устройство для контроля датчиков угловой скорости

Формула изобретения

1. Устройство для контроля датчиков угловых скоростей, содержащее корпус, траверсу, закрепленную в корпусе с возможностью вращения, расположенный на траверсе измерительный датчик угловой скорости, ось чувствительности которого совмещена с осью вращения траверсы, а по его выходной оси расположены датчики угла и момента, соединенные через усилитель обратной связи, электродвигатель постоянного тока, источник калиброванного напряжения, отличающееся тем, что в него введены платформа, закрепленная на оси вращения траверсы и предназначенная для размещения на ней контролируемого датчика угловой скорости с гидромотором, усилитель системы стабилизации с сумматором, входящим в его состав, фотоэлектрический муаровый датчик угла, фазовый интерполятор, блок преобразования информации фотоэлектрического датчика угла, соединенные последовательно, и блок преобразования информации контролируемого датчика угловой скорости (ДУС), выполненный в двух вариантах: для контроля ДУС без электрической обратной связи в виде аналого-цифрового преобразователя, а для контроля ДУС с электрической обратной связью в виде усилителя обратной связи контролируемого ДУС и частотно-импульсного модулятора, содержащего блок опорных напряжений, блок синхрочастот и блок преобразования информации, введены также согласующее устройство цепи управления электродвигателем постоянного тока, вычислитель технических характеристик контролируемого ДУС, согласующее устройство ввода информации в вычислитель, электродвигатель постоянного тока при этом выполнен бесконтактным, а фотоэлектрический датчик расположен на измерительной оси устройства, причем первый вход сумматора соединен с выходом согласующего устройства цепи управления электродвигателем, вход которого соединен с выходом усилителя обратной связи измерительного датчика угловой скорости, второй вход сумматора соединен с выходом источника калиброванного напряжения, первый, второй и третий выходы усилителя стабилизации соединены с первым, вторым и третьим входами электродвигателя постоянного тока, первый и второй выходы которого соединены с вторым и третьим входами усилителя стабилизации, а первый вход усилителя стабилизации соединен с выходом сумматора, вход аналого-цифрового преобразователя предназначен для соединения с выходом датчика угла контролируемого ДУС, при этом первый вход согласующего устройства ввода информации в вычислитель соединен с выходом блока преобразования информации фотоэлектрического датчика угла, а второй вход того же согласующего устройства предназначен для соединения с выходом аналого-цифрового преобразователя или с выходом частотно-импульсного модулятора блока преобразования информации контролируемого ДУС, а выход согласующего устройства соединен с входом вычислителя, при этом первый вход блока преобразования информации контролируемого датчика угловой скорости предназначен для соединения с выходом усилителя обратной связи, через который соединены датчики угла и момента контролируемого датчика угловой скорости, второй и третий входы соединены с выходами блока опорных напряжений и блока синхрочастот соответственно.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что платформа выполнена в виде двух частей цилиндрической формы с кольцевыми расточками, в которых установлено вновь введенное резиновое кольцо, а осевая жесткость двух частей платформы с резиновым кольцом между ними выбрана из соотношения



где n число оборотов в минуту ротора гидроматора контролируемого ДУС;

m масса платформы.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что согласующее устройство в цепи управления электродвигателем постоянного тока выполнено в виде резистора, величина сопротивления которого R_су выбрана из соотношения



где К_дм1, H₁ крутизна характеристики датчика момента измерительного датчика угловой скорости и кинетический момент этого ДУС;

W_ст коэффициент передачи выходной цепи усилителя системы стабилизации;

[M], []- допустимые нестабильности момента сопротивления по оси вращения траверсы стенда и задаваемой угловой скорости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам контроля датчиков угловых скоростей (ДУС).

Известен стенд для контроля датчиков угловых скоростей, который содержит основание, имеющее возможность вращаться вокруг оси стенда, предназначенное для закрепления на нем датчика угловой скорости, подлежащего контролю, имеющего датчик угла, датчик момента, соединенные через усилитель обратной связи, электродвигатель привода стенда, коллектор для подвода питания к контролируемому датчику угловой скорости, информационный датчик угла, выполненный в виде нуля-контакта, закрепленного на оси вращения стенда, и измерительную систему.

