Результаты экспериментальных исследований датчика углов со сферическим шарикоподшипниковым подвесом

УДК 531.383-11

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДАТЧИКА УГЛОВ СО СФЕРИЧЕСКИМ ШАРИКОПОДШИПНИКОВЫМ ПОДВЕСОМ

Р.В.Алалуев, Д.М.Малютин, В.Я. Распопов, С.В. Телухин, С.И. Шепилов, А.В. Ладонкин

Показано, что эксплуатационные характеристики работы гироплатформы с серийным гироскопическим датчиком углов могут быть улучшены за счет модернизации их конструкции, идея которой заключается в реализации независимых друг от друга электромагнитных цепей датчиков углов и моментов и увеличения скорости управления за счет установки дополнительных катушек управления.

Ключевые слова: трехстепенной гироскоп, шарикоподшипниковый подвес, гироскопический датчик угла.

Установлено, что возможно построение измерителей угловых перемещений (ИУП) продольной оси летательных аппаратов (ЛА), в том числе вращающихся по крену, на базе трехстепенныхнекорректриуемых гироскопов с ШПП. В этих конструкциях ШПП обеспечивают необходимые углы прокачки, а ротор после разгона вращается по инерции (на выбеге). Корректируемые ГДУ с ШПП работают в контуре стабилизации и управления гироплатформс установленной на них полезной нагрузкой. В этом случае не требуется больших углов прокачки ШПП, в режиме управления ротор должен иметь постоянную частоту вращения и должны быть обеспечены необходимые скорости прецессии гироскопа [1,2].

При исследовании функционирования гироскопа Д-7 в составе гироплатформы выявлены особенности его функционирования, требующие модернизации конструкции гироскопа [2].

При подаче цифрового управляющего сигнала на датчики момента гироскопа за счет того, что магнитопровод конструктивно выполнен единым как для датчика угла, так и для датчиков момента, возникаетсигнал на выходе датчиков угла. Это хорошо видно в режиме арретирования гироскопа, когда на датчики момента постоянно подается управляющий сигнал (рис.1). При удержании ротора гироскопа относительно нулевого положения за счет подачи управляющего сигнала обратной связи на датчики момента различной полярности в выходном сигнале датчика угла возникает помеха.

Значение коэффициента взаимовлияния K цепей датчика момента гироскопа на цепь датчика угла может быть определено экспериментально путем подачи синусоидального управляющего сигнала высокой частоты на

43

датчик момента гироскопа, расположенного неподвижно на лабораторном столе при нераскрученном роторе и фиксации выходного сигнала с датчика угла гироскопа (рис.2).

ипг 1 ипг2. ед. ц. кода

с

Рис.1. Выходной сигнал с датчиков угла гироскопа Д-7 в режимеарретирования

Рис.2. Графики управляющего и выходного сигналов: 1- управляющий сигнал; 2- сигнал с датчика угла гироскопа Д-7

Результаты эксперимента для различных частот управляющего сигнала приведены в табл.1 (иВу - сигнал навыходе датчика угла гироскопа; ипм - сигнал на входе датчика момента гироскопа).

44

Таблица 1

Зависимость выходного сигнала датчика угла от управляющего сигнала, поданного на датчик момента гироскопа

ЛГц) иоу

100 2,3 502 20000 19,4 720

200 3,2 573 25000 21,6 720

300 3,69 607 30000 23,4 720

500 4,51 661 35000 26,2 720

700 4,67 676 40000 30,7 720

1000 5,37 695 50000 40,7 720

1500 5,93 708 60000 50,4 720

2000 6,5 712 70000 80 720

2500 7 712 80000 123 710

3000 7,6 705 90000 158 720

3500 8,08 707 100000 123 720

4000 8,76 716 110000 92 729

4500 9,2 707 120000 73 729

5000 9,9 716 130000 61 730

6000 10,7 709 140000 54 730

7000 11,5 710 150000 49 730

8000 12,5 719 200000 36 730

9000 13,2 720 300000 28 720

10000 14 718 400000 29 730

12000 15,1 712 500000 26 730

14000 16,2 703 600000 26 730

15000 17 720

На основании полученных экспериментальных данных составлен график зависимости величины коэффициента взаимовлияния от частоты (рис.3), расчитанный по зависимости К = (ит (^)/иом (^)) • 100%.

Уменьшение взаимовлияния цепей датчиков момента на цепи датчиков угла может быть обеспечено за счет разнесения в пространстве платы датчиков угла и платы датчиков моментов за счет реализации индивидуального магнитопровода как для датчиков момента, так и для датчиков угла (рис.4), а также алгоритмически путем исключения ряда дискрет выходного сигнала датчика угла в момент подачи управляющего сигнала.

