CC BY
100
УДК 531.383.1:681.7
А.В. Медведев, канд. техн. наук, гл. конструктор, (48536)6-07-46,priem@romz.ru
(Россия, Ростов, ОАО «Ростовский оптико-механический завод»), А.А. Молочников, (812)499-78-09, office@eprib.ru (Россия, Санкт-Петербург, ОАО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор»), О.К. Епифанов, канд. техн. наук, 8(812)499-78-09, office@eprib.ru (Россия, Санкт-Петербург, ОАО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор»), М.В.Орлов, (812)499-78-09, office@eprib.ru
(Россия, Санкт-Петербург, ОАО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор»)
СИСТЕМА ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ЛИНИИ ВИЗИРОВАНИЯ ГОЛОВНОЙ ПРИЗМЫ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА
Изложены результаты разработки и автономных испытаний образца системы косвенной гироскопической стабилизации линии визирования головной призмы подвижного объекта с использованием волоконного датчика вращения. Приведены результаты оценки возможностей выполнения указанной системы с использованием микромеханического датчика, разработанного в ОАО «Концерн ЦНИИ «Электроприбор».
Ключевые слова: система стабилизации, линия визирования, волоконно-оптический датчик, разработка, автономные испытания.
Современные достижения в области микроминиатюризации электронной компонентной базы, создания высокоэффективных электромеханических устройств управления движением и развитие высокопроизводительных бортовых вычислителей на основе микроконтроллеров в совокупности своей позволяют расширять функциональные возможности ранее разработанной и хорошо зарекомендовавшей себя аппаратуры, тем самым придавая ей новые потребительские свойства и высокую конкурентоспособность. Одним из направлений таких работ является построение высокоточной цифровой системы независимой гиростабилизации (ГС) оптической линии визирования (ЛВ) головной призмы в обзорных устройствах подвижных объектов по углу вертикального наведения (ВН).
Ниже приводятся результаты выполненных в ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» работ по созданию подобной системы ГС для серийно выпускаемого промышленностью малогабаритного оптико-механического прибора типа ТКН-4ГА, в котором угловое перемещение ЛВ по ВН в пределах поля зрения прибора осуществляется оператором визуально путем ручного поворота вала головной призмы задающим рычагом ручной прокачки.
При разработке системы ГС для указанного оптико-механического прибора использовались научно-технические и конструкторско-технологические решения, полученные при создании и освоении в серийном производстве устройств морского перископного комплекса «Парус-98» [1], в которых гиростабилизация оптической линии визирования выполнена в двухосной системе средствами высокоточного цифрового безре-дукторного моментного электропривода следящего типа и волоконно-оптических датчиков вращения (волоконно-оптических гироскопов, ВОГ).
Вместе с тем предполагалось, что с учетом требуемых серийности производства, низкой стоимости и высокой надежности в процессе эксплуатации указанная система ГС прибора должна строиться с использованием современных электромеханических и электронных узлов, освоенных производством и хорошо зарекомендовавших себя в других аналогичных по назначению серийных изделиях.
С учетом требований назначения рассматриваемая система ГС ЛВ головной призмы должна иметь высокие точностные параметры и обладать следующими показателями:
- угловая погрешность стабилизации JIB головной призмы поВН-не более ±1,1 угл. мин. при наличии вибраций с амплитудой 3° и качки с частотами до 1,0 Гц со стороны основания прибора;
- угловая статическая погрешность удержания вала головной призмы прибора не более ±1,5 угл. мин;
- углы поворота вала призмы от ее нулевого положения должны быть в диапазоне не менее чем от -5° до +35° в условиях крена и наклона корпуса прибора от -35° до +35°;
- угловая скорость поворота ЛВ по ВН головной призмы в обоих направлениях при эксплуатации в режиме наведения должна быть не менее 3 градус/с;
- дополнительная угловая погрешность в диапазоне частот возмущающих воздействий от 0 до 80 Гц должна быть не более 3 % от размера поля зрения прибора;
- режимы работы - стабилизация, наведение и переброс ЛВ по ВН головной призмы, а также ее стопорение в нулевом положении.