Известный стенд имеет следующие недостатки:

недостаточная точность контроля масштабного коэффициента прецизионных ДУС вследствие погрешности и нестабильности задания стендом постоянной по величине и направлению угловой скорости;

низкая чувствительность стенда, т.е. невозможность точного задания малых угловых скоростей (0,01-0,1) ^o/c при аттестации прецизионных ДУС по масштабному коэффициенту;

возможность измерения масштабного коэффициента только при задании целого числа оборотов основания, т. е. по отношению к среднему значению угловой скорости; при измерении масштабного коэффициента ДУС на части оборота основания нестабильность задаваемой угловой скорости вносит большие погрешности в результаты измерения, а необходимость задания целого числа оборотов существенно удлиняет время контроля, особенно на малых скоростях;

невозможность задания от стенда гармонических колебаний вокруг оси чувствительности ДУС для контроля АЧХ, ФЧХ.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей стенда при обеспечении высокой точности задания угловых скоростей.

Поставленная цель достигается посредством того, что в устройство для контроля датчиков угловых скоростей, содержащее корпус, траверсу, закрепленную в корпусе с возможностью вращения, расположенный на траверсе измерительный датчик угловой скорости, ось чувствительности которого совмещена с осью вращения траверсы, а по его выходной оси расположены датчики угла и момента, соединенные через усилитель обратной связи, электродвигатель постоянного тока, источник калиброванного напряжения, введены платформа, закрепленная на оси вращения траверсы и предназначенная для размещения на ней контролируемого датчика угловой скорости с гиромотором, усилитель системы стабилизации с сумматором, входящим в его состав, фотоэлектрический муаровый датчик угла, интерполятор фазовый, блок преобразования информации фотоэлектрического датчика угла, соединенные последовательно, и блок преобразования информации контролируемого датчика угловой скорости (ДУС), выполненный в двух вариантах: для контроля ДУС без электрической обратной связи в виде аналого-цифрового преобразователя,для контроля ДУС с электрической обратной связью в виде усилителя обратной связи контролируемого ДУС и частотно-импульсного модулятора, содержащего блок опорных напряжений, блок синхрочастот и блок преобразования информации, введены также согласующее устройство цепи управления электродвигателем постоянного тока, вычислитель технических характеристик контролируемого ДУС, согласующее устройство ввода информации в вычислитель, электродвигатель постоянного тока при этом выполнен бесконтактным, фотоэлектрический муаровый датчик расположен на измерительной оси устройства, причем первый вход сумматора соединен с выходом согласующего устройства цепи управления электродвигателем, вход которого соединен с выходом усилителя обратной связи измерительного датчика угловой скорости, второй вход сумматора соединен с выходом источника калиброванного напряжения, первый, второй и третий выходы усилителя стабилизации соединены с первым, вторым и третьим входами электродвигателя постоянного тока, первый и второй выходы которого соединены со вторым и третьим входами усилителя стабилизации, а первый вход усилителя стабилизации соединен с выходом сумматора, вход аналого-цифрового преобразователя предназначен для соединения с выходом датчика угла контролируемого датчика угловой скорости, при этом первый вход согласующего устройства ввода информации в ЭВМ соединен с выходом блока преобразования информации фотоэлектрического датчика угла, а второй вход того же согласующего устройства предназначен для соединения с выходом аналого-цифрового преобразователя или с выходом частотно-импульсного модулятора блока преобразования информации контролируемого ДУС, а выход согласующего устройства соединен с входом вычислителя, при этом первый вход блока преобразования информации контролируемого датчика угла предназначен для соединения с выходом усилителя обратной связи, через который соединены датчики угла и момента контролируемого датчика угловой скорости, второй и третий входы соединены с выходами блока опорных напряжений и блока и синхрочастот соответственно. Платформа выполнена в виде двух частей цилиндрической формы с кольцевыми расточками, в которых установлено вновь введенное резиновое кольцо, а осевая жесткость двух частей платформы с резиновым кольцом между ними выбрана из соотношения



где n число оборотов в минуту ротора гиромотора контролируемого ДУС;

m масса платформы.

