процессор в данном варианте должен фор-
92
мировать с помощью встроенных 1-го и 2-го ШИМ - формирователя синхроимпульсы (длительностью 0,5-1 мкс частотой 100 кГц сдвинутые на 180° относительно друг друга) для работы ФЧВ. На вход АЦП 2 поступает напряжение, пропорциональное температуре внутри акселерометра, которое затем обрабатывается в ADuC 7026, где реализован алгоритм цифрового регулятора, который формирует на выходе 3-го ШИМ-формирователя процессора управляющий сигнал, обеспечивающий через усилитель-формирователь ток управления датчиком момента акселерометра требуемого знака и величины с учетом алгоритмов компенсации температурных погрешностей.
2-й вариант исполнения - за процессором остается задача формирования частоты питания датчика угла акселерометра, включенного в мостовую схему, но в этом случае сигнал с полосовых усилителей (рис. 5) поступает непосредственно на входы 1 и 2 АЦП1, где и происходит оцифровка этого сигнала (в этом случае к АЦП предъявляются более жесткие требования по быстродействию (частота опроса должна быть 0,5-1 МГц), но менее жесткие требования по разрешению - достаточно 12 разрядов). Процессор в данном варианте по принятым с АЦП1 значениям восстанавливает входной сигнал и определяет его амплитуду и фазу. Следовательно, он должен обладать высоким быстродействием и мощными вычислительными возможностями (выбранный ADuC 7026 удовлетворяет этим требованиям). В процессоре, как и в 1-м варианте, реализован алгоритм цифрового регулятора с учетом алгоритмов компенсации температурных погрешностей.
5В\ | ±5В
L АЦП2 CPU
м
- Вх1 Л11П1 f +
АцШ . Вх2 f
г Таймер
2Т: в
% 1
УМ
т УМ -
* Унитарный код
Рис. 5. Структурная схема акселерометра с цифровой обратной связью
Математическая модель совокупного объекта управления была образована путем объединения математической модели чувствительного элемента, отработанной и выверенной путем сравнения результатов испытаний большого количества акселерометров с аналоговой обратной связью,
93
изготовленных на предприятии, и математической модели цифрового регулятора [3, 22, 30, 31]. Структурная схема системы управления акселерометром с аналого-цифровой обратной связью приведена на рис. 6. Следует отметить, что акселерометр имеет как цифровой, так и аналоговый выход. С аналогового выхода сигнал с ЦАП (ШИМ - формирователь) микроконтроллера поступает на фильтр.
Рис. 6. Структурная схема системы управления акселерометром с цифровым регулятором
На схеме выделен совокупный объект управления, представленный маятником (чувствительным элементом) и периферийными устройствами, к которым относятся: емкостной датчик угла (Ьду = 182 В/рад), предварительный усилитель с демодулятором (кПУд = кПУ• кд = 1,15), датчик момента (кдм = 150 Г-см/А) и эквивалентная нагрузка фильтра с передаточной функцией:
Wн = 1~1ф(8\
где 2ф(£) - полное операторное сопротивление фильтра.
Математическая модель чувствительного элемента представляется дифференциальным уравнением движения маятника, которое может быть записано, например, в форме «вход - выход»:
3 • (р + п • (р + Ст •( = т • I • Мдм , (2)
где 3 = 1,2-10-4 Г-см-с2 - момент инерции маятника; п = 0,05 Г-см-с - коэффициент демпфирования; СТ = 1,6 Г- см/рад - жесткость торсиона маятника; т1 = 0,15 Г-см/§ - маятниковость; р - угол скручивания торсиона;
= Ял+Яе+Яу - суммарное ускорение, измеряемое прибором, которое состоит из линейного ускорения дл, виброперегрузки де и ударной перегрузки ду; Мдм - момент, развиваемый датчиком момента.
94
Математическая модель совокупного объекта управления имеет
вид:
y&j = 209,3 • ю;
Ф = -63,7 • y^- 416,7 • ю + 8330 • £ -11360 • u +1250 • qS;
'£ = -30580 •£ + 37580 • u; (3)
y = yj + 209,3 • j.
