Метод расширения полосы пропускания в акселерометре компенсационного типа

УДК 531.383

МЕТОД РАСШИРЕНИЯ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ

В АКСЕЛЕРОМЕТРЕ КОМПЕНСАЦИОННОГО ТИПА

В.В. Кулешов

Рассматриваются вопросы проектирования широкополосного акселерометра компенсационного типа. Это достигается путем введения в акселерометр аналоговой и цифровой обратных связей и обеспечение условия инвариантности при выборе параметров. Предложена практическая схема реализации акселерометра компенсационного типа, которая может быть использована в системах стабилизации, навигации и наведения подвижных объектов.

Ключевые слова: структурный метод, обратные связи, автоколебания топологический синтез, полоса пропускания, частота среза, сдвигатель, стеки, двоичный сумматор

Существующие акселерометры, применяемые в системах стабилизации, навигации и наведения, как правило, содержат жесткую отрицательную обратную связь [1 - 3]. Недостатком подобных акселерометров является низкая точность измерения, так как выбор коэффициента усиления в жесткой отрицательной обратной связи ограничен условием устойчивости системы. Наличие аналогового канала обработки информации приводит к низкой точности измерения, так как не производится запоминание информации за время её преобразования и осреднения в процессе накопления . Кроме того, точность измерения зависит от параметров схемы электронного ключа, осуществляющего выборку информации и основная погрешность акселерометра связана с конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя . Эта погрешность приводит к апертурной ошибке , свойственной подобной схеме выборки и обработки информации [4, 5].

Целью данной работы является разработка метода по расширению полосы пропускания акселерометра компенсационного типа. Поставленная цель достигается путем введения а акселерометр двух отрицательных связей, причем одна аналоговая, а другая цифровая.

Реализацию метода расширения полосы пропускания в аналоговой модели акселерометра компенсационного типа можно пояснить с помощью передаточных функций (рис. 1).

Если ввести в аналоговую отрицательную обратную связь акселерометра компенсационного типа сопряжённый фильтр верхних частот с передаточной функцией

жм = ,

1 1+Ж^) 439

а в цифровую отрицательную обратную связь - сопряжённый фильтр с передаточной функцией

Ж2

то это позволит создать инвариантное устройство для измерения ускорений с единичной обратной связью

- (Ж СО+ж2 СО) = -(+—1—) = -1

1 2 1+Ж

и независимое от постоянной времени сглаживающего фильтра в цепи цифрового отсчёта (где Ж (б) - передаточная функция прямой цепи акселерометра компенсационного типа, включая чувствительный элемент акселерометра и усилитель) [5].

Рис. 1. Структурная схема аналоговой модели акселерометра

компенсационного типа

Проанализируем динамику акселерометра компенсационного типа, содержащего лишь только жесткую отрицательную обратную связь. Передаточную функцию разомкнутой системы акселерометра с жесткой отрицательной обратной связью можно записать в виде [4]

Щ*) =Г , Т" + ' ,,,

Т • *+1)(Г3 • * + ) (Г4 • *+1) где Г1,Г2 ,Г3,Г4 - обобщённые параметры акселерометра компенсационного типа. На высоких частотах звенья, входящие в структуру акселерометра,

1 + Г4 • *

принимает вид

Жг

1

Т -з+1)-

Из анализа выражения (2) следует, что акселерометр с жесткой отрицательной обратной связью имеет ограниченную полосу пропускания и коэффициент передачи по разомкнутому контуру.

Если реализовать включение обмоток датчика моментов акселерометра по мостовой схеме, то это приведет к тому, что зависимость (2) принимает вид [5]

Жг (з) =

1 + Т - з

—.

(Т2 - з + 1)Т - з +1) ^

Если обеспечить равенство параметров Т = Т3 (Т0 - постоянная времени датчика момента), то зависимость (3) может записана как

Жг

Из анализа (4) следует, что включение обмоток датчика моментов по мостовой схеме позволяет создать акселерометр компенсационного типа, устойчивый при любом коэффициенте передачи по разомкнутому контуру.

Практическая схема реализации метода по расширению полосы пропускания представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема реализации метода по расширению полосы пропускания

Расширение полосы пропускания достигается тем, что в акселерометр введены два параллельных входных канала с датчика угла 2 и с мостовой схемы 25 и две параллельные отрицательные обратные связи. Одна,

