Датчик угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к гироскопическим преобразователям угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа. Датчик угловой скорости (ДУС) на базе динамически настраиваемого гироскопа содержит корпус, ротор, в двухосном кардановом подвесе и два канала измерения, каждый из которых содержит датчик угла, усилитель, датчик момента с обмоткой управления и измеритель тока датчика момента, при этом датчик угла и датчик момента расположены на осях чувствительности, перпендикулярных друг другу, а измеритель тока датчика момента включен последовательно в цепь его обмотки управления. В ДУС введен сумматор и дополнительный усилитель с коэффициентом усиления, прямо пропорциональным произведению коэффициентов передачи датчиков угла и датчика момента по току и обратно пропорциональным квазиупругой жесткости гироскопа. Технический результат - повышение точности измерения угловой скорости за счет уменьшения погрешности от перекрестной связи между измерительными каналами ДУСа. 4 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к гироскопическим преобразователям угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа.

Известен датчик угловой скорости [1] содержащий корпус, динамически настроенный ротор и два канала измерения, каждый из которых содержит преобразователь угла, усилитель и преобразователь момента с измерителем тока.

Преобразователь угла и момента выполняют функции датчиков угла и момента гироскопа соответственно.

Наиболее близким по технической решению является датчик угловой скорости [2] содержащий корпус, ротор в двухосном динамически настроенном подвесе и два канала измерения каждый, из которых содержит датчик угла ДУ, усилитель, датчик момента ДМ с обмоткой управления и измеритель тока датчика момента, причем датчик угла и датчик момента расположены на осях чувствительности гироскопа перпендикулярных друг другу, выход усилителя подключен ко входу датчика момента, а измеритель тока датчика момента включен последовательно в цепь его обмотки управления.

Недостатком такого датчика угловой скорости является погрешность измерения знакопеременной угловой скорости, обусловленная наличием перекрестной связи между измерительными каналами гироскопа из-за конечной величины квазиупругой жесткости подвеса ротора гироскопа, то есть при действии угловой скорости, изменяющейся по синусоидальному закону, по одному измерительному каналу на выходе перекрестного измерительного канала появляется паразитный сигнал с той же частотой, хотя угловая по данному измерительному каналу не действует, при этом величина паразитного сигнала помехи возрастает с ростом частоты действующей угловой скорости.

При измерении постоянных угловых скоростей данная погрешность отсутствует.

Для пояснения механизма возникновения данной погрешности представим структурную схему датчика углов My скорости в следующем виде.

На Фиг. 1 обозначено:

W(s) - передаточная функция усилителя каждого канала,

Kду - крутизна датчика угла,

ωx и ωy - угловые скорости корпуса вокруг осей x и y,

и - углы отклонении корпуса вокруг осей x и y,

αn, βn - углы нутационных бросков ротора вокруг осей x и y,

αос, βос - углы прецессионного движения ротора вокруг осей x и y,

α, β - углы отклонений ротора относительно корпуса вокруг осей x и y,

Mx и My - моменты, развиваемые датчиками моментов вокруг осей x и y, и вызываемые соответственно токами Jx и Jy.

Для анализа возможности компенсации перекрестной погрешности гироскопа в режиме датчика угловой скорости полагаем, что корпус гироскопа вращается лишь вокруг оси x, т.е. ωx≠0, а ωy≠0. Также полагаем, что при этом величина перекрестной чувствительности достаточно мала в сравнении с основным сигналом, т.е. Jx<<Jy (что эквивалентно Mx<<My), поэтому нутационным броском в прямом канале можно пренебречь (тем более, что величина квазиупругой жесткости гироскопа всегда достаточно велика). В силу этого соответствующая связь между Mx и αn обозначена на рис. 1. пунктиром и далее не учитывается.

Прямой канал обеспечивает измерение угловой скорости корпуса ωx вокруг оси x. Величина выходного сигнала Jy, в соответствии с Фиг. 1., определяется выражением

Для исключения угла поворота ротора относительно корпуса α при измерении постоянной угловой скорости в W(s) вводится изодром, т.е.

Тогда где и выходной сигнал равен

При этом будет иметь место сигнал в перекрестном канале, равный

и относительная величина перекрестной погрешности равна

На практике обычно T1>T, поэтому относительную погрешность можно приближенно представить в виде

Отсюда следует, что в установившемся режиме при постоянной скорости ωx относительная перекрестная погрешность δJ отсутствует, а при гармонически изменяющейся входной скорости на частотах ее амплитуда постоянна и равна

Таким образом максимальное значение относительной погрешности имеет место на частотах входной скорости и равно отношению крутизны контура обратной связи K к квазиупругой жесткости гироскопа Kку.

Углы поворота ротора гироскопа относительно корпуса равны

где - передаточная функция перекрестного канала по входной угловой скорости ωx.