Если перейти к векторно-матричной форме описания, то данная модель может быть представлена в виде:
x = A • x + B • u + G • qS,
^ л (4)
y = C • x + d •фн,
где х = colon {уф, ю, £,} - вектор состояний объекта, A, B, G, C, d - матрицы и скаляр, имеющие числовые реализации, соответствующие уравнениям (3).
Целью управления рассматриваемой системы является обеспечение высокоточного измерения входного ускорения qs. Для достижения этой цели измерительный маятник охватывается стабилизирующей обратной связью с цифровой коррекцией, которая должна обеспечить устойчивость замкнутой системы и высокие запасы устойчивости по модулю и фазе. Кроме этого, цифровая коррекция должна обеспечить:
1. Астатизм 1-го порядка по отношению к измеряемому ускорению
qs.
2. Показатели качества регулирования, определяемые по временным и частотным характеристикам (время регулирования, перерегулирование, полоса пропускания, показатель колебательности и т. д.) не хуже, чем у существующей системы с аналоговой коррекцией [2, 17, 18].
Отметим, что полоса пропускания существующего прибора составляет примерно 500 Гц. Исходя из этого частоту квантования сигналов (тактовую частоту работы процессора) следует выбирать не менее, чем 1000 Гц. Поэтому далее для гарантированного обеспечения требуемой полосы пропускания, а также для получения возможности альтернативного выбора хотя бы из двух вариантов, рассмотрены частоты квантования 5 и 20 кГц.
Процедура синтеза астатического цифрового регулятора, учитывающая запаздывание по управлению на один такт и основанная на методе линейно-квадратичной оптимизации, описана в [1, 3, 22, 30, 31]. Применительно к акселерометру данная процедура реализуется с помощью программного комплекса Matlab. Ниже приведены результаты решения задачи синтеза для выбранных двух периодов дискретности h = 0,0002 с (5 кГц) и h = 0,00005 с (20 кГц).
В результате решения задачи и после округления некоторых коэффициентов (в процессе анализа переходных процессов) были получены следующие передаточные функции дискретной коррекции (регулятора):
Цг5кГц(г) = 15 • 2 • - 0,002) • 2 -1,81 • 2 + 0,82)
рег (2 -1) • (2 - 0,6; • (22 + 0,1 • 2 + 0,05; '
2
ж20кГц(2) = 40 • 2 • (2 - 0,97) • (22 -1,16 • 2 + 0,2) рег (2 -1) • (2 - 0,87) • (22 + 0,02 • 2 + 0,05;'
На основе полученных передаточных функций можно определить алгоритм вычисления управляющего воздействия на текущем г-м такте дискретности. Так, например, для варианта 20 кГц этот алгоритм будет иметь вид: га(г) = а(г -1) + 40 • у(г);
/3(г) = 0,87 ¡(г -1) + а(г) - 0,97 • а(г -1); (5)
и(г) = -0,02 • и(г -1) - 0,05 • и(г - 2) + /3(1) -1,16 • ¡3(1 -1) + 0,20(1 - 2),
где а(г) и /(г) - вспомогательные переменные.
Отметим, что для реализации алгоритма (5) необходимо задать начальные условия для всех переменных при г = 0, которые могут быть приняты нулевыми:
а(-1) = /(-1) = /( -2; = 0.
и(-1) = и( -2) = 0.
Результаты моделирования представлены на рис. 7, 8. Из приведенных графиков видно, что качество регулирования в системах с дискретной коррекцией лучше, чем с непрерывной. Причем наилучшее качество регулирования из трех представленных вариантов достигается при частоте квантования 20 кГц.
Рис. 7. А ЧХ акселерометра с цифровым регулятором
14
В
1.2 1 0.8 O.S 0.4 0.2 О
О 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
t. с
Рис. 8. Переходные процессы выходного сигнала акселерометра
Отметим, что при частоте квантования 5 кГц на основную составляющую тока датчика момента /дм(0 накладывается ярко выраженная пилообразная составляющая. Это объясняется тем, что управляющее воздействие на выходе ЦАП имеет ступенчатый характер (в силу его реализации методом фиксации на период), и последующее дифференцирование форсирующим звеном эквивалентной нагрузки фильтра приводит к указанному эффекту. При частоте квантования 20 кГц этот эффект уже отсутствует, так как на такой частоте инерционность фильтра оказывается достаточной для сглаживания возникающих пульсаций.