441

аналоговая, с выхода усилителя 4 на один из входов датчика моментов 27 через последовательно включённые: первый логический элемент 5, схему исключающее "ИЛИ" 7, первый прецизионный релейный элемент 8, сглаживающий фильтр 9, первый суммирующий элемент 10, сопряжённый фильтр верхних частот 11, первый преобразователь напряжения - ток 12, второй суммирующий элемент 13. Выход второго суммирующего элемента 13 соединен с одной из диагоналей мостовой схемы 25. Другая диагональ мостовой схемы 25, в плечо которой введена обмотка датчика моментов 27, соединена с одним из входов первого суммирующего элемента 10 через дифференциальный операционный усилитель 26. Цифровая обратная связь введена с выхода усилителя 4 на другой вход датчика моментов 27 через последовательно включённые: первый логический элемент 5, схему исключающее "ИЛИ" 7, первый прецизионный релейный элемент 8, сглаживающий фильтр 9, первый суммирующий элемент 10, сопряжённый фильтр низких частот 14, третий суммирующий элемент 15, релейный элемент 19, ждущие синхронные генераторы 20,21 и ЯЗ-триггер 22 . Один из выходов Я8-триггера 22 соединен со вторым прецизионным релейным элементом 23, второй преобразователь напряжение - ток 24, второй суммирующий элемент 13, мостовую схему 25. Другой выход Я8-триггера 22 соединен с входом итогового регистра 31 через схемы совпадения ("И")28,29 и реверсивный двоичный счётчик 30. Причем, один из входов третьего суммирующего элемента 15 соединен с генератором стабильной частоты 16 через схему синхронизации 17 и генератор пилообразного напряжения 18. Вторые входы ждущих синхронных генераторов, схем совпадения "И", итогового регистра соединены с одним из выходов схемы синхронизации. Акселерометр содержит генератор опорного напряжения 3, один из выходов которого соединен с входом датчика угла, а другой - с входом схемы "ИЛИ" через второй логический элемент 6. Выход с итогового регистра 31 является цифровым выходом широкополосного акселерометра [5].

На рис. 3 представлены результаты моделирования акселерометра с жесткой отрицательной обратной связью при коэффициентах усиления по разомкнутому контуру, равному 10 (рис. 3 (3)), 100 (рис. 3 (2)) и 10000 (рис. 3 (1)). Результаты моделирования получены при значениях постоянных времени акселерометра

Г2=0,65 с,

Г0=0,03 С.

Из анализа результатов моделирования следует, что время переходного процесса акселерометра компенсационного типа с двумя параллельными обратными связями уменьшилось по сравнению с акселерометром с жесткой отрицательной обратной связью за счёт включения сопряжённых фильтров верхних и нижних частот, мостовой схемы включения датчика

моментов и дифференциального усилителя. При этом в акселерометре с параллельными обратными связями обеспечивается широкая полоса пропускания, значительный коэффициент передачи по разомкнутому контуру, определяющий точность цифрового отсчёта в установившемся режиме.

3

7 / 1

_2

0.5 1 1.5 2 2.5 3

Рис. 3. Результаты моделирования:

1 - К = 10000; 2 - К = 100; 3 - К = 10

Полученные результаты могут быть использованы при разработке элементов систем стабилизации, навигации и наведения подвижных объектов в которых имеются ограничения на такие параметры как: стоимость, вес и габариты. Применение недорогих акселерометров, выпускаемых промышленностью с реализацией по схеме [5], позволяет снять не только перечисленные ограничения, но и создать акселерометр с качественно иными динамическими характеристиками. Предложенный метод расширения полосы пропускания может найти применения в устройствах компенсационного типа для измерения параметров механических величин (например, в датчиках угловой скорости).

Список литературы

1. А.С. №742801 СССР. Акселерометр / А.Г. Бурик, Ю.Я. Никулин // БИ. 1980. №23.

2. Низкочастотные линейные компенсационные акселерометры /

B.В. Метальников [и др.] // Приборы и системы управления. 1990. №10.

C. 21 - 22.

3. Бурик А.Г. Структурный метод повышения точности маятникового компенсационного акселерометра // Известия вузов. Приборостроение. 1981. №3. С. 61 - 64.

4. Скалон А.И. О статической погрешности компенсационного акселерометра с импульсной обратной связью // Известия вузов. Приборостроение. 1981. № 12. С. 41 - 45.

5. Патент 2171995 РФ. Устройство для измерения ускорений / А.Н. Кутуров, В.В. Кулешов, 2002.

Кулешов Владимир Вениаминович, канд. техн. наук, доц., v47kuleshov@gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет

METHOD RASSSYIRENIGA BANDWIDTH OF THE ACCELEROMETER

COMPENSATION TYPE

V. V. Kuleshov

In this paper the device operating in the self-oscillating mode, in which the transformation of time intervals in the relative numerical code proportional inputs. Acceleration in the relative numerical code to improve the accuracy as the relative value of time intervals is independent of the dynamic properties of the device.

Key words: electronic key, aperture error, time interval, the transfer function, self-oscillation mode, the relative numerical code.

Kuleshov Vladimir Veniaminovich, candidate of tehnicale sciences, docent, v4 7kuleshov@,gmail. com, Russia, Tula, Tula State University