Введение к работе
Актуальность работы. Развитие цифровых автоматизированных систем обработки информации привело к р,ззработке и внедрению измерительных аналого-цифровых преобразователей угловых перемещений следящего типа - АЛЛУ, к которым предъявляются постоянно растущие требования по точности преобразования. Важным аспектом также является метрологическая аттестация изготовленных преобразователей. Специфика функционирования судовых радиотехнических систем такова, что решение навигационных задач и задач слежения и наведения на постоянно качающемся основании делают определяющими параметрами динамические, т.к. статический резким практически полностью отсутствует. В связи с этим встает острая необходимость разработки методов исследования и измерения точностных параметров в динамическом режиме работы АЦПУ, в основном его динамической погрешности.
Принципы построения АЦПУ рассматривались многими исследователями. Так в работах Востроккутова Н.Н., Домрачева В.Г. и Мейко Б.С, Новицкого П.В. и Зографа А.И. проанализированы основные составляющие статической погрешности, принципы обеспечения и оценки точности АЦПУ. В работах известного ученого Л.Н. Сафонова разработана теория фильтра обратной последовательности, положившая начало новому классу АЦПУ с автоматической компенсацией погрешностей преобразования. В работе Петропавловского В.П. и Сини-цына Н.Б. впервые в отечественной практике показано, что фазовый сигнал датчика угла АЦПУ является более информативным нежели амплитудный, что нашло подтверждение в многочисленных работах автора. Отмеченные работы сыграли значительную роль в становлении АЦПУ как нового класса цифровых измерительных приборов.
Традиционные методы повышения точности, основанные на применении более прецизионных датчиков угла и более совершенных физических принципах преобразования, должны быть дополнены более "тонкими" аналитическими методам анализа и учета источников погрешностей преобразования и последующей их структурной компенсацией. Анализ возможно провести на основе адекватного комплексного математического описания измерительной цепи АЦПУ, отражающего ос-
новные физические процессы, протекающие в датчике угла и электронном блоке, и процессы искажения и рассеивания энергии, которые сопровождаются потерей информации и, как следствие, потерей точности преобразования. В этой связи исключительное значение приобретает составление и анализ математической модели АЦПУ.
К сожалению, несмотря на обширные публикации, посвящены они главным образом схемотехническим особенностям преобразователей и анализу отдельных составляющих погрешности, а вопросы разработки комплексной математической модели, необходимой для анализа есєго спектра составляющих погрешности следящих АЦПУ, несмотря на свою актуальность, не нашли своего отражения в литературных источниках.
Цель работы. Целью настоящей работы является повышение точности следящих АЦПУ, предназначенных для использования в морских навигационных и радиотехнических комплексах.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Разработка математической модели следящего АЦПУ, наиболее полно учитывающей физические процессы протекающие в первичном преобразователе угла и в электронном блоке, а также отклонения параметров АЦПУ от своих номинальных значений под воздействием дестабилизирующих факторов.
?,. Исследование основных источников погрешностей преобразования, возникающих в первичном преобразователе угла и в электронном блоке, и оценка их вклада в суммарную погрешность преобразования АЦПУ.
-
Разработка метода оценки инструментальной погрешности АЦПУ б динамическом режиме его работы.
-
Разработка методики проектирования АЇЇПУ с нормированными метрологическими характеристиками в статическом и динамическом режимах работы.
Методы исследования. При выполнении теоретических исследований в реферируемой работе использовался математический аппарат теории электрических машин, векторной алгебры и аппарат математического анализа уравнений в частных производных. При выполнении экспериментальных исследований использовался математический аппа-
-o-
рат теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
-
Разработана комплексная математическая модель следящего АЦПУ, которая позволяет установить функциональную связь между отклонениями параметров АЦПУ от номинальных значений под воздействием конструктивно-технологических или дестабилизирующих факторов и его суммарной погрешностью преобразования.
-
Исследованиями математических моделей подтверждено, что погрешность преобразования амплитудного АЦПУ содержит в качестве функциональных пространственных составляющих все источники погрешностей как синусно-косинусного вращающегося трансформатора (СКВТ), используемого в качестве датчика угла, так и электронного блока АЦПУ и, как следствие, превышает погрешность преобразования используемого датчика угла. Погрешность преобразования фазового АЦПУ обусловлена, б основном, погрешностью используемого СКВТ и погрешностью источника двухфазного возбуждения к существенно меньше погрешности преобразования амплитудного АЦПУ.
-
Проанализированы составляющие погрешности и установлено, что статическая погрешность преобразователя определяется в основном инструментальной составляющей.
