Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Конструкция ДУС. Выбор схемы построения и основных конструктивных параметров. Конструкция и расчет узлов ДУС 23
1.1. Конструктивная схема ДУС. Варианты маятников. Конструкция ДУ и ДМ ДУС 23
1.2. Описание конструкции ДУС и его работы 30
1.3. Уравнения движения маятника ДУС 37
1.4. Выбор варианта организации обратной связи
1.4.1. Перекрестная ОС 50
1.4.2. Прямая ОС 60
1.5. Выбор конструктивных параметров гироскопа 66
1.5.1. Моменты инерции и масса подвижной части маятника 66
1.5.2. Жесткости упругого подвеса 67
1.5.3. Оценка демпфирования 96
1.5.4. Расчет емкостного датчика угла 101
1.5.5. Расчет магнитоэлектрических датчиков момента обратной связи и датчика момента по оси возбуждения 110
1.5.5.1. Датчик момента обратной связи 120
1.5.5.2. Датчик момента по оси возбуждения 124
Глава 2. Квадратурная погрешность ДУС 127
2.1. Причины возникновения квадратурной погрешности в ДУС 128
2.2. Способы устранения квадратурной погрешности в ДУС 135
Глава 3. Системы управления ДУС 159
3.1. Система автовозбуждения колебаний 159
3.2. Недостатки системы автовозбуждения и способы их устранения 163
3.3. Система возбуждения колебаний с поддержанием амплитуды и дорезонансной настройкой 168
3.4. Система возбуждения колебаний с поддержанием амплитуды и резонансной настройкой 175
3.5. Система компенсационной ОС 182
3.6. Использование микроконтроллера в ДУС 187
Глава 4. Экспериментальные исследования ДУС 189
4.1. Описание элементов ДУС 189
4.1.1. Кремниевый маятник. Проблемы, возникающие при изготовлении 189
4.1.2. Керамические корпуса. Проблемы, возникающие при изготовлении. Прочие детали конструкции 204
4.1.3. Платы электроники 214
4.2. Сборка и настройка ДУС 216
4.2.1. Сборка ДУС. Оборудование и приспособления для сборки... 216
4.2.2. Настройки прибора, оборудование и приспособления для настройки 230
4.3. Экспериментальные исследования ДУС 232
4.3.1. Методика испытаний ДУС 232
4.3.2. Результаты испытаний 238
Выводы 251
Список литературы
- Расчет емкостного датчика угла
- Способы устранения квадратурной погрешности в ДУС
- Система возбуждения колебаний с поддержанием амплитуды и резонансной настройкой
- Керамические корпуса. Проблемы, возникающие при изготовлении. Прочие детали конструкции
Введение к работе
Актуальность работы. Последние несколько лет все более широкое распространение в мире получают гироскопы, основанные на микроэлектромеханических системах (МЭМС), популярность которых обусловлена, в первую очередь, малыми габаритами, низким энергопотреблением и низкой стоимостью. В то же время существуют области применения МЭМС-гироскопов, где требуются достаточно высокие точностные характеристики, которые существенно превышают точностные характеристики имеющихся в продаже недорогих твердотельных МЭМС-гироскопов. Также не предъявляются жесткие требования к габаритам приборов. Приемлемыми являются максимальный габаритный размер до 20 мм и цены до 1000 USD при объеме производства от 1000 до 10000 штук в год.
Таким требованиям отвечают гибридные гироскопы, сочетающие элементы, получаемые методами МЭМС технологии, с элементами электромеханических приборов, хорошо освоенных российскими приборостроительными предприятиями. Это обеспечивает возможность изготовления и сборки МЭМС-гироскопов на предприятиях отечественной приборостроительной отрасли. При этом гибридные гироскопы не требуют больших затрат на подготовку производства, как в случае организации серийного выпуска твердотельных гироскопов, которые окупаются только в случае объемов продаж от миллиона штук в год.