Согласующее устройство в цепи управления электродвигателем постоянного тока выполнено в виде резистора, величина сопротивления R_cу которого выбрана из соотношения



где К_дм1, H₁ крутизна характеристики датчика момента измерительного датчика угловой скорости и кинетический момента этого ДУС (гсм/мА, гсмс);

W_ст коэффициент передачи выходной цепи усилителя системы стабилизации (гсм/мВ);

[M], []- допустимая нестабильность момента сопротивления по оси вращения траверсы стенда и задаваемой угловой скорости (гсм, I/c).

Совокупность существенных признаков, характеризующих заявляемое техническое решение, позволяет достигнуть технический результат, заключающийся в следующем:

чувствительность предлагаемого устройства, т.е. минимальная угловая скорость, которую можно задать при проверке масштабного коэффициента контролируемого ДУС, определяется не моментами трения на оси вращения стенда и коэффициентом трения в редукции, как это имеет место в прототипе, а моментами сопротивления на оси прецессии контролируемого ДУС, т.е. величиной на несколько порядков меньшей, чем в прототипе.

повышение точности и стабильности задаваемой угловой скорости обеспечивается за счет наличия в предлагаемом техническом решении:

двухконтурной системы управления, что позволяет за счет одного контура (система обратной связи измерительного ДУС) обеспечить устойчивость системы, повысив при этом во втором контуре (из условий достижения необходимой точности и стабильности задаваемой угловой скорости) коэффициент усиления усилителя стабилизации, управляющего бесконтактным двигателем постоянного тока;

использование фотоэлектрического муаровогодатчика угла в качестве информационного датчика устройства обеспечивает высокоточное измерение задаваемой угловой скорости, что определяет точностные характеристики стенда;

возможность контроля АХЧ и ФХЧ на устройстве, т.е. расширение функциональных возможностей, обеспечивается безредукторным исполнением привода.

Предлагаемое устройство позволяет производить измерение масштабного коэффициента ДУС при повороте оси стенда на любой угол (значительно меньший оборота), что сокращает время испытаний, без снижения точности контроля, как это имело место в прототипе. Это обеспечивается за счет соединения выхода усилителя обратной связи измерительного ДУС с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с источником калиброванного напряжения, выход которого связан с усилителем стабилизации и далее с двигателем.

Предложенное техническое решение позволяет стыковать устройство для контроля датчиков угловых скоростей с вычислителем.

В предложенном устройстве введение платформы позволяет контролировать все типы ДУСов, а не только прецизионные.

Приняты меры по исключению снижения точности заявляемого устройства по сравнению с прототипом. Введение в заявляемое устройство платформы, на которую устанавливают испытуемый ДУС, специальной конструкции с внутренним механическим фильтром вибровозмущений, генерируемых объектом испытаний, позволяет исключить влияние вибраций объекта испытаний на точность устройства, а именно исключить помеху на входе усилителя обратной связи чувствительного элемента устройства. При этом возможна достаточно простая настройка фильтрующих свойств платформы в зависимости от заранее известного параметра объекта контроля.

Введение согласующего устройства между выходом усилителя обратной связи чувствительного элемента и первым входом сумматора позволяет за счет выбора параметра согласующего устройства обеспечить высокую стабильность задаваемой угловой скорости при нестабильности момента трения по оси предлагаемого устройства.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 структурная схема усилителя системы стабилизации и бесконтактного двигателя постоянного тока; на фиг. 3 конструктивная схема выполнения платформы; на фиг. 4 структурная схема предлагаемого устройства как системы автоматического управления.

Предлагаемое устройство содержат чувствительный элемент (прецизионный ДУС) 1, в состав которого входят поплавковый гироузел 2, датчик момента 3, датчик угла 4. ДУС 1 установлен в специальной расточке траверсы 5, которая имеет ось вращения, являющуюся выходной осью предлагаемого устройства. На оси траверсы 5 закреплен подвижный лимб фотоэлектрического муарового датчика угла 6, неподвижный лимб жестко связан с корпусом предлагаемого устройства. Ось траверсы 5 проходит через фотоэлектрический датчик угла 6, на ее свободном конце закреплена платформа 7. На оси траверсы 5 (со стороны, противоположной фотоэлектрическому датчику угла 6) закреплена подвижная часть двигателя постоянного тока 8, выполненного по схеме "датчик положения двигатель бесконтактный" (ДП-ДБ). Неподвижные части ДП-ДБ соединены в одном корпусе, жестко закрепленном на корпусе предлагаемого устройства.