Система ГС прибора (рис. 1) построена по схеме косвенной стабилизации, при которой ВОГ жестко связан с корпусом прибора. Такое построение обусловлено отсутствием возможности соосного размещения ВОГ непосредственно на валу головной призмы и необходимостью сохранения задающего рычага ручной прокачки прибора, что является весьма важным в случаях внезапного отказа составных частей системы ГС при ее штатной эксплуатации.
Рис. 1. Принципиальное построение системы ГС прибора
Конструктивно ВОГ и микроконтроллер МК-БСС объединены в блок управления (блок БСС-ВОГ), а моментный электродвигатель МД71, датчик ИПУ-Г и кольцевой трансформатор КТ-71 - в электромеханический узел (УЭ-МД) [2]. Конструктивное решение УЭ-МД представлено на рис. 2.
Рис. 2. Электромеханический узел УЭ-МД: 1 - статор и ротор УЭ-МД;
2 - моментный электродвигатель МД71;
3 - датчик угла грубого отсчета ИПУ-Г;
4 - кольцевой трансформатор КТ-71
УЭ-МД имеет безподшипниковую конструкцию, статор и ротор которого непосредственно устанавливаются соответственно в корпус и на вал задающего рычага прокачки прибора. Вал задающего рычага прокачки механически связан с валом головной призмы ленточной передачей, обла-
277
дающей высокой жесткостью. Таким образом обеспечивается возможность ручного поворота вала головной призмы.
Для построения УЭ-МД применены серийновыпускаемые электромашинные устройства [1,3]: МД71 - электродвигатель моментный постоянного тока униполярного типа с возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов и с электромагнитной редукцией частоты вращения его ротора; ДУ-71ТО - индукционный многополюсный ВТ с сосредоточенными обмотками и электромагнитной редукцией угла поворота; ИПУ-Г - индукционный преобразователь угла типа синусно-косинусного вращающегося трансформатора с числом пар полюсов равным единице; КТ-71 - бесконтактный кольцевой трансформатор для передачи напряжения возбуждения на ротор ИПУ-Г.
Ротор ДУ-71ТО непосредственно устанавливается на вал головной призмы прибора, чем обеспечивается непосредственное преобразование с высокой точностью угла поворота вала головной призмы. Коэффициенты электромагнитной редукции ДУ-71ТО и МД71 равны.
МК-БСС является интеллектуальным программно-аппаратным электронным модулем, реализующим структуру замкнутой цифровой следящей системы стабилизации [4]; вырабатывает напряжение возбуждения и осуществляет обработку сигналов от ВОГ, ИПУ-Г и ДУ-71ТО с формированием абсолютного цифрового двоичного кода угла поворота вала головной призмы прибора; вырабатывает управляющее трехфазное ШИМ-напряжение для МД71. При этом МК-БСС по последовательному интерфейсу RS-485 осуществляет обмен с устройством управления прибора. Рабочее программное обеспечение МК-БСС загружается во FLASH-память его микропроцессора.
Конструкция МК-БСС в составе блока БСС-ВОГ [2], в котором также установлен ВОГ типа ВГ910Н производства ООО «Физоптика», представлена на рис. 3.
Рис. 3. Конструкция МК-БСС в составе блока БСС-ВОГ (а) с установленным в нем ВОГ (б)
278
Уравнения движения для системы косвенной ГС прибора, основные передаточные функции и выражения для определения погрешности системы ГС при ее работе в режиме пространственной памяти с учётом упругости ленточной передачи приведены в [2].