Гибридные гироскопы имеют ряд конструктивных отличий от твердотельных МЭМС-гироскопов. Они допускают применение магнитоэлектрических датчиков момента (ДМ), позволяющих развивать гораздо большие моменты по сравнению с электростатическими ДМ в твердотельных приборах. Благодаря этому для нормальной работы приборов достаточно иметь добротность механических систем от 500 до 3000, которая может быть достигнута при отсутствии вакуумирования и величинах рабочих зазоров между подвижной и неподвижными частями гироскопа от 30 до 60 мкм. Допустимые большие размеры гибридных гироскопов позволяют увеличить площадь электродов емкостного датчика угла (ДУ) и получить приемлемые величины номинальных емкостей ДУ от 10 до 20 пФ при больших рабочих зазорах. Большие размеры также позволяют увеличить длину упругих перемычек, и, соответственно, получить большую, чем в твердотельных приборах, амплитуду колебаний маятника по оси возбуждения. Большая амплитуда в совокупности с большими толщиной и диаметром маятника, в свою очередь, позволяют увеличить момент кориолисовых сил, вызывающих колебания вокруг измерительных осей прибора, и повысить точностные характеристики гироскопов. Использование технологии анизотропного травления и применение магнитоэлектрических ДМ дает возможность применить новые способы компенсации квадратурной погрешности гироскопов.
Среди российских фирм, занимающихся МЭМС гироскопами, необходимо отметить фирмы «Электроприбор», i-Sense, «Гирооптика», РПКБ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, НИИ ПМ им. В.И. Кузнецова. Однако до настоящего времени разработки не вышли из опытной стадии, и серийный выпуск МЭМС-гироскопов не реализован.
Таким образом, разработка и исследование принципов построения гибридных гироскопов, отвечающих вышеперечисленным требованиям, и повышение точности этих гироскопов является актуальной научно-технической задачей.
Целью диссертации является разработка и исследование принципов построения гибридных гироскопов, исследование причин возникновения погрешностей в нем и способов их снижения. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Развита теория работы микромеханических вибрационных гироскопов R-R-R типа:
исследованы прямой и перекрестный варианты построения системы компенсационной обратной связи в приборе;
выявлены основные причины возникновения квадратурной погрешности гибридного гироскопа, разработаны и исследованы способы ее устранения.
-
Разработана схема построения гибридного гироскопа и отдельных его узлов: кремниевого маятника; датчиков угла (ДУ); ДМ системы возбуждения колебаний; ДМ обратной связи (ОС).
-
Разработана методика определения рационального соотношения размеров ДМ ОС с целью получения максимального момента в минимальных габаритах.
-
Разработаны и исследованы характеристики различных конструкций упругих подвесов кремниевого маятника и определено рациональное соотношение собственных линейных и угловых частот по трем осям, позволяющее улучшить характеристики прибора.
-
Обосновано применение различных вариантов построения систем возбуждения колебаний маятника с поддержанием амплитуды угловой скорости.
-
Разработана технология изготовления маятникового узла гибридного гироскопа, а также технология его сборки и регулировки.
-
Созданы и экспериментально исследованы опытные образцы гибридных гироскопов.
Объектом исследования является гибридный двухкоординатный компенсационный микромеханический гироскоп с кремниевым маятниковым узлом, с емкостными ДУ, с магнитоэлектрическими ДМ системы возбуждения колебаний и с магнитоэлектрическими ДМ ОС.
Предметом исследования являются принципы построения гибридных гироскопов.
Методы исследований. В диссертации использованы классические методы аналитической механики и теории гироскопов, методы математического моделирования, методы теории автоматического регулирования. Экспериментальные исследования базируются на стандартизированных методиках испытаний – в частности, рекомендованных международными стандартами IEEE Standard.
Научная новизна
-
Разработаны принципы построения двухкоординатных гибридных гироскопов с кремниевым маятниковым узлом, с емкостными ДУ, с магнитоэлектрическими ДМ системы возбуждения колебаний и с магнитоэлектрическими ДМ ОС, позволяющие создавать высокоточные приборы при отсутствии вакуумирования.
-
Решена задача определения рационального соотношения основных размеров узлов гибридного гироскопа и ДМ ОС, обеспечивающих увеличение точности измерения угловой скорости.
-
Разработаны методы компенсации квадратурной погрешности гироскопа в процессе изготовления кремниевого маятника и сборки прибора, позволяющие увеличить точность гироскопов и увеличить процент выхода годных изделий.
-
Разработаны способы построения системы возбуждения колебаний с поддержанием амплитуды, позволяющие упростить конструкцию прибора и электронного блока и повысить точность гироскопа.