Как видно из результатов моделирования, цифровой регулятор с частотой дискретизации 5 - 20 кГц по некоторым параметрам не только превосходит характеристики существующего аналогового, но при этом обеспечивает возможность гибкой подстройки структуры регулятора под конкретную задачу, создавая возможность реализации различных алгоритмов компенсации погрешностей, а также обеспечивает дискретный выходной сигнал прибора без потери точности на преобразование, за счет замкнутой обратной связи.
Кварцевый маятниковый акселерометр с цифровым усилителем обратной связи и ШИМ-управлением током датчика момента. Все
рассмотренные выше схемотехнические решения по ряду причин остались на уровне макетных образцов. Главной из этих причин стала политика им-портозамещения, проводимая на государственном уровне. В конечном итоге, разработчики остановились на схемотехническом решении, о котором кратко расскажем ниже, т.к. подробно уже не раз оно было освещено в работах [10, 13, 14, 15, 16, 19, 20, 34, 35]. Именно это техническое решение использовано в модернизированном приборе БИЛУ, который с 2019 г. поставляется в РКК «Энергия» и идёт на смену прибору с аналоговой систе-
97
-1-1-1-]- : /у? 5кГц -1- -1-
Л [ аналоговый регулятор
II / 20 кГц
J i 1 1 >
мой управления измерительным каналом. Накопленный опыт в разработке кварцевых маятниковых акселерометров с цифровой обратной связью позволил сформулировать комплекс задач, который должен быть решён разработчиками, сформировав универсальное техническое решение, позволяющее без изменения конструкции и функциональной электроники подстраивать путём перепрограммирования ЦУОС кварцевый маятниковый акселерометр под практически любой объект, делая его универсальным.
1. Синтез регулятора цифровой системы обратной связи. Для этого необходимо выбрать метод синтеза цифрового регулятора и сформировать закон управления в конечно-разностной форме.
2. Разработка алгоритмов компенсации температурных погрешностей масштабного коэффициента и смещения нуля кварцевого маятникового акселерометра при обеспечении высоких требований к линейности масштабного коэффициента.
3. Разработка алгоритмов компенсации разбалансировки маятника [32, 34] КМА в диапазоне свыше 20 g при сохранении высоких точностных характеристик прибора по масштабному коэффициенту.
4. Внесение компенсационных поправок в закон управления при сохранении динамических характеристик системы управления.
5. Обеспечение работы системы при различных способах преобразования выходной информации ЦУОС, а именно: ЦАП, ЧИМ, ШИМ- преобразованиях.
6. Возможность расширения задач ЦУОС при дальнейших перспективных разработках, например, при обеспечении вибрационной защиты приборов путем разработки соответствующих алгоритмов, программируемых в ЦУОС.
Особо следует отметить, что все задачи формирования компенсационных алгоритмов разгружают центральный процессор БИНС и решаются в ЦУОС акселерометра.
Структурная схема кварцевого маятникового акселерометра с цифровой обратной связью и ШИМ-преобразователем приведена на рис. 9.
Методики синтеза цифрового регулятора для КМА, известные авторам из многих работ [10, 11, 14 - 16, 19, 28 - 29, 35], являются общими не только для кварцевых маятниковых акселерометров, но и для акселерометров иных типов, и поэтому в настоящей статье не рассматриваются. Отметим, что требуемые критерии качества, такие, как запасы по модулю и фазе, полоса пропускания прибора, показатель колебательности и время переходного процесса обеспечиваются программным способом, на их основе формируются коэффициенты управляющего алгоритма в конечно-разностной форме и прошиваются в управляющий процессор в ЦУОС. Метод синтеза цифрового регулятора принципиального значения не имеет. Наиболее принципиальную роль играет аппаратная часть, суть разработки которой рассматривается в настоящем исследовании.
Рис. 9. Структурная схема системы «акселерометр - цифровая обратная связь» с ШИМ-преобразователем
На рис. 10 приведена функциональная схема кварцевого маятникового акселерометра с цифровым усилителем обратной связи с ШИМ-преобразователем.