Датчик положения ДП представляет собой синусно-косинусный вращающий трансформатор ( фиг. 2) с безобмоточным ротором (обмотка С1-С2 обмотка возбуждения, С3-С4, С5-С6 синусная и косинусная обмотки). Вторая часть двигателя, собственно бесконтактный двигатель ДБ имеет двухобмоточный статор (обмотки С1-С2, С3-С4) и восьмиполюсный ротор. Выход датчика угла 4 ДУС 1 соединен со входом усилителя обратной связи 9, первый выход которого соединен с датчиком момента 3 ДУС. Это соединение и есть первый контур системы управления стендом. Второй выход усилителя обратной связи 9 соединен с входом согласующего устройства 10, выход которого соединен с первым входом сумматора 11.

Сумматор 11 входит в усилитель системы стабилизации 12. Второй вход сумматора 11 соединен с источником калиброванных (задаваемых) напряжений ИКН 13. Сумматор 11 выполнен на базе операционного усилителя. Выход сумматора 11 подключен к бесконтактному двигателю постоянного тока (подробная схема подключения рассматривается ниже). Эта цепь является вторым контуром управления двигателем 8.

Для обработки информации фотоэлектрического муарового датчика угла имеются: интерполятор фазовый 14, питаемый кварцевым генератором 15; выход интерполятора фазового 14 связан с входом блока преобразования информации БПИ-16.

В зависимости от конструктивного исполнения испытуемого ДУС для обработки его выходной информации в предлагаемом устройстве содержатся два варианта блоков:

Вариант 1. Для испытаний ДУС без электрической обратной связи предлагаемое устройство содержит аналого-цифровой преобразователь АЦП 17 (12-разрядный, например 572 ПВ-1 или с большим числом разрядов).

Вариант 2. Для испытаний ДУС с электрической обратной связью и обработки их выходной информации в предлагаемое устройство введены: усилитель обратной связи 9"; блоки, реализующие частотно-импульсные модуляторы в цепи обратной связи: блок преобразования информации БПИ 2 17", блок опорных напряжений БОН 18", блок синхрочастот БСЧ 19".

Согласующее устройство 18 предназначено для обработки информации АЦП 17, либо частотно-импульсного модулятора 17"-18", 19", входы согласующего устройства 18 связаны с этими блоками, а выход связан с вычислителем 19. Согласующее устройство 18 имеет три входа. Первый вход соединен с выходом БПИ-1-16 и предназначен для приема 16- разрядного параллельного кода фотоэлектрического датчика угла. Второй вход согласующего устройства 18 связан с выходом АЦП-17 и предназначен для приема параллельного кода с выхода АЦП с "привязкой" его по времени к информации с БПИ-1 16. Третий вход согласующего устройства 18 предназначен для приема унитарного кода с выхода частотно-импульсного модулятора БПИ-2 17". Выход согласующего устройства 18, связанный с вычислителем 19, обеспечивает их взаимодействие по системному каналу.

Вся механическая часть предлагаемого устройства, связанная с траверсой 5, смонтирована в корпусе 20 и образует блок механики стенда (БМ). Испытуемый прибор 21 не входит в состав предлагаемого устройства для контроля датчиков угловых скоростей. Все электронные блоки: 9, 10, 11, 18 смонтированы в едином электронном блоке (БЭ).

На фиг. 2 представлена структура усилителя системы стабилизации 12 и его связи с двигателем 8. Усилитель содержит преобразователь 22 и два идентичных усилителя мощности 23, 24. Преобразователь 22 представляет собой устройство для модуляции и усиления постоянного сигнала, выполненное на базе операционного усилителя с применением в качестве ключевых элементов полевых транзисторов. Каждый из усилителей 23, 24 представляет собой соединение устройств для детектирования, коррекции и усиления сигналов, т.е. состоит из модулятора, корректирующего устройства и усилителя мощности, реализованных на операционных усилителях с отрицательной обратной связью. Усилитель системы стабилизации 12 и двигатель 8 соединены следующим образом. Вход преобразователя 22 соединен с выходом сумматора 11 и является первым входом усилителя стабилизации 12.