Практическая ценность работы. На основании выполненных исследований создан новый гибридный двухкоординатный компенсационный микромеханический гироскоп, конструкция которого позволяет изготавливать его на существующей отечественной технологической базе и повысить точностные характеристики. Предложена новая конструкция ДМ ОС с роторной частью в виде обмотки плоской формы, что позволяет изготавливать ее одновременно с остальными обмотками и металлизированными дорожками кремниевого маятника. Предложены новые методики компенсации квадратурной погрешности гироскопа, применение которых позволяет увеличить выход годных приборов и повысить точностные характеристики гироскопа.
Достоверность полученных результатов следует из хорошего совпадения аналитических расчетов, результатов численного моделирования и результатов экспериментов.
Реализация и внедрение результатов. Результаты, полученные в диссертации, используются в НИИ ПМ им. академика Кузнецова В.И. при создании МЭМС-гироскопов, что подтверждено актом внедрения. Кроме того, результаты диссертации, в соответствие с контрактом между МГТУ им. Н.Э. Баумана и PoongSan FNS, используются при создании МЭМС-гироскопов в южнокорейской компании PoongSan FNS.
На защиту выносятся:
-
Принципы построения двухкоординатного гибридного МЭМС-гироскопа R-R-R типа с кремниевым маятниковым узлом, емкостными ДУ, магнитоэлектрическими ДМ системы возбуждения колебаний и магнитоэлектрическими ДМ ОС, с большими рабочими зазорами и без вакуумирования, позволяющие повысить их точностные характеристики.
-
Методы компенсации квадратурной погрешности гироскопа, применяемые в процессе изготовления маятников и сборки приборов, позволяющие уменьшить величину паразитных колебаний и тем самым повысить как точностные характеристики гироскопов, так и увеличить процент выхода годных приборов.
-
Способы построения системы возбуждения колебаний маятника гироскопа с поддержанием амплитуды, позволяющие упростить конструкцию и технологию изготовления прибора и с большей точностью поддерживать амплитуду собственного кинетического момента, тем самым повысив точностные характеристики гироскопа.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на 6 научно-технических конференциях (на III научно-технической конференции молодых специалистов в ФГУП «НПЦ АП», г. Москва 2008 г.; на XI конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», г. Санкт-Петербург, 2009 г.; на XXXIV Академических чтениях по космонавтике, г. Москва, 2010 г.; на XVII международной конференции по интегрированным навигационным системам, г. Санкт-Петербург, 2010 г.; на XXXV Академических чтениях по космонавтике, г. Москва, 2011 г.; на VI молодежной конференции Академии навигации и управления движением, г. Москва, 2011 г.) и обсуждались на научном семинаре кафедры «Приборы и системы ориентации, стабилизации и навигации» МГТУ им. Н. Э. Баумана.
Публикации. Основные результаты работы изложены в 13 научных работах, в том числе в пяти статьях в журналах, входящих в перечень ВАК. Получено положительное решение на выдачу патента РФ на изобретение.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 265 листах машинописного текста, содержит 195 рисунков и 4 таблицы. Список литературы содержит 124 библиографические ссылки.
Расчет емкостного датчика угла
Статорная часть магнитоэлектрических ДМ представляет собой магнитную систему с постоянными магнитами цилиндрической формы, закрепленных в ответных пластинах. При этом магниты ДМ системы возбуждения попарно обращены разноименными полюсами к рабочему зазору, в котором размещен маятник для получения прямого магнитного поля (см. рис. 1.5). Магниты же ДМ ОС попарно обращены одноименными полюсами к рабочему зазору для получения стесненного магнитного поля, имеющего составляющую магнитной индукции параллельную плоскости маятника (см. рис. 1.6 и 1.8). Роторная часть магнитоэлектрических датчиков момента представляет собой плоские обмотки (поз. 4 на рис. 1.2 и 1.3), напыленные на поверхность подвижной части маятника с обеих сторон. Рабочие части обмотки ДМ системы возбуждения расположены таким образом, чтобы при протекании по ним тока возникающие силы Ампера создавали момент вокруг оси возбуждения (см. рис. 1.5). Рабочие части обмоток ДМ ОС выполнены в виде спирали (см. рис. 1.7); такая форма обмоток при нахождении их в стесненном магнитном поле позволяет получать силы Ампера перпендикулярные плоскости маятника (см. рис. 1.8) и создающие моменты вокруг выходных осей (см. рис. 1.6).