ион Внешний
генератор
1дм
т1д
Г
Г
мк1
дм О ду иду 1 АЦП Центральный вычислитель ШИМ
1 "" 1
J
тельный элемент
Г
Переключатель тока
71
Переключающий мост
ИОН
Стабилизатор тока
Рис. 10. Функциональная схема кварцевого маятникового акселерометра с цифровым усилителем обратной связи с ШИМ-преобразователем
На рис. 11 приведена функциональная схема цифрового усилителя обратной связи (ЦУОС).
От термодатчика чувствительного элемента акселерометра
От датчика угла' акселерометра •
Возбуждение датчика угла акселерометра
К датчику момента' акселерометра
У
ПУ
УФ
мк
е
а
<
>
5
а
1 с
а Й-
<
о
ЧО
Гальваническая развязка
Дискретный выход
Г
Переключатель ток?
Переключающий мост
1_
ИОН
Стабилизатор тока
J
Рис. 11. Функциональная схема цифрового усилителя обратной связи
99
ЦУОС представляется собой аналого-цифровую структуру, содержащую блоки аналоговой электроники, такие, как ПУ (предварительный усилитель), У (усилитель сигнала с термодатчика) и УФ (усилитель формирователь), так и цифровой модуль, в состав которого входит МК (микроконтроллер) и импульсная схема переключателя тока.
В таком варианте построения ЦУОС управляющее воздействие формируется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) стабилизированного тока и подается на входы обмотки датчика момента чувствительного элемента. Этот алгоритм реализован с помощью встроенного в микроконтроллер таймера-счетчика и схемы переключателя тока, в котором реализована стабилизация амплитуды тока, переключение полярности и подача тока в обмотку датчика момента акселерометра. Длительность широтно-модулированных импульсов пропорциональна величине среднего за период тока, подаваемого в датчик момента, а величина тока датчика момента пропорциональна величине действующего ускорения. Поэтому выходная информация о величине внешнего воздействия формируется внутри микроконтроллера и выводится через цифровой интерфейс и гальваническую развязку.
Также на вход встроенного в микроконтроллер АЦП поступает напряжение, пропорциональное температуре внутри чувствительного элемента, и МК формирует выходную информацию с учетом алгоритмов компенсации температурных погрешностей.
Широтно-импульсный модулятор (ШИМ) в системе обратной связи кварцевого маятникового акселерометра применяется для формирования управляющего воздействия в датчик момента чувствительного элемента акселерометра в соответствии с выходом цифрового регулятора. Так как в магнитоэлектрическом датчике момента величина развиваемого им момента пропорциональна величине тока, протекающего в его катушке, то для астатической замкнутой системы обратной связи с чувствительным элементом акселерометра можно говорить о пропорциональности измеряемого ускорения и тока датчика момента. Следовательно, основное требование к ШИМ - это точность формирования тока в соответствии с величиной цифрового кода на его входе и постоянность коэффициента преобразования во всем диапазоне входных воздействий. При этом ШИМ должен формировать токи как положительной, так и отрицательной полярности. Это, в свою очередь, накладывает жесткие требования на форму импульсов ШИМ, т.е. на их передний и задний фронты, на стабильность величины тока во время рабочего импульса, на величину и форму переходных процессов, а также на способ формирования импульсов.
Кроме компенсации температурных погрешностей и существенной стабилизации масштабного коэффициента прибора до величины 0,01 % [27 - 29] при полном сохранении структуры функциональной электроники удалось обеспечить расширение диапазона измеряемых ускорений до диа-
пазона ±50 g. Хотя в приборе БИЛУ по техническому заданию диапазон измеряемых ускорений не превышает ±10 g. Но работы по расширению диапазона измеряемых ускорений были проведены именно в рамках работ над измерительным каналом прибора БИЛУ. Это позволяет перейти к разработке автономного универсального акселерометра с ЦУОС не только для приборов космического применения, но и для иных систем управления, где требуется широкий диапазон измеряемых кажущихся ускорений.