-
Сформулировано уточненное определение динамической погрешности АЦПУ как измерительного преобразователя угловых перемещений в код и предложены метод и устройство для измерения динамической погрешности АППУ при номинальной скорости вращения его вала. Предложенный метод позволяет на этапе проектирования сформулировать требования, которые обеспечивают достижение разрабатываемым АЦПУ необходимой точности преобразования в динамическом режиме его работы.
-
Разработана методика проектирования АЦПУ с нормированными метрологическими характеристиками в статическом и динамическом режимах их функционирования.
5. Отмечено, что использование в качестве источника возбуждения датчика угла АЦПУ силовой электрической сети приводит к дополнительной погрешности преобразования, обусловленной высшими гармониками напряжения возбуждения и их нестабильностью. Поэтому
для всех типов АЦПУ рекомендуется возбуждение датчика угла производить от специального прецизионного источника возбуждения, который использует цифровой синтез выходных напряжений (токов) возбуждения с разрешающей способностью не менее IS разрядов для обеспечения минимума асимметрии, неортогональности и коэффициента гармоник синтезируемых напряжений или токов.
-
Предложены функциональные решения АЦПУ, подтвержденные авторскими свидетельствами, обладающие структурными свойствами компенсации погрешности преобразования, позволяющие обеспечить существенное повышение точности по сравнению с используемыми системами.
-
Метрологическими испытаниями изготовленных АЦПУ подтверждены существенно более высокие метрологические характеристики фазовых АИДУ по сравнению с амплитудными. Показано, что область погрешностей преобразования амплитудных АЦПУ, превышает погрешность преобразования используемого датчика угла и не превышает границы априорной оценки погрешности по математической модели. Область погрешностей преобразования фазовых АЦПУ не превышает погрешность преобразования используемого датчика угла и существенно меньше погрешности амплитудного АЦПУ.
Новизна основных технических решений подтверждена 8 авторскими свидетельствами на изобретения СССР.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Результаты исследования были положены в основу разработанного ряда одноплатных одноотсчеткых АЦПУ с датчиком угла СКБТ типа ВТ-5, которые существенно превосходят по метрологическим и' массогабаритным показателям используемые в настоящее время преобразователи угол-код в морском приборостроении.
Разработан двухотсчетный преобразователь с серийным датчиком угла иКБТ типа ВТ-100 и токовым режимом его возбуждения, который вдвое превосходит по точности аналогичный серийный преобразователь угол-код ПУФК-16.
?:. Разработаны программа расчета на. ЗБМ инструментальной погрешности преобразования АЛЛУ.
а. Разработано устройство и программа метрологической аттес-
тации изготовленных преобразователей, которые в автоматическом режиме выполняют приемосдаточные и другие виды испытаний при номинальных режимах работы преобразователей с документированием результатов испытаний.
4. Сформулированы требования по выбору первичного преобразователя угла и структуре построения электронного блока.
Внедрение результатов работы. Результаты работы были реализованы в основных заказах ГосНПО "Альтаир" в ходе выполнения плановых опытно-конструкторских работ. Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались:
на постоянно действующем научно-техническом семинаре при НТО им. А.О.Попова по-микроэлектронике и первичным преобразователям информации в Московском лесотехническом институте;
на 13-й и 19-й научно-технических конференциях молоды;-: ученых и специалистов ГосНПО "Альтаир";
- на заседаниях научно-технического совета отделения.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 12
печатных научных трудах, в том числе получены 8 авторских свидетельств на изобретения. Результаты исследований отражены в ряде научно-исследовательских отчетов.
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 147 страницах машинописного текста, иллюстрируется 18 рисунками и 5 таблицами и состоит из. введения, 4-х глав, заключения, списка литературы из 74 наименований и 2-х приложений на 13 страницах.
Основные положения, представляемые к защите.
-
Комплексная математическая модель следящего АЦПУ, которая позволяет установить функциональную связь между отклонениями параметров АЦПУ от номинальных значений под воздействием конструктивно-технологических или дестабилизирующих факторов и его суммарной погрешностью преобразования.
-
Результаты исследования механизма влияния конструктивно технологических дефектов датчика угла и электронной части на суммарную погрешность преобразования АЦПУ.
- a -
я. Опенка предельных значений инструментальной погрешности преобразования амплитудных и фазовых АЦПУ.
-
Структурные решения, подтвержденные авторскими свидетельства,»! на изобретения, позволившие существенно повысить точность преобразования.
-
метод оценки динамической погрешности преобразования АЦПУ.
