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.

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 M_y скорости в следующем виде.

На Фиг. 1 обозначено:

W(s) - передаточная функция усилителя каждого канала,

K_ду - крутизна датчика угла,

ω_x и ω_y - угловые скорости корпуса вокруг осей x и y,

и - углы отклонении корпуса вокруг осей x и y,

α_n, β_n - углы нутационных бросков ротора вокруг осей x и y,

α_ос, β_ос - углы прецессионного движения ротора вокруг осей x и y,

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

M_x и M_y - моменты, развиваемые датчиками моментов вокруг осей x и y, и вызываемые соответственно токами J_x и J_y.

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

Прямой канал обеспечивает измерение угловой скорости корпуса ω_x вокруг оси x. Величина выходного сигнала J_y, 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 ω_x 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 K_ку.

Углы поворота ротора гироскопа относительно корпуса равны

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

Причиной возникновения сигнала в перекрестном канале является нутационный бросок ротора гироскопа по перекрестной оси, возникающий при входной угловой скорости ω_x 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, Ф_с=0, откуда следует, что выходной сигнал по перекрестной оси

J_x~M_x=M_y⋅Ф_с(s)⋅Ф(s)=0,

т.е. перекрестная связь между каналами отсутствует.

Таким образом, для компенсации перекрестной ошибки по этому способу, необходимо выходной сигнал J_y~M_y по прямой цепи умножить на крутизну датчика угла K_ду, 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.