Для решения перспективных задач применения гироскопа скорость управления датчика должна быть повышена до 120...150°/с по каждой из моделируемых осей, в то время как в приборе Д-7 обеспечена скорость управления 900/с .Увеличение скорости управления может быть обеспечено за счет установки четырех дополнительных катушек управления (рис.4).

Конструкция модернизированногогироприбора Д-7 приведена на рис. 4. Плата 1 представляет собой узел, состоящий из платы 2, на которую установлены катушки датчиков угла (8 шт.).

Рис.3. График зависимости коэффициента взаимовлияния

Плата 2, в свою очередь, тоже представляет собой узел, состоящий из фланца 7, на котором под углом 45 градусов к осям координат размещены сердечники 4 датчиков угла (их положение и число не изменялось). Также на фланце 7 размещена колодка 12, через которую выводятся проводники.

а

б

Рис. 4. Модернизированная конструкция гироприбора. а - общий вид; б - расположение датчиков момента

46

Модернизация конструкции гироприбора заключалась в том, что датчики момента были перенесены на провоположную относительно датчиков угла сторону ротора и их число было увеличено. Поэтому для образования магнитной цепи датчиков момента на роторе 3 гироскопа было установлено второе ферритовое кольцо. Ротор 3 гироприбора представляет собой сборочную единицу, состоящую из ротора 13, на котором с двух сторон установлены ферритовые кольца и балансировочное кольцо 14. Датчики момента (они находятся на противоположной, относительно датчиков угла, стороне ротора) образованы на плате 7, представляющей собой единыймагнитопровод 15, на котором с шагом 45 градусов расположены 8 катушек датчиков момента. Начала и концы этих катушек подпаиваются к ламелям на колодке 6, также находящейся на магнитопроводе. Плата 5 посредством винтов закреплена на стакане 8, который, в свою очередь, закреплен на плате 1. Требуемый зазор между выступами магнитопровода и ферритом, установленным в роторе 3, обеспечивается подбором прокладок 9. От ламелей платы 5 проводники идут по каналам на стакане 8 и, проходя в отверстиях платы 1, подсоединяются к крышке 4. Герметичность прибора и защита проводников и контактов от механическихповреждений обеспечиваются соответственно модернизированными кожухом 10 и экраном 11.

Модернизированный гироскоп изготовлен ОАО «Мичуринский завод «Прогресс». Внешний вид гироскопа представлен на рис.5. Значение коэффициента взаимовлияния К цепей датчика момента гироскопа на цепь датчика угла определено по методике, изложенной выше. Зависимость выходного сигнала датчика угла от управляющего сигнала, поданного на датчик момента модернизированного гироскопа, представленав табл.2.

Рис. 5. Внешний вид модернизированного гироскопа Д-7

47

Таблица 2

Зависимость выходного сигнала датчика угла от управляющего сигнала, поданного на датчик момента модернизированного гироскопа Д-7

F, Гц иву , мВ ивм , мВ F, Гц иву , мВ и вм, мВ

100 0 680 20000 4,3 800

200 0 880 25000 7 1040

300 0 920 30000 15 1040

400 0 960 35000 20 1040

500 0 1000 40000 24 1040

700 0 1000 50000 54 1040

1000 0 1020 60000 98 1040

1500 0 1040 70000 212 1040

2000 0 1000 80000 400 1040

3000 0 1000 90000 288 1040

3500 0 1020 100000 200 1040

4000 0 1020 110000 160 1040

4500 0 1020 120000 144 1040

5000 0 1020 130000 132 1040

6000 0 1020 140000 124 1040

7000 0 1020 150000 116 1040

8000 0 1020 200000 104 1040

9000 0 1020 300000 88 1040

10000 2 1020 400000 80 1040

12000 1,22 836 500000 76 1040

14000 1,3 800 600000 80 1040

15000 1,9 800 - - -

На основании полученных экспериментальных данных построен график зависимости величины коэффициента взаимовлияния от частоты (рис.6), расчитанный по зависимости К = (иву (^)/ивм (^)) • 100%.

Сравнение экспериментальных данных, полученных при исследовании гироскопа Д-7 и модернизированного гироскопа Д-7, позволяет сделать следующие выводы (рис.7). В области частот от 0до 50 кГц для модернизированного гироскопа удается существенно снизить коэффициент взаимовлияния по сравнению саналогом.Так, например, на частоте 15кГц коэффициент взаимовлияния модернизированного гироскопа (рис.8) в 9,9 раз меньше по сравнению с серийным образцом. В области частот 0...8 кГц эффект взаимовлияния у модернизированного гироскопа практически отсутствует.В области частот 50кГц и выше серийный образец имеет меньшие значения коэффициета взаимовлияния по сравнению с модернизированным.