Причиной возникновения сигнала в перекрестном канале является нутационный бросок ротора гироскопа по перекрестной оси, возникающий при входной угловой скорости ωx из-за конечной величины квазиупрутой жесткости подвеса ротора гироскопа.

С целью уменьшения ошибки от перекрестной угловой скорости, в контур обратной связи ДУСа по каждому каналу измерения введены сумматор и дополнительный усилитель с коэффициентом усиления, прямо пропорциональным произведению коэффициентов передачи датчика угла и датчика момента по току и обратно пропорциональным квазиупругой жесткости гироскопа, причем выход датчика угла подключен к первому входу сумматора этого канала, измеритель тока датчика момента перекрестного канала измерения подключен через дополнительный усилитель ко второму входу сумматора, а выход сумматора подключен к входу усилителя того же канала измерения.

Компенсация погрешности от перекрестной связи (для одного измерительного канала) производится в соответствии со структурной схемой, представленной на Фиг. 2.

Здесь пунктиром отображена цепь компенсации перекрестной ошибки с передаточной функцией

Из структурной схемы на Фиг. 2 видно, что передаточная функция, определяющая связь между прямым и перекрестным каналами, Фс=0, откуда следует, что выходной сигнал по перекрестной оси

Jx~Mx=My⋅Фс(s)⋅Ф(s)=0,

т.е. перекрестная связь между каналами отсутствует.

Таким образом, для компенсации перекрестной ошибки по этому способу, необходимо выходной сигнал Jy~My по прямой цепи умножить на крутизну датчика угла Kду, разделить на квазиупругую жесткость гироскопа и сложить с выходным сигналом датчика угла по перекрестной оси.

Результаты экспериментальной проверки датчика ДУС РВГ-01 №50 с реализованным алгоритмом компенсации погрешности от перекрестной связи для входной угловой скорости 40°/с в диапазоне частот (3…35) Гц представлены на Фиг. 3, Фиг. 4.

Как видно из Фиг. 3 и Фиг. 4 использование компенсации перекрестных связей в датчике угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа обеспечивает снижение погрешности в 10…20 раз.

Источники информации

1. "Динамически настраиваемые гироскопы." Д.С. Пельпор, В.А. Матвеев, В.Д. Арсеньев. "Машиностроение", Москва, 1988 г., стр. 249-252.

2. "Гироскоп - это просто." В.А. Матвеев, МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, 2012 г., стр. 146-148.

Датчик угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа, содержащий корпус, ротор в двухосном динамически настроенном подвесе и два канала измерения, каждый из которых содержит датчик угла, усилитель, датчик момента с обмоткой управления и измеритель тока датчика момента, причем датчик угла и датчик момента расположены на осях чувствительности гироскопа, перпендикулярных друг другу, выход усилителя подключен к входу датчика момента, а измеритель тока датчика момента включен последовательно в цепь его обмотки управления, отличающийся тем, что с целью уменьшения ошибки от перекрестной угловой скорости, в него по каждому каналу измерения введены сумматор и дополнительный усилитель с коэффициентом усиления, прямо пропорциональным произведению коэффициентов передачи датчика угла и датчика момента по току и обратно пропорциональным квазиупругой жесткости гироскопа, причем выход датчика угла подключен к первому входу сумматора этого канала, измеритель тока датчика момента перекрестного канала измерения подключен через дополнительный усилитель ко второму входу сумматора, а выход сумматора подключен к входу усилителя того же канала измерения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при разработке и производстве двухстепенных гироблоков. Достигаемый технический результат - повышение точности (достоверности) определения составляющей погрешности гироблока, обусловленной резонансом его конструкции.

Изобретение относится к гироскопической технике и может быть использовано для измерения абсолютной угловой скорости подвижных объектов. Сущность изобретения заключается в том, что динамически настраиваемый гироскоп содержит магниты, при этом на торцах магнитов, обращенных друг к другу, выполнены пазы, стороны катушек датчика момента, протекание тока в которых создает управляющий момент, расположены над сплошными частями магнитов, стороны катушек датчика угла, в которых формируется сигнал об угловых отклонениях ротора, расположены над пазами в магнитах, в рабочий зазор магнитной системы помещены генераторные катушки прямоугольной формы, соединенные последовательно и расположенные парами в два ряда над кольцевыми магнитами так, что они не выходят за пределы магнитной системы ротора датчика угла и момента, а оси каждого ряда находятся над пазами в соответствующем магните.