Выходы усилителя стабилизации 12: первый выход это выход преобразователя 22, который связан с обмоткой возбуждения С1-С2 ДП двигателя 8 (первым входом двигателя 8); второй выход это выход усилителя мощности 23, который соединен с синусной обмоткой С1-С2 ДБ двигателя 8 (вторым входом двигателя 8); третий выход это выход усилителя мощности 24, который соединен с косинусной обмоткой ДБ двигателя 8 (третьим входом двигателя).

Второй вход усилителя стабилизации 12 есть вход УМ1 23. Этот второй вход усилителя стабилизации 12 соединен с 1-ым выходом двигателя 8, а именно с синусной обмоткой С3-С4 ДП двигателя 8.

Третий вход УСТ 12 это вход УМ2 24. Этот третий вход УСТ 12 соединен со вторым выходом двигателя 8, а именно с косинусной обмоткой С5-С6 ДП двигателя 8.

Питание всех электронных блоков осуществляется от блока питания 25 (фиг. 1).

На фиг. 3 представлена конструкция платформы 7.

Платформа 7 состоит из двух частей (26 и 27), между которыми установлена прокладка 28 из металлической сетчаткой резины (металлического сетчатого амортизатора или резины типа ИРП-275). Металлические сетчатые амортизаторы представляют собой подушку, опрессованную из проволоки (нержавеющей стали) с мелкими плетением, имеют высокие упругие и демпфирующие свойства. Материал ИРП-275 также имеет хорошие виброгасящие свойства. Обе части платформы стягиваются винтами 29, чем выставляется жесткость собранной платформы в осевом направлении. Жесткость должна выставляться перед началом испытаний приборов в зависимости от параметров испытуемого прибора угловой скорости вращения его ротора. Платформа 7 крепится к траверсе 5 винтом 30.

Испытуемый прибор 21 крепится к платформе 7 так, чтобы его вектор кинетического момента был выправлен в сторону, противоположную вектору кинетического момента чувствительного элемента 1. Это обеспечивается установкой на платформе направляющего штифта, который входит в юстировочную планку испытуемого прибора (ДУС). Ось юстировочной планки любого испытуемого ДУС совпадает с вектором кинетического момента.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Режим контроля масштабного коэффициента ДУС. От задатчика эталонного напряжения 13 на второй вход сумматора 11 подают напряжение U_зад, пропорциональное угловой скорости w_o, которую необходимо задать. Поскольку на первый вход сумматора напряжение еще не поступало, то это же напряжение U_c с выхода сумматора поступает на вход преобразователя 22, который вырабатывает модулированное напряжение, подаваемое на вход двигателя 8, а именно на обмотку С1-С2 ДП.

При появлении напряжения на обмотке С1-С2 в выходных обмотках С3-С4 и С5-С6 индуцируются напряжения:

u_дп1=u_maxsin и u_дп2=u_maxcos; =n,

относительный угол разворота ротора ДП относительно статора;

n число пар полюсов.

Эти напряжения усиливаются и корректируются усилителями 23, 24, после чего поступают на обмотки С1-С2 и С3-С4 ДБ.

Суммарный момент, действующий на ротор двигателя 8, равен сумме моментов, развиваемых обеими обмотками ДБ:



где К коэффициент крутизны характеристики ДБ,

_max, I максимальное значение магнитного потока и средняя величина тока I в ДБ 8.

Двигатель 8 развивает момент, начинается вращение оси 5 с угловой скоростью .

Угловая скорости w действует вокруг оси чувствительности ДУС 1, гироузел 2 прецессирует вокруг своей оси подвеса; по цепи обратной связи, образованной ДУ 4, усилителем 9 и датчиком момента 3, течет ток i, пропорциональный угловой скорости w, на выходе усилителя обратной связи 9 создается напряжение U₁, которое поступает на первый вход сумматора.

Это напряжение записывается:



где Н кинетический момент;

K_дм1 крутизна характеристики датчика момента 3;

R омическое сопротивление выходной цепи УОС 9.

В сумматоре 11 происходит сравнение напряжений U_зад и U₁, разностное напряжение поступает на вход преобразователя 22, двигатель 8 изменяет скорость так, чтобы разностное напряжение сводилось к нулю.