Рис.6. График зависимости коэффициента взаимовлияния

Однако, шумы, вызванные этим эффектом на высоких частотах (в отличии от низкочастотных составляющих), легко могут быть устранены путем фильтрации выходного сигнала.

Рис. 7. График зависимости коэффициента взаимовлияния: 1-модернизированный гироскоп Д-7; 2- гироскоп Д-7

Рис.8.Графики управляющего и выходного сигналов: 1 -сигнал с датчика угла гироскопа Д-7; 2 - сигнал с датчика угла модернизированного гироскопа Д- 7

49

Проведенная модернизация позволила, с одной стороны, повысить величину управляющего момента, определяющего скорость прецессии ротора гироскопа, за счет установки четырех дополнительных катушек управления, а с другой - снизить влияние электромагнитных процессов, протекающих в датчиках момента, на динамику переходных процессов в датчиках угловв области частот 0.. .50 кГц.

Список литературы

1. Распопов В.Я. Гироскопы с шарикоподшипниковым подвесом. Тула: Гриф и К, 2003. 175 с.

2. Гироскопические датчики углов со сферическим шарикоподшипниковым подвесом / В.Я. Распопов, Д.М. Малютин, Р.В.Алалуев, С.В. Те-лухин, С.И. Шепилов // Известия Тульского государственного университета. Техническиенауки.2016. Вып.10. С. 266-280.

Алалуев Роман Владимирович, канд. техн. наук, доц., tgupu@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Малютин Дмитрий Михайлович, канд. техн. наук, проф., tgupu@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Распопов Владимир Яковлевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, tgupu@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Телухин Сергей Владимирович, канд. техн. наук, доц., tgupu@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Шепилов Сергей Игоревич, нач.исследовательской лаборатории, info@mzp.su, Россия, Мичуринск, АО «Мичуринский завод «Прогресс»,

Ладонкин Александр Валерьевич, канд. техн. наук, доц., tgupu@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE FINDINGS OF ANGLE SENSOR WITH SPHERICAL BALL BEARING SUSPENSION EXPERIMENTAL INVESTIGATION

R. V. Alaluev, D.MMalyutin, V. Y. Raspopov, S. V. Telukhin, S.I. Shepilov, A. V. Ladonkin

It's shown that perfomance characteristics of the gyroplatform that is using a serial gyroscopic angle sensor may be improved at the expense of upgrading of their construction, the idea of which lies in a realisation, firstly, of the independency of the angle sensor and torque motor electromagnetic circuits and, secondly, of the increasing of a control velocity at the expense of mounting the additional controlling coils.

Key words: three-degree-of-freedom gyroscope, ball bearing suspension, gyroscopic angle sensor.

Alaluev Roman Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, tgupu@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

MalyutinDmitriyMichaylovich, candidate of technical sciences, professor, tgupu@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Raspopov Vladimir Yakovlevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, tgupu@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Telukhin Sergey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, tgupu@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Shepilov Sergey Igorevich, head of research laboratory, info@,mzp.su, Russia, Michurinsk, JSC «Michurinsk Plant «Progress»,

Ladonkin Alexander Valerevich, candidate of technical sciences, docent, tgupu@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University.

УДК 531.383

ПОГРЕШНОСТЬ ГИРОДАТЧИКОВ УГЛА, ПОРОЖДАЕМАЯ ГЕОМЕТРИЕЙ КАРДАНОВА ПОДВЕСА

Е.С. Козлова, С.В. Рогов

Рассматриваются гиродатчики угла, устанавливаемые на летательные аппараты, пространственное положение которых характеризуется конечными углами. Получены зависимости, определяющие выходные сигналы гиродатчиков для основных вариантов их размещения на объекте.

Ключевые слова: пространственная ориентация, летательный аппарат, системы координат, выходные сигналы датчиков.

В техническом задании на разработку гироскопических датчиков угла указывается требование как по точности работы гироскопа (обычно в градусах или градусах в час), так и по погрешности выходного сигнала (обычно в процентах). Точность гироскопа зависит от правильности выбора его параметров для заданных условий эксплуатации, а погрешность выходного сигнала - от схемы установки датчика на летательном аппарате (ЛА) и определяется так называемой кардановой погрешностью. В ряде работ, например [1-3], в которых точность самого гироскопа не учитывается, получены формулы для ее определения.

Таким образом, возникает задача нахождения зависимости выходных сигналов датчиков угла, установленных по осям карданова подвеса, от углов пространственной ориентации ЛА и углов, характеризующих точность выдачи гироскопическим прибором опорной системы координат.

51