Изобретение относится к гироскопической технике и может быть использовано для измерения абсолютной угловой скорости подвижных объектов. Динамически настраиваемый гироскоп содержит корпус, вал, упругий подвес, установленный на вал и обеспечивающий ротору возможность поворота относительно вала вокруг двух ортогональных осей, ротор, установленный на упругий подвес и имеющий кольцевой магнит, намагниченный в радиальном направлении и имеющий чередующиеся участки большей и меньшей намагниченности, статор двухкоординатного датчика угла, установленный на корпусе и имеющий катушки, вставленные в кольцеобразный канал ротора, при этом между статором двухкоординатного датчика угла и корпусом установлены две втулки, одна из которых присоединена к статору и имеет сферическую поверхность с центром в точке пересечения оси вала с осями подвеса, а вторая, установленная на корпусе, имеет коническую поверхность, сопрягающуюся со сферической поверхностью первой втулки, с возможностью углового смещения первой втулки относительно второй.

Использование: для преобразования угловых положений. Сущность заключается в том, что способ автономного определения положения объекта основан на формировании информативного гармонического сигнала частоты вращения гироскопа с радиально намагниченным ротором–магнитом путем индуцирования эдс в обмотке сферического соленоида, механически закрепленного на объекте, электрическом арретировании ротора гироскопа, наведении его оси вращения на объект внешнего пространства и установке начального отсчета координат, разарретировании и выделении из информативного сигнала параметров по двум координатам, курса и тангажа, при этом формируют одновременно три попарно биортогональных между собой синусно-косинусных сигнала индуцированием эдс частоты вращения ротора, выполненного в форме полого полного или неполного шара, намагниченного перпендикулярно его оси вращения и помещенного внутри или снаружи сферы из немагнитного материала, на которой взаимно пространственно перпендикулярно расположены три сферических соленоида, а параметры трех угловых положений объекта, представленного связанной с ним системой координат в виде трех попарно биортогональных между собой синусно-косинусных сигналов, относительно внешнего инерциального, псевдоинерциального или неинерциального пространства, представленного вращающимся шаровым ротором-магнитом, определяют одновременной демодуляцией по трем каналам амплитуд и фаз трех пар обозначенных синусно-косинусных сигналов по заданным алгоритмам.

Использование: для первичных измерительных преобразователей (датчиков) угловых положений объектов с шестью степенями свободы пространственного движения. Сущность изобретения заключается в том, что гироскопический датчик угловых положений объекта с шестью степенями свободы содержит гироскоп с вращающимся ротором-магнитом, намагниченным перпендикулярно оси вращения, помещенный внутри сферического соленоида и разгонного устройства, снабженного системами электрического арретирования и стабилизации частоты вращения ротора, при этом дополнительно введены еще два сферических соленоида, расположенных попарно биортогонально с первым соленоидом и между собой, а вместе трехмерно ортогонально, все три соленоида расположены на сфере, выполненной из немагнитного материала и жестко соединенной с объектом зафиксированным внешним кардановым подвесом, а ротор-магнит выполнен в форме полого сферического шара, частично заполненного немагнитной демпфирующей жидкой средой, а зазор между ротором и сферой с соленоидами заполнен жидкой смазкой, на сфере параллельно оси сферического соленоида начального отсчета расположено прицельное устройство, а на втулках карданового подвеса установлены элементы снятия фиксации.

Изобретение относится к гироскопической технике и может быть использовано для измерения абсолютной угловой скорости подвижных объектов - самолетов, ракет, морских судов.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения угловых скоростей в системах управления движущимися объектами. Технический результат - расширение функциональных возможностей.

Изобретение относится к транспортным средствам, а именно к гиростабилизированным двухколесным одноколейным транспортным средствам. Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности экстренного маневра без уменьшения частоты вращения гироскопа простым наклоном корпуса водителя при одновременном упрощении конструкции за счет использования только одного гироскопа.

Изобретение относится к приборостроению, в частности к бескарданным гироскопам на сферической шарикоподшипниковой опоре, которые могут использоваться, например, в качестве чувствительных элементов гиростабилизаторов или двухканальных измерителей угловой скорости.

Гироскоп // 2446382
Изобретение относится к приборостроению и может использоваться при создании бескарданных гироскопов на сферической шарикоподшипниковой опоре, которые могут применяться, например, в качестве чувствительных элементов гиростабилизаторов или двухканальных измерителей угловой скорости.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к гироскопическим преобразователям угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа. Датчик угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа содержит корпус, ротор, в двухосном кардановом подвесе и два канала измерения, каждый из которых содержит датчик угла, усилитель, датчик момента с обмоткой управления и измеритель тока датчика момента, при этом датчик угла и датчик момента расположены на осях чувствительности, перпендикулярных друг другу, а измеритель тока датчика момента включен последовательно в цепь его обмотки управления. В ДУС введен сумматор и дополнительный усилитель с коэффициентом усиления, прямо пропорциональным произведению коэффициентов передачи датчиков угла и датчика момента по току и обратно пропорциональным квазиупругой жесткости гироскопа. Технический результат - повышение точности измерения угловой скорости за счет уменьшения погрешности от перекрестной связи между измерительными каналами ДУСа. 4 ил.

Наверх