Подобная конструкция ДМ со стесненным магнитным полем и спиральными обмотками была предварительно опробована в конструкции компенсационного акселерометра [71, 75, 76] и доказала свою работоспособность.
В разработке конструкции прибора помимо автора работы принимали участие Коновалов С.Ф., Подчезерцев В.П., Шабаев В.П., Майоров Д.В., Сидоров А.Г., а в разработке прототипа прибора (без компенсационной ОС) помимо автора и Коновалова С.Ф. принимали участие Фролов Е.Н., Егорова Т.Л., Ларшин А.С., Шевченко В.Ю. Конструкция гироскопа в целом представляет собой структуру типа «сэндвич» - кремниевый маятник, зажатый между двумя керамическими пластинами с некоторым зазором. Конструктивно весь прибор разбит на два блока, стыкующихся друг с другом: блок чувствительного элемента (ЧЭ) и блок электроники. Состав блока ЧЭ проиллюстрирован на рис. 1.9 и 1.10.
Важнейшей деталью блока ЧЭ является кремниевый маятник, подвижная часть 1 (см. рис. 1.9) которого имеет три вращательных степени свободы относительно его неподвижной части 2 посредством упругого подвеса 3. На обеих сторонах маятника размещены обмотки ДМ ОС и ДМ системы возбуждения (на рис. 1.9 не показаны). Маятник закреплен между двумя керамическими корпусами 4 и 5 таким образом, что неподвижная часть маятника 2 оказывается расположенной на восьми металлизированных платиках 10 (четыре штуки на нижнем керамическом корпусе и четыре на верхнем) высотой 50 мкм. Таким образом, подвижная часть маятника имеет возможность поворачиваться в пределах этого зазора. Величина зазора определяет характеристики как прибора в целом, так и отдельных его элементов, и может быть выбрана отличной на десятки микрон от указанных 50 мкм (подробнее см. раздел расчет ДУ и демпфирования в текущей главе).
Платики 10 непосредственно контактируют с выводами обмоток ДМ на неподвижной части маятника 2, обеспечивая вывод этих обмоток на обращенные от маятника стороны обоих керамических корпусов посредством сквозных металлизированных отверстий 14 и дальнейшее их соединение с распаечными площадками, расположенными по периметру обоих керамических корпусов посредством металлизированных дорожек (оранжевые элементы на керамических корпусах).
В отверстиях керамических корпусов 4 и 5 расположены постоянные магниты ДМ ОС 6, обращенные одноименными полюсами друг к другу. Также в верхнем корпусе 5 расположены постоянные магниты ДМ системы возбуждения 7, в нижнем же корпусе напротив магнитов 7 располагаются регулировочные головки с профилированными торцами 8. В зависимости от выбранного варианта конструкции они могут быть выполнены как из магнитомягкого материала, так и содержать постоянные магниты, ориентированные в паре с магнитами 7 разноименными полюсами к зазору (подробнее см. главу 2 о квадратурной погрешности ДУС).
Для обеспечения замыкания магнитного поля магнитов сверху и снизу на керамические корпуса устанавливаются магнитопроводы 15 и 16 из магнитомягкого материала (МММ). Магнито провод 15 также играет роль гайки при стягивании всей конструкции центральным винтом 17. Посадочная часть винта 17 и центральное отверстие маятника имеют строго выдержанные размеры, за счет которых происходит центрирование маятника и корпусов друг относительно друга.
На обращенных к маятнику сторонах керамических корпусов 4 и 5 расположены напыленные обкладки емкостных датчиков угла 9 (по четыре обкладки на каждом корпусе). На верхнем корпусе 5 расположены четыре металлизированных отверстия с распаечными площадками 13, которые имеют непосредственный электрический контакт с четырьмя обкладками ДУ 9 на верхнем корпусе. Четыре обкладки ДУ 9 на нижнем корпусе 4 соединены с четырьмя электропроводящими столбиками 11, которые проходят сквозь четыре окна упругого подвеса маятника, не касаясь его, и входят в четыре отверстия 12 в верхнем корпусе 5, и далее, посредством напыленных электропроводящих дорожек, соединяются с распаечными площадками на верхнем корпусе. Столбики 11 также играют роль элементов, осуществляющих позиционирование корпусов друг относительно друга и придающих жесткость конструкции в целом.