К широкому диапазону измерения прецизионных кварцевых маятниковых акселерометров следует отнести диапазон измерения линейных ускорений от ±20 g и выше, практически до ±50 g. Линейность выходной характеристики (погрешность масштабного коэффициента) акселерометра линейных ускорений является важнейшей технической характеристикой, определяющей класс измерителя линейных ускорений.
Помимо целого ряда погрешностей, приводящих к нелинейности выходной характеристики, для акселерометров с широким диапазоном измерения выявлена одна специфическая погрешность, приводящая к нелинейности данной характеристики при задании линейных ускорений, начиная с ±20 g и выше.
Исследования этой погрешности и способ повышения линейности выходной характеристики за счет введения корректировок параметров системы действующих сил опубликован в единственной по этому вопросу работе [32], выполненной корейским учёным Сео Дже Бомом под руководством д-ра техн. наук, проф. МГТУ им. Н.Э. Баумана Сергея Феодосьевича Коновалова.
В работе [32] исследована природа возникновения погрешности, названной автором разбалансировкой маятника акселерометра. Разбалан-сировка возникает вследствие несовпадения точек приложения к маятнику трех сил: инерционной силы, пропорциональной измеряемому линейному ускорению, силы Ампера, реализуемой магнитоэлектрическим датчиком момента, как правило, плунжерного типа, и газодинамической силы, возникающей при перемещении пластины с маятниковостью в герметичном корпусе чувствительного элемента, заполненном инертным газом. Взаимное смещение точек приложения этих трех сил возникает по конструкторским и технологическим причинам.
Введение ЦУОС в акселерометр КХ67-041 позволило произвести алгоритмическую компенсацию этой погрешности [19, 34].
На рис. 12 приведены результаты испытаний КМА с ЦУОС и ШИМ-управлением током датчика момента в диапазоне от 1 g до 50 g.
Из графиков, представленных на рис. 12, видно, что в результате компенсации разбалансировки маятника погрешность масштабного коэффициента не превышает 0,01 % во всем диапазоне измерений, тогда как до компенсации она доходила до 0,14 %.
Рис. 12. Результат компенсации погрешности масштабного коэффициента акселерометра в диапазоне от 1 до 50 g
Заключение. Таким образом, с 2002 г. пройден достаточно серьёзный путь по модернизации кварцевого маятникового акселерометра - от аналоговой обратной связи в схеме компенсации к цифровой. При этом акселерометр для прибора БИЛУ практически превратился в измерительный канал, в котором можно компенсировать многие погрешности акселерометра: температурные и вибрационные как основные из них. Конкретно в приборе БИЛУ, изображённом на рис. 2, убираются блок логики (БЛ) и терморегулятор, а блоки БПИ и ВИП размещаются на одной плате вместе с ЦУОС. Внутри самого акселерометра остается лишь предварительный усилитель. В результате модернизации прибор БИЛУ выиграл в массе 500 г: если раньше его масса составляла 3 кг, то теперь - 2,5 кг. Экономия в потребляемой мощности составила до 40 %. ЦУОС позволяет в перспективе применять любой метод синтеза регуляторов (в зависимости от поставленной задачи) и формировать любой тип выходного сигнала без значительного изменения функциональных узлов акселерометра, т.е. сделать акселерометр с ЦУОС широкодиапазонным и универсальным прибором, годным для использования в различных объектах управления: авиационного, морского, наземного применения, а не только ракетно-космического. К числу перспективных задач можно отнести миниатюризацию цифровой электроники и повышение виброустойчивости прибора путём введения алгоритмической компенсации в ЦУОС.
Список литературы
1. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975. 767 с.
2. Депутатова Е.А., Седышев А.В., Шевченко С.Ю. Исследование кварцевого маятникового акселерометра // Труды ФГУП «НПЦАП». Системы и приборы управления. 2013. №1 (24). С. 41 - 54.
3. Изерман Р. Цифровые системы управления: пер. с англ. М.: Мир, 1984. 541 с.
4. Измайлов Е.А. Современные тенденции развития технологий инерциальных чувствительных элементов и систем летательных аппаратов. М.: Труды ФГУП «НПЦАП». Системы и приборы управления. 2010. №1, С. 30 - 43.