Уравнения движения для рассматриваемой системы ГС прибора, согласно [2,5], с учётом упругости ленточной передачи в нулевых начальных условиях имеют следующий вид:
1мд'Р2 и<*мд + с(<Хмд- лв) = Ммду + Мтмд + Мямд (К Ъ) g 1п'Р2 -алв-°>25лв мд) = 0,5Мтш-0,251п р2 0,5МНШ (Жв Жк) £ Мду=т(р) Аа-Имд р( лв ) Момду\
рАацу=раю,-ру/вог;
Ч'вог=¥ + Ч'вог;
РУ'вог
азад =
Аа = азад - 2аду; 2а¿у = 2ап - у/; ^п = 0->5ослв,
Момду = Момдт • ^п6п(I//
мд )>
где 1мд~ суммарный момент инерции на оси ротора МД71 при упругой ленточной передаче; р - оператор Лапласа; амд~ угол поворота ротора МД71; с - угловая жёсткость ленточной передачи, приведённая к оси стабилизации ЛВ\аЛ6 ~ угол наклона ЛВ по ВН; Ммду- вращающий момент МД71 при упругой ленточной передаче; Мпшд~ момент сухого трения на оси малого шкива ленточной передачи; М^^ - суммарный момент небаланса на оси малого шкива ленточной передачи; соответ-
ственно ускорения вибрации, качки и силы тяжести; Мтш - суммарный момент небаланса относительно оси призмы с большим шкивом ленточной передачи; у/ - реальный угол качки; МИШ - момент сухого трения на оси призмы с большим шкивом ленточной передачи; т(р)~ передаточная функция электромеханической обратной связи; Аа - погрешность стабилизации ЛВ по ВН (погрешность воспроизведения угла наклона ЛВ по ВН относительно угла целеуказаниям^); Ьмд~ коэффициент противо-ЭДС
МД71; Момду- текущее значение остаточного момента МД71 при упругой ленточной передаче; р • Ааг^~ погрешность целеуказания по угловой
скорости; у/вог~ угол качки по сигналам ВОГ; S,Qdp- соответственно погрешность масштабного коэффициента и скорость дрейфа ВОГ; аза^ -задаваемый угол для отработки ацу с учетом у/вог ; Лацу ~ погрешность целеуказания по углу; угол поворота призмы по ДУ-71ТО; ап~ аб-
солютный угол поворота призмы; Мом^т - максимальное значение остаточного момента МД71.
Основными составляющими погрешности стабилизации JIB по ВН косвенной ГС при качке являются:
-погрешность, обусловленная нестабильностью и невоспроизводимостью масштабного коэффициента ВОГ, в т.ч. с учётом его температурного коэффициента;
-погрешность, обусловленная влиянием момента инерции относительно оси призмы;
-погрешность от влияния момента сухого трения в опорах вала призмы и ленточной передачи, в т.ч. остаточного момента МД;
- погрешность от влияния внешних возмущающих воздействий, вызванных вибрацией при наличии небаланса.
Результаты расчётов [2] показывают, что максимальное значение погрешности системы косвенной ГС от нестабильности масштабного коэффициента ВОГ по его заявленным параметрам может достигать ±4,3 угл. мин, в т. ч. от наличия приведенного к валу призмы момента трения - ±1,0 угл. мин; от влияния вибрации и небаланса - ±3,0 угл. мин. При этом погрешность, вызванная наличием небаланса, может быть значительно снижена путем выполнения при изготовлении прибора соответствующей балансировки его подвижных составных частей. Также за счёт введения калибровки и термокомпенсации могут быть уменьшены до ±(0,5^1,0) угл. мин. составляющие погрешности, вносимые ВОГ.
Автономные испытания образца описанной выше системы косвенной ГС, основные результаты которых приведены в таблице, выполнялись с использованием трехосного испытательного стенда серии AC.3367.TCN фирмы «Acutronik» (далее стенд), обеспечивающего воспроизведение заданных параметров движения (таблица) с точностными параметрами, намного превосходящими требуемые. Указанный испытательный стенд снабжен климатической камерой, в которой расположена одна из подвижных качающаяся вокруг своей оси платформа стенда. Образец разработанной системы ГС, размещенной на специализированном приспособлении, имитирующем вал головной призмы прибора, устанавливался на указанную платформу стенда. Точностные параметры системы ГС определялись с помощью комплекта фотоэлектрического автоколлиматора.