Способы устранения квадратурной погрешности в ДУС
Выражения для моментов перекрестной ОС в случае жесткой обратной связи будут зависеть от углов а и /?, некоторым образом преобразованных, усиленных и поданных на ДМ по перекрестным осям Or/ и ОІ; : \мфС=КфС-а где К ос и KJi0C - коэффициенты, символизирующие преобразование и усиление. В общем же случае в выражение (1.40) также могут входить интегралы и производные от соответствующих углов.
Такая ОС и принцип ее работы во многом схож с ОС в ДУСе на динамически настраиваемом гироскопе (ДНГ). В самом простом виде работу такой ОС можно описать, если представить абстрактный случай, когда жесткость подвеса по измерительным осям равна нулю. Тогда, при наличии проекции угловой скорости основания, например, на ось ОІ; появляется угол рассогласования а между подвижной частью маятника и корпусом. Сигнал с ДУ, пропорциональный этому углу, через контур ОС поступает на ДМ по оси Or/. При этом момент ДМ должен быть переменным на той же частоте, что и собственный кинетический момент и находиться с ним в фазе. В этом случае скорость прецессии, возникающая под действием момента ДМ, будет иметь постоянную составляющую, направленную в сторону уменьшения угла рассогласования маятника и корпуса. Амплитуда тока ДМ, а соответственно и амплитуда момента будут пропорциональны постоянной составляющей скорости прецессии маятника, а соответственно и угловой скорости основания. Аналогично рассматривается работа контура ОС по измерительной оси От/.
Таким образом, в контур обратной связи необходимо подавать постоянную составляющую угла отклонения подвижной части маятника относительно корпуса (см. рис. 1.16), а затем модулировать этот сигнал на частоте возбуждения и в фазе с собственным кинетическим моментом. При этом до момента модуляции имеется возможность работать с сигналом постоянного тока, т.е. с сигналом не на частоте возбуждения. Уравнения (1.38) и (1.39) в случае наличия перекрестной ОС примут вид: 1х{р.( + а) + Dxd + Сха + НА COS(U Z?)(Q7 + р) + CiOCjBcos(cozt) = О [/t, (Q, + $) + Dyj3 + Сур - НА cos(c;z?)(Qf + а) - C ccccos t) = О где Н4 = Izya(oz - амплитуда собственного кинетического момента; Се0С и Сфс - жесткости двух каналов перекрестной ОС. Установившиеся решения уравнений (1.41) в первом приближении для постоянных угловых скоростей (Q, = 0 и Q = 0) будут иметь вид: (1.42) ja=4) + A]sm(aJ + za) где А нА (сус,0С +{РУнА-с,0С1у)е 1) СуС С + СфС(DyHA - СІОСІу)а 1 + 2СХ[рУ + (Су - 1уа \)2): CyHljDlm]+{Cx-lxm CxCv0CCi0C + С0С (DxHA - Cv0CIxyz + 2Ct,(z) z2 + (Сх -1 jo])1} C-Iml Ха = arctg Dxaz HPv(CxC40C+{DJIA-C40CIx)a l) Вп С юсСрс + Qoc(DXHA - Cv0CIx)o,] + 2Cy [огха 1 + (Cx - Ixa ]) ) 5, 2CxHfL Dla] + (Cy - Iva)zf Cf cC c + Cv0C{DyHA -C?0CIy)m2z + 2CXЩо,] + (Cy -іу) Xp = arctg ґсу-іХл Dm
При этом пренебрегаем составляющими решения на двойной, тройной и более высоких кратных частотах. Для вышеописанного абстрактного случая, когда жесткость подвеса по измерительным осям равна нулю (Сх = О
Таким образом, видно, что при перекрестной ОС и нулевой жесткости подвеса колебаний маятника на частоте возбуждения не возникает, а есть лишь постоянные углы отставания маятника относительно корпуса прибора, которые являются статическими ошибками.