5. Безобогревные способы обеспечения термоинвариантности смещения нулевого сигнала и масштабного коэффициента кварцевого маятникового акселерометра с аналоговой и цифровой обратной связью / Д.М. Калихман [и др.] // Труды ФГУП «НПЦАП». Системы и приборы управления. 2018. №2 (44). С. 42 - 46.
6. Блок измерителей линейных ускорений с прецизионными кварцевыми акселерометрами в качестве чувствительных элементов / Д.М. Калихман [и др.] // Материалы IX Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2002. С. 216-220.
7. Виброустойчивый маятниковый акселерометр линейных ускорений с цифровой обратной связью / Д.М. Калихман [и др.] // Материалы XXII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2015. С. 368 - 376.
8. Измеритель вектора кажущегося линейного ускорения - прибор БИЛУ КХ69-042 для СУ спускаемого аппарата корабля «Союз-ТМА» / Д.М. Калихман [и др.] // Материалы XIII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2006. С. 253 - 263.
9. Кварцевый маятниковый акселерометр линейных ускорений с модулем алгоритмической компенсации температурной зависимости его параметров / Д.М. Калихман [и др.] // Материалы XII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2005. С. 236 - 241.
10. Методика построения цифровой обратной связи на отечественных ЭРИ для первичных инерциальных измерителей угловых скоростей и линейных ускорений современных БИНС / Д.М. Калихман [и др.] // Труды ФГУП «НПЦАП». Системы и приборы управления. 2018. №2 (44). С. 46 - 49.
11. Применение микропроцессоров в схемотехнических решениях прецизионных кварцевых маятниковых акселерометров / Д.М. Калихман [и др.] // Материалы XXV Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2008. С. 173 - 176.
103
12. Проблемы разработки современных блоков электромеханических измерителей угловой скорости и кварцевых маятниковых акселерометров для объектов ракетно-космической техники. История и перспективы развития / Д.М. Калихман [и др.] // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 10 / под научной ред. В.Я. Распопова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. С. 311 - 325.
13. Результаты лабораторно-отработочных испытаний измерительных каналов модернизируемого измерителя линейных ускорений для спускаемого аппарата корабля «Союз-ТМА» на основе использования цифровой обратной связи в кварцевых маятниковых акселерометрах / Д.М. Калихман [и др.] // Труды ФГУП «НПЦАП». Системы и приборы управления, № 3, 2017. С. 32 - 40.
14. Результаты экспериментальной отработки термоивариантного кварцевого маятникового акселерометра с цифровой обратной связью и перепрограммируемым диапазоном измерения / Д.М. Калихман [и др.] // Материалы XXIII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2016. С. 139 - 157.
15. Способ повышения стабильности масштабного коэффициента маятникового акселерометра с цифровой обратной связью / Д.М. Калихман [и др.] // Материалы XXV Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2018. С. 331 - 333.
16. Термоинвариантные измерители угловой скорости и кажущегося ускорения / Д.М. Калихман [и др.] // Материалы XXI Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2014. С.203 - 219.
17. Калихман Д.М., Депутатова Е.А. Оценка стабильности основных параметров кварцевого маятникового акселерометра согласно российскому стандарту и методами вариаций Аллана // Труды ФГУП «НПЦАП». Системы и приборы управления. 2016. № 4 (38). С. 14 - 20.
18. Калихман Д.М., Депутатова Е.А., Гнусарёв Д.С. Анализ шумовых составляющих кварцевого маятникового акселерометра с цифровым усилителем обратной связи // Научно-технический вестник информационных технологий, механики, оптики. СПб. 2018. Т. 18. № 6. С.1091 - 1098.
19. Калихман Д.М., Скоробогатов В.В. Перспективы развития кварцевых маятниковых акселерометров в БИНС авиационного и космического применения // Труды МИЭА. Навигация и управление летательными аппаратами. 2018. № 20. С. 21 - 50.
20. Способ обеспечения линейности масштабного коэффициента измерителей угловых скоростей и линейных ускорений компенсационного типа с цифровой обратной связью и широтно-импульсным управлением током датчика момента / Л.Я. Калихман [и др.] // Материалы XXIV Санкт-
Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам. СПб.: Изд-во ЦНИИ «Электроприбор», 2017. С.299 - 306.