Для испытаний системы ГС при воздействии линейных вибраций применялся вибростенд серии TIRA vib 5142 (далее вибростенд), с помо-
280
щью которого создавались в горизонтальной плоскости линейные вибрации требуемой частоты и амплитуды ускорений. Для фиксации параметров в процессе испытаний и задания требуемых режимов работы системы ГС применялся персональный компьютер с установленными платами последовательных интерфейсов CAN и RS485.
Основные параметры системы ГС
№ п/п Наименование параметра, единица измерения Заданное значение параметра Полученное значение параметра
1 Диапазон углов поворота головной призмы в режиме наведения, угл. градус -10...+35 -90.. .+90
2 Диапазон углов поворота вала УЭ-МД, угл. градус, не менее -20...+70 -180...+180
3 Вращающий момент МД, Н-м 0,15 0,24-0,3
4 Момент сопротивления вращению (МС) вала призмы в обоих направлениях, Н-м, не более 0,02 0,005
5 Минимальная угловая скорость поворота призмы, градус/с, не более 0,05 0,0015
6 Максимальная угловая скорость поворота призмы, градус/с, не менее 3 -
7 Диапазон угловых скоростей переброса по ВН призмы, градус/с 16.24 0.30
8 Максимальное угловое ускорение УЭ-МД в обоих направлениях, градус/с2 30 333
9 Момент инерции вала призмы, кг-м 0,0065 0,0065
10 Погрешность удержания вала призмы, угл. мин, не более ± 1,5 ± 0,015
11 Погрешность стабилизации ЛВ по ВН призмы в диапазоне частот возмущающих воздействий от 2 до 100 Гц со стороны основания с амплитудой ускорения до 3g, угл. мин, не более ± 1,1 ± 0,3-0,5
12 Погрешность в режиме стабилизации ЛВ по ВН при качке относительно оси ВН, угл. мин, не более (при Мс= 5 мН-м) ±1,1...±3,0 ±0,5.. .±0,9
13 Дрейф ЛВ по ВН, угл. мин/мин, не более: - на неподвижном основании в диапазоне температур от -10 до +20 °С; - на качающемся основании в диапазоне температур от -40 до +60 °С 30 60 25 50
14 Погрешность установки в нулевое положение призмы по ДУ-71ТО, угл. мин, не более ±2,0.. .±3,0 ±0,5
15 Погрешность преобразования угла поворота вала призмы по ДУ-71ТО, угл. с, не более ± 25 ± 18
Погрешность стабилизации образца системы ГС при качке с заданными параметрами при температуре окружающей среды (23±2) 0 С и при отсутствии вибраций составила ±0,9 угл. мин, а ее полученная зависимость в функции времени приведена на рис. 4.
с
__________и_
0 Ю 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Рис. 4. Погрешность системы в режиме стабилизации на качке
Проверка образца системы ГС в режиме стабилизации на качающемся основании проводилась в пределах углов поворота головной призмы в режиме наведения (см. таблицу) и показала, что амплитуда погрешности стабилизации не зависит от значения угла поворота вала приспособления (вала головной призмы). При этом система ГС осуществляет стабилизацию ЛВ по сигналу ВОГ, на который величина углов крена и дифферента не влияют.
Проверка образца системы ГС при воздействии линейных вибраций с амплитудой ускорения до 3g в диапазоне частот от 0 до 100 Гц показала, что амплитуда переменной составляющей погрешности стабилизации, вызванная вибрацией, не превысила 0,3... 0,5 угл. мин.