На практике же в силу специфики конструкции прибора жесткость подвеса всегда будет иметь некоторое конечное ненулевое значение, поэтому всегда будут присутствовать и постоянные составляющие углов отклонения и сигналов, пропорциональные угловым скоростям по тем же осям, и составляющие на частоте возбуждения, пропорциональные угловым скоростям по перекрестным осям. Перекрестная ОС будет эффективной в том случае, когда поворот маятника за вращающимся основанием будет происходить в большей степени за счет цепочек перекрестной ОС, а не за счет жесткости подвеса. Об эффективности перекрестной ОС при различных соотношениях жесткостей подвеса и перекрестной ОС, можно судить, например, по поведению углов а и J5 — наличие отрицательных постоянных составляющих углов Д и В0 (т.е. углов запаздывания маятника относительно корпуса или статических ошибок) и их доминирование над величинами переменных составляющих Ах и Вх являются признаками эффективности перекрестной ОС. И чем больше это доминирование, тем более эффективной является перекрестная ОС.
Соответственно, проанализировав величины постоянной составляющей и амплитуды переменной составляющей при различных соотношениях жесткостей можно судить о возможности применения перекрестной ОС. На четырех рисунках ниже (рис. 1.17, рис. 1.18, рис. 1.19, рис. 1.20) представлены графики постоянной составляющей Д, и амплитуды переменной составляющей на частоте возбуждения Ах решения (1.42) для утла а, а также отношения этих величин, в зависимости от жесткости ОС Сос при различных жесткостях подвеса Сс и Cv. Графики построены для случая равенства жесткостей подвеса по обеим осям (Сс -Cv) и равенства жесткостей ОС обеих каналов (Qoc = С ,с = Сос). Расчет и выбор использовавшихся для построения численных параметров прибора приведен далее в текущей главе.
Система возбуждения колебаний с поддержанием амплитуды и резонансной настройкой
Очевидно, что максимумы приходятся примерно на момент времени 0.7 10 б с, что практически соответствует постоянной времени RC -цепочек, равной TRC -RC - 0.7 10 б с. Таким образом, наиболее рациональным будет подобрать длительность импульса заряда Г/2 равную постоянной времени TRC, с целью получения максимальной чувствительности.
С другой стороны, желательно как минимум на два порядка разнести друг от друга частоту питающего напряжения датчика угла и частоту возбуждения маятника. Расчетная частота возбуждения находится в районе 1000 Гц, тогда, частота питания датчика угла должна составлять не менее 100 кГц.
На выбор частоты питания ДУ наложено еще одно ограничение, связанное с необходимостью ее синхронизации с частотой возбуждения. Эта необходимость была продиктована проблемами, возникшими при испытаниях прототипа прибора (без компенсационной ОС и аналоговой электроникой), в котором ДУ запитывался от отдельного генератора, не связанного и не синхронизированного с частотой в контуре автовозбуждения колебаний маятника. Отсутствие синхронизации неизбежно приводило к возникновению дрейфа одной частоты относительно другой - особенно сильного при прогреве прибора и электроники. Наличие паразитной емкостной связи между обмоткой ДМ системы возбуждения на маятнике и обкладками ДУ приводит к прохождению сигнала возбуждения в каналы ДУ, что при отсутствии кратности частот дает постоянную составляющую на выходе прибора. Дрейф же частот друг относительно друга приводил к переменному дрейфу выходного сигнала гироскопа по всему диапазону измерения. Очевидно, что принудительная синхронизация частот позволяет избавиться от этой проблемы. Синхронизация реализуется следующим образом: с высокочастотного управляемого напряжением генератора (ГУН) сигнал поступает в микроконтроллер (МК), где проходит через ряд делителей, понижающих частоту до частоты питания ДУ и до частоты питания системы возбуждения. Использование МК обуславливает использование дискретных коэффициентов деления частоты. Наиболее просто реализуется коэффициенты кратные 2". Таким образом, частота возбуждения и частота питания ДУ могут отличаться в 2" раз.
В результате, наиболее подходящим будет коэффициент деления 128. Тогда, частота питания ДУ будет составлять 128 кГц, а r/2 = 3.9-10 6 с. В этом случае, для получения максимальной чувствительности, сопротивление R должно быть равно R = Т/2С = 280 кОм.
Очевидно также, что разность напряжений Ud прямо пропорциональна амплитуде заряжающего импульса V0. Подставляя выражения (1.116) и (1.118) в выражение для Ud (1.117), при выбранных параметрах схемы и амплитуде импульса заряда V0 = 4 В, получим зависимость амплитудного значения Ud от угла поворота маятника, которая представлена на рис. 1.52.