21. Коновалов С.Ф. Теория виброустойчивости акселерометров. М.: Машиностроение, 1991. 269 с.
22. Куо Б. Теория и проектирование цифровых систем управления: пер. с англ. М.: Машиностроение, 1986. 446 с.
23. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем. СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. 280 с.
24. Мельников В.Е. Электромеханические преобразователи на базе кварцевого стекла. М.: Машиностроение, 1984. 160 с.
25. Устройство для температурной стабилизации электронного оборудования: пат. 2161384 РФ. Приор. 13.05.1999. Бюл. 2001.
26. Термоинвариантный измеритель линейного ускорения: пат. 2528119 РФ. Приор. 10.09.14; заявитель и патентообладатель ФГУП «НПЦАП им. акад. Н.А. Пилюгина»; опубл. 14.08.2017. Бюл. № 25.
27. Способ обеспечения виброустойчивости маятникового акселерометра линейных ускорений с цифровой обратной связью и виброустойчивый маятниковый акселерометр: пат. 2615221 РФ. Приор. 30.04.2015; заявитель и патентообладатель ФГУП «НПЦАП им. акад. Н.А. Пилюгина»; опубл. 04.04.2017. Бюл. № 10.
28. Способ обеспечения линейности масштабного коэффициента маятникового акселерометра компенсационного типа: пат. 2626071 РФ. Приор. 03.06.16; заявитель и патентообладатель ФГУП «НПЦАП им. акад. Н.А. Пилюгина»; опубл. 21.07.2017. Бюл. № 21.
29. Способ обеспечения линейности масштабного коэффициента маятникового широкодиапазонного акселерометра компенсационного типа: пат. 2627970 РФ. Приор. 14.11.16; заявитель и патентообладатель ФГУП «НПЦАП им. акад. Н.А. Пилюгина»; опубл. 14.08.2017. Бюл. № 23.
30. Садомцев Ю.В. Конструирование систем управления с обратной связью по критериям точности и грубости. Саратов: СГТУ, 2003. 297 с.
31. Садомцев Ю.В. Оценивание и фильтрация в задачах управления: учебное пособие. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2015. 120 с.
32. Сео Дже Бом. Оптимизация параметров и моделирование рабочих режимов в компенсационных акселерометрах типа Q-flex и Si-flex: ав-тореф. дис. ... канд. техн. наук. М.: 2012. 16 с.
33. Синельников А.Е. Низкочастотные линейные акселерометры. Методы и средства проверки и градуировки. М.: Изд-во стандартов, 1979. 175 с.
34. Скоробогатов В.В. Основы разработки безобогревных термоинвариантных измерителей угловой скорости и кажущихся ускорений для систем управления ракетно-космическими объектами: дис. ... канд. техн. наук: СГТУ им. Гагарина Ю.А. Саратов, 2018.
35. Скоробогатов В.В. Проблемы разработки широкодиапазонного кварцевого маятникового акселерометра с цифровой обратной связью и пути их решения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 10 / под науч. ред. В.Я. Распопова. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. С. 17-29.