В рамках проверок на стойкость к внешним воздействиям образец системы ГС был подвергнут испытанию на стойкость к изменениям температуры окружающей среды в диапазоне от -40 до +60 °С. При этом было установлено, что при изменении температуры изменяется величина масштабного коэффициента ВОГ, что приводит к появлению дополнительной составляющей погрешности стабилизации до ±2,16 угл. мин. Для умень-
282
шения указанной составляющей погрешности в блоке БСС-ВОГ была программно реализована температурная коррекция масштабного коэффициента ВОГ, при этом удалось снизить эту составляющую погрешности до ±0,36 угл. мин.
В целом проведенный комплекс экспериментальных работ показал, что основные характеристики образца системы ГС полностью удовлетворяют заданным требованиям по точности стабилизации ЛВ по ВН головной призмы прибора, а сама система ГС может быть интегрирована в состав серийной аппаратуры прибора ТКН-4ГА. В настоящее время образец системы ГС проходит подготовку к испытаниям в составе прибора.
Следует отметить, что в связи с развитием микромеханических датчиков угловой скорости и улучшением их характеристик направлением дальнейшего совершенствования системы ГС для малогабаритных объектов является замещение входящего в ее состав ВОГ микромеханическим датчиком вращения. Использование последних позволит улучшить массо-габаритные характеристики системы ГС, а также существенно (не менее чем на 15...20 %) снизить ее стоимость. В настоящее время ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» проводит работы по освоению в производстве микромеханического гироскопа (ММГ) собственной разработки, конструкция которого приведена на рис. 5.
Рис. 5. Конструкция ММГ(а) и его чувствительного элемента - микромодуля (б)
Характеристики приведенного на рис. 5 ММГ приближаются к характеристикам ВОГ, в частности, и те, и другие имеют близкие значения собственных уходов (на уровне 10 градус/ч).
Для оценки возможности применения ММГ в составе системы ГС проведено ее моделирование, по результатам которого установлено, что использование таких ММГ увеличит ошибку системы до ±(5...7) угл. мин. Основным сдерживающим фактором по реализации использования ММГ является его низкая полоса пропускания (около 30.40 Гц), а также наличие в нем звена чистого запаздывания. Проводимые в настоящее время ра-
283
боты позволяют предполагать, что к концу 2012 года будут получены образцы ММГ с полосой пропускания не менее 100 Гц и величиной запаздывания выходного сигнала не более 1 мс. Это означает, что в ближайшем будущем могут быть достигнуты необходимые точностные характеристики системы ГС линии визирования с улучшением ее массо-габаритных показателей и снижением стоимости.
Список литературы
1. Перископный комплекс «Парус-98» / В.Г. Пешехонов [и др.] // Гироскопия и навигация. 2005. №1(48). С.5-15.
2. Разработка и изготовление образца следящего электропривода стабилизатора поля зрения изделия ТКН-4ГА: пояснительная записка «Разработка технического проекта ЭС-ЭП». СПб: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010. 111 с.
3. URL: http://www.elektropribor.spb.ru: Прецизионная электромеханика. - официальный сайт ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» [Электронный ресурс].
4. Епифанов О.К. Концепция построения унифицированного программно-управляемого моментного электропривода для робототехнических систем различного назначения // Материалы 4-й Всероссийской мульти-конференции по проблемам управления «МКПУ-2011», 3-8 октября 2011 г. с. Дивноморское, Геленджик, Россия. Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. Т2. С.207-210.
5. Бессекерский В.А., Фабрикант Е.А. Динамический синтез систем гироскопической стабилизации. Л.: Судостроение, 1968. 351 с.
А. V. Medvedev, А.А. мо1о^ш^, О.К. Еpifanov, MV^rlov
SPATIAL STABILIZATION SYSTEM OF BORESIGHT HEAD PRISM FOR A MOVING VEHICLE
Results of development and autonomous tests of indirect gyroscopic stabilization system of boresight head prism of moving vehicle with fiber-optic rotation sensor are presented. Estimation results of referred above system realization with micromechanical gyroscope developed in Concern CSRI Electropribor, JSC are given.
Key words: stabilization system, boresight, gyrosensor, autonomous tests.
Получено 08.09.2012