Для формирования момента по оси возбуждения МzB и моментов обратной связи М?ос и M JC в приборе используются магнитоэлектрические датчики момента (см. раздел описания конструкции ДУ и ДМ ДУС текущей главы). Статорная часть датчиков момента представляет собой постоянные магниты, закрепленные в керамических пластинах, а роторная часть -напыленные на поверхность маятника токопроводящие обмотки. (Примеч.: В текущем разделе по расчету датчиков момента рассматривается нейтральное положение маятника (при нулевых углах отклонения), вследствие чего оси Ох и Оу совпадают с осями Oi, и От) соответственно, и оба варианта обозначения осей следует считать равнозначным.)
Статорная часть датчика момента по оси возбуждения состоит из 8-ми постоянных магнитов цилиндрической формы (поз. 4 на рис. 1.53 и 1.54) по высоте равных толщине керамических пластин (1 мм). Магниты размещены в сквозных отверстиях этих пластин, по четыре в каждой, друг напротив друга, образуя, таким образом, четыре пары магнитов с рабочим зазором между ними, в котором расположен маятник с обмотками. В каждой паре магниты обращены разноименными полюсами к маятнику, таким образом, в зазоре образовано прямое магнитное поле перпендикулярное плоскости маятника. У двух диаметрально расположенных пар магнитов северные полюса смотрят в одну сторону, у двух других в противоположную, таким образом, большая часть магнитного потока замыкается через верхний и нижний магнитопроводы (см. рис. 1.5 и 1.9). Также возможен вариант, когда у всех четырех пар магнитов северные полюса смотрят в одну сторону. В этом случае магнитный поток замыкается через центральный винт.
Роторная часть датчика момента по оси возбуждения представляет собой две обмотки (поз. 1 на рис. 1.53 и 1.54) на верхней и нижней сторонах маятника, соединенных друг с другом последовательно через металлизированное отверстие (поз. 13). Концы образованной единой обмотки посредством токопроводящих дорожек (поз. 10) подведены к двум контактным площадкам (поз. 7), расположенным на неподвижной части маятника, для вывода наружу и соединения с электроникой. Выбранная конфигурация обмотки обеспечивает протекание тока (прямые красные стрелки) в рабочих частях обмотки в таких направлениях, чтобы
Керамические корпуса. Проблемы, возникающие при изготовлении. Прочие детали конструкции
При реализации такой схемы один или несколько периодов тока возбуждения обмотка подключена к системе возбуждения (период возбуждения; ключи Клі включены, ключи Кл2 выключены). Затем, следующие один или несколько периодов обмотка отключается от тока возбуждения и с нее снимается сигнал наводимой ЭДС (период опроса; ключи Кл2 включены, ключи Клі выключены). При этом во время периода опроса, когда нет тока возбуждения, колебания маятника начинают затухать высокой добротности механической системы (маятника) по оси возбуждения, амплитуда в первые несколько периодов после отключения обмотки от тока возбуждения практически не изменяется. Это позволяет реализовать измерение амплитуды угловой скорости с довольно большой точностью.
Как уже было описано в разделе расчета ДУ, синхронизация частоты питания ДУ с током возбуждения в приборе реализуется за счет деления частоты высокочастотного сигнала с ГУН в микроконтроллере. Как будет показано далее в текущей главе, особенности систем возбуждения диктуют довольно жесткие требования к стабильности частоты генератора, так как она впрямую влияет на величину шумов в выходном сигнале и его стабильность. Особенно нестабильность частоты генератора на частотах от 1 до 100 Гц (от 0.01 до 1 с), так как ОС системы возбуждения их не отрабатывает. На сегодняшний день одними из самых стабильных генераторов являются генераторы на основе пьезоэлектрических резонаторов [103 С.317]. В большинстве случаев - это кварцевые резонаторы, обладающие очень высокой добротностью, вследствие чего генераторы на их основе обладают высокой стабильностью частоты. С другой стороны их высокая добротность определяет довольно небольшой диапазон перестройки в случае построения управляемого напряжением кварцевого генератора - до ±100 ррт от номинальной частоты. При собственной частоте маятника ДУС по оси возбуждения в 1000 Гц это составляет всего лишь +0.1 Гц. Экспериментальным путем было установлено, что резонансная частота маятника (в составе собранного прибора), при изменении температуры, изменяется в гораздо больших пределах - с температурным коэффициентом изменения порядка 0.05 Аг- Таким образом, кварцевый резонатор неприемлем для использования в составе ГУН.