Калихман Дмитрий Михайлович, д-р техн. наук, начальник научно-исследовательской лаборатории, lidkalihman@yandex. ru, Россия, Саратов, Филиал ФГУП «НПЦАП» - «ПО «Корпус»,
Калихман Лариса Яковлевна, канд. техн. наук, начальник научно-исследовательского отдела, lidkalihman@yandex. ru, Россия, Саратов, Филиал ФГУП «НПЦАП» - «ПО «Корпус»,
Скоробогатов Вячеслав Владимирович, канд. техн. наук, ведущий инженер-электроник, vvskorobogatov@yandex. ru, Россия, Саратов, Филиал ФГУП «НПЦАП» -«ПО «Корпус»,
Депутатова Екатерина Александровна, канд. техн. наук, ведущий инженер-программист, deputatovaabk.ru, Россия, Саратов, Филиал ФГУП «НПЦАП» - «ПО «Корпус»,
Николаенко Артем Юрьевич, инженер-электроник I категории, anikolaenkosstuagmail. com, Россия, Саратов, Филиал ФГУП «НПЦАП» - «ПО «Корпус»,
Гнусарёв Дмитрий Сергеевич, инженер-электроник I категории, men4egaoiitlook. com, Россия, Саратов, Филиал ФГУП «НПЦАП» - «ПО «Корпус»
SIX-CHANNEL UNIT OF ACCELEROMETERS FOR "SOYUZ" AND "PROGRESS" SPACE VEHICLES. HISTORY OF DEVELOPMENT: FROM ANALOG TO DIGITAL MEASURING
CHANNEL CONTROL SYSTEM
D.M. Kalikhman, L.Ya. Kalikhman, V.V. Skorobogatov, E.A. Deputatova, A.Yu. Nikolaenko, D.S. Gnusarev
The report considers the history of development and evolution of the six-channel unit of linear acceleration meters ("the BILU device "), which has been in operation as part of the "Soyuz" spacecraft (SC) since 2002. At present, the development of a quartz pendulum accel-erometer with digital feedback is complete, making it possible to expand the functional capabilities of the BILU device and to implement the import substitution policy. Considering the results obtained, the management of the Rocket and Space Corporation "Energia " decided to use the device not only in the "Soyuz-MS" but also in the control system of the "Progress-MS" spacecraft. The developed device has passed all types of testing and has been supplied to RSC "Energia" since January 2019.
Key words: accelerometer, digital feedback, import substitution, linear acceleration.
Kalikhman Dmitry Mikhailovich, doctor of technical sciences, head of research and development laboratory, lidkalihmanayandex. ru, Russia, Saratov, Branch of the Federal State Unitary Enterprise "Academician Pilyugin Center" - Production Association "Korpus ",
Kalikhman Larisa Yakovlevna, candidate of technical sciences, head of research and development department, lidkalihmanayandex. ru, Russia, Saratov, Branch of the Federal State Unitary Enterprise "Academician Pilyugin Center" - Production Association "Korpus",
Skorobogatov Vyacheslav Vladimirovich, candidate of technical sciences, lead electronics engineer, vvskorobogatovayandex.ru, Russia, Saratov, Branch of the Federal State Unitary Enterprise "Academician Pilyugin Center " - Production Association "Korpus ",
Deputatova Ekaterina Alexandrovna, candidate of technical sciences, lead programmer engineer, deputatovaabk. ru, Russia, Saratov, Branch of the Federal State Unitary Enterprise "Academician Pilyugin Center " - Production Association "Korpus ",
Nikolaenko Artem Yurievich, First Category Electronics Engineer, anikolaen-kosstuagmail. com, Russia, Saratov, Branch of the Federal State Unitary Enterprise "Academician Pilyugin Center " - Production Association "Korpus ",
Gnusarev Dmitry Sergeevich, First Category Electronics Engineer, men4egaoutlook. com, Russia, Saratov, Branch of the Federal State Unitary Enterprise "Academician Pilyugin Center " - Production Association "Korpus "
УДК 681-26
О НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЯХ КВАРЦЕВЫХ КОМПЕНСАЦИОННЫХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ КЛАССА О^ЬЕХ
В.Е. Мельников, Хейн Тай Зар Тин, К.М. Лукомский
Рассмотрен класс маятниковых компенсационных акселерометров с чувствительным элементом (ЧЭ) типа Q-Flex, которые на сегодня завоевали на мировом рынке доминирующее место в качестве базовых элементов инерциальных навигационных систем подвижных объектов. Показано, что при очевидной конструктивной и технологической привлекательности компоновки кварцевого чувствительного элемента в них не в должной мере реализованы потенциальные возможности компенсационных структур и схем, в том числе в части оперативного управления характеристиками в зависимости от режима работы объекта.
Ключевые слова: Компенсационный акселерометр, упругий подвес, контурный коэффициент, собственная жесткость подвеса, запас прочности, структурная схема, уравнение ошибок.
Показано, что среди навигационных акселерометров заметное место занимают датчики акселерометров типа Q-Flex, в которых использованы современные технологии для изготовления монолитного кварцевого ЧЭ
107