В установившемся режиме

u₁=u_зад и =_o,

т.е. выходной оси 5 стенда задается желаемая угловая скорость.

Фотоэлектрический датчик угла 6 с интерполятором фазовым 14 и блоком преобразования информации БПИ-1 16 преобразуют угловую скорость в число импульсов N, пропорциональное углу разворота траверсы 5 за время измерения Т, и эта информация, преобразованная в соответствующий код согласующим устройством 18,поступает в вычислитель 19.

При контроле ДУС 21 разомкнутого типа выходное напряжение испытуемого ДУС 21 преобразуется АЦП 17 в дискретную форму согласующим устройством в соответствующий код, вычислитель 19 выдает значения масштабного коэффициента K как отношение числа импульсов с выхода ДУС 21 N_вых к числу импульсов N с выхода фотоэлектрического датчика угла 6.

При контроле ДУС 21 компенсационного типа ток обратной связи усилителя 9 преобразуется частотно-импульсным модулятором (17"-18", 19") в унитарный код, согласующим устройством в параллельный код, ЭВМ вычисляет масштабный коэффициент ДУС тем же способом.

Режим контроля АЧХ и ФЧХ ДУС 21 В этом режиме работа предлагаемого устройства аналогична описанной выше, но на второй вход сумматора 1 вместо постоянного напряжения подается синусоидальное напряжение фиксированных частот в диапазоне 1-20 Гц. Траверса 5 совеpшает синусоидальные колебания. Преобразование информации с выходов блоков 6 и 21 происходит таким же образом, как и в предыдущем случае. АЧХ определяют по отношению амплитуды угловых колебаний с выходов блоков 6 и 21, ФЧХ по отношению временного интервала между максимумами N и N_вых и периодом заданных синусоидальных колебаний.

С целью обеспечения точности контроля выполнена настройка осевой жесткости "С" платформы 7 в соответствии с соотношением:



где n число оборотов гиромотора ДУС 21, которое всегда точно известно до начала испытаний;

m масса платформы 7, записанная в паспорте предлагаемого устройства.

Это означает, что собственная частота платформы равна



(Известна формула, связывающая число оборотов, двигатель и круговую частоту

Следовательно,

где - круговая частота вращения ротора гиромотора ДУС 21.

В соответствии с правилами виброизоляции, для того, чтобы эффективно изолировать тело от источника вибраций, амортизатор должен иметь собственную частоту в 3-5 раз ниже, чем нижняя граница спектра возбуждаемых частот.

Работающий гиромотор испытуемого ДУС 21 возбуждает спектр частот, основная (несущая) частота которого равна круговой частоте вращения ротора гиромотора. Все остальные частоты кратны этой частоте.

При таком выборе жесткости платформы 7, выполненной в виде неоднородной конструкции с внутренним амортизатором, вибрации гиромотора испытуемого ДУС 21 не проходят к чувствительному элементу 1, вследствие чего переменная составляющая на входе его усилителя обратной связи 9 не увеличивается под влиянием работающего ДУС 21, что делает работу двухгироскопной системы (ДУС 1 в предлагаемом устройстве + ДУС 21) совместимой.

Установка ДУС 21 требует увеличения числа токоведущих колец в коллекторе предлагаемого устройства по сравнению с прототипом.

Это увеличивает трение по оси вращения предлагаемого устройства, что существенно снижает стабильность задаваемой угловой скорости по сравнению с прототипом.

Чтобы компенсировать это снижение точности от нестабильности момента трения за счет увеличенного количества токоведущих колец коллектора, необходимо ввести между выходом усилителя обратной связи ДУС 1 и входом сумматора 11 согласующее устройство 10 (активное сопротивление) и выбрать величину этого сопротивления R_су, исходя из параметров чувствительного элемента 1, усилителя стабилизации 10, допустимой нестабильности момента трения [M] и допустимой нестабильности задаваемой угловой скорости [].

;

где K_дm1, H₁ крутизна характеристики датчика момента и кинетический момент гироскопа чувствительного элемента 1, гсм/мА и гсмс; W_ст передаточный коэффициент выходной цепи усилителя системы стабилизации 10, гсм/мВ.