Выходом из этой ситуации является использование пьезоэлектрического резонатора из лантан галлиевого силиката (лангасита) [104], обладающего несколько меньшей добротностью по сравнению с кварцем. При этом использование лангаситового резонатора в ГУН позволяет существенно расширить диапазон его перестройки при сохранении удовлетворительной стабильности частоты. Другим важным достоинством резонатора из лангасита является возможность точной настройки его частоты при изготовлении. Имея ассортимент лангаситов с определенным набором номинальных частот можно полностью перекрыть изменения собственных частот маятников от партии к партии.
В результате, с учетом вышесказанного, были выбраны резонаторы с номинальными частотами в районе 10МГц. При этом используются дополнительные схемы для деления частоты с ГУН до поступления сигнала в МК. В качестве схемы генератора была выбрана одна из стандартных схем генератора Колпица [103 С.318] дополненная индуктивностью Ln для небольшой регулировки диапазона (см. рис. 3.7). Для осуществления управления частотой настройки генератора используются варакторы CD, и CD2.
Принципиальная схема ГУН с пьезоэлектрическим резонатором, построенного на основе схемы генератора Колпица (в скобках приведены ориентировочные значения частот): Vynp - напряжение управления частотой генератора; VBbIX - выходное напряжение генератора на частоте freH, зависящей от Vynp; LGS - пьезоэлектрический резонатор из лангасита; Дел.Ч. - делитель частоты
К объяснению принципа работы системы возбуждения колебаний с дорезонансной настройкой: 1 - первоначальная АЧХ угловой скорости маятника по оси возбуждения; 2 - АЧХ угловой скорости маятника, измененная вследствие воздействия каких-либо факторов (например, изменение геометрических размеров упругих перемычек, коэффициентов воздушного демпфирования и демпфирования в материале при изменении температуры окружающей среды) В такой системе обмотка возбуждения (см. рис. 3.8), как было описано выше (см. рис. 3.5), попеременно подключается то системе возбуждения, то к системе съема информации (ключи Кл1 выключены, ключи Кл2 включены). Формирование переменного тока возбуждения осуществляется при помощи двух пар ключей КлЗ и Кл4 подключенных в мостовую схему запитываемую постоянным напряжением UB. Ключи управляются сигналами с МК на частоте возбуждения fB, которая получается посредством деления частоты с ГУН на 128 (подробнее о выборе коэффициента 128 см. радел расчета ДУ в главе 1). Ключи КлЗ и Кл4 попеременно замыкаются и размыкаются с частотой возбуждения (КлЗ включены, Кл 4 выключены, либо КлЗ выключены, Кл 4 включены). При этом по обмотке ДМ потечет переменный ток на частоте возбуждения. Ключи Кл1 и Кл2 также управляются сигналами с МК, синхронизированными с сигналом возбуждения. Частота переключения ключей Кл1 и Кл2 формируется посредством деления частоты возбуждения (для случая рис. 3.8 частота делится в 2 раза, что соответствует схеме рис. 3.6). ДУ гироскопа запитываются частотой с ГУН до ее деления в МК, что обеспечивает синхронизацию частоты возбуждения и частоты питания ДУ.
При настройке прибора частота ГУН подбирается таким образом, чтобы частота возбуждения fB была чуть меньше резонансной (/, на рис. 3.9), чтобы амплитуда колебаний угловой скорости маятника составляла примерно 0.7 от амплитуды в резонансе. В случае изменения первоначальной АЧХ вследствие воздействия каких-либо факторов (например, изменение геометрических размеров упругих перемычек, коэффициентов воздушного демпфирования и демпфирования в материале при изменении температуры окружающей среды) (поз. 2 на рис. 3.9) амплитуда угловой скорости соответствующая частоте /, будет отличной от заданной. Во время периода опроса информация об ее изменении с обмотки ДМ через дифференциальный усилитель КУс2 поступит на вход МК. В МК сигнал соответствующий напряжению U, пропорциональному измеренной амплитуде уй, сравнивается с опорным Uref, соответствующем заданной
