Датчик угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа
ANGULAR SPEED SENSOR BASED ON DYNAMICALLY TUNED GYROSCOPE

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.
Преобразователи угла и момента выполняют функции датчиков угла и момента гироскопа соответственно.
1
Наиболее близким по технической сущности является датчик угловой скорости [2] содержащий корпус, динамически настроенный ротор в двухосном подвесе, датчик угла, датчик момента с обмоткой управления, основное корректирующее звено, включающее последовательно соединенные изодром с постоянной времени Т и усилитель с коэффициентом усиления К, и измеритель тока датчика момента по каждому каналу измерения, причем выход датчика угла по каждой оси чувствительности подключен через основное корректирующее звено ко входу датчика момента по перекрестной оси, 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 скорость 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 угловой скорости в следующем виде:
на Фиг. 1 обозначено
W(s) - передаточная функция усилителя каждого канала,
ду
K - крутизна датчика угла,
x
y
ω и ω - угловые скорости корпуса вокруг осей х и у,
и  - углы отклонения корпуса вокруг осей х и у,
n
n
α, β - углы нутационных бросков ротора вокруг осей х и у,
oc
ос
α, β - углы прецессионного движения ротора вокруг осей х и у,
α, β - углы отклонения ротора относительно корпуса вокруг осей х и у,
х
у
x
y
М и М - моменты, развиваемые датчиками моментов вокруг осей х и у и вызываемые токами J и J соответственно.
х
у
x
y
х
у
х
n
Для анализа возможности компенсации перекрестной погрешности гироскопа в режиме датчика угловой скорости полагаем, что корпус гироскопа вращается лишь вокруг оси х, т.е. ω≠0, а ω=0. Также полагаем, что при этом величина перекрестной чувствительности достаточно мала в сравнении с основным сигналом, т.е. J << J (что эквивалентно М << М), поэтому нутационным броском  в прямом канале можно пренебречь, как величиной второго порядка малости (тем более, что величина квазиупругой жесткости гироскопа  всегда достаточно велика). В силу этого соответствующая связь между М и α обозначена на рис. 1, пунктиром и далее не учитывается.
х
y
Прямой канал обеспечивает измерение угловой скорости корпуса ω вокруг оси х. Величина выходного сигнала J, в соответствии со схемой на 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
Углы поворота ротора гироскопа относительно корпуса равны
x
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 из-за конечной величины квазиупругой жесткости подвеса ротора гироскопа
1
С целью уменьшения ошибки от перекрестной угловой скорости, в него по каждому каналу измерения введены сумматор, усилитель с коэффициентом усиления, обратно пропорциональным нутационной частоте гироскопа, и дополнительное корректирующее звено с передаточной функцией , где постоянная времени Т прямо пропорциональна кинетическому моменту гироскопа и обратно пропорциональна коэффициенту усиления усилителя К, а постоянная времени Т равна постоянной времени изодрома основного корректирующего звена, причем выход измерителя тока по каждому каналу измерения подключен к первому входу сумматора этого канала и через последовательно соединенные дополнительное корректирующее звено и усилитель - ко второму входу сумматора второго канала измерения, а выход каждого сумматора является выходом датчика угловой скорости.
Компенсация погрешности от перекрестной связи (для одного измерительного каналов) производится в соответствии со структурной схемой, представленной на Фиг. 2.
x
y
В этой схеме перекрестные ошибки моделируется на операционном усилителе и вычитается из выходных сигналов J и J по перекрестным осям.
В результате имеем
Данный метод компенсации требует формирования более сложной передаточной функции компенсирующего сигнала вида:
точность компенсации при этом определяется точностью формирования аналогового сигнала на операционном усилителе.
1
Эту передаточную функцию можно упростить для случая выбора параметров прибора Т>Т и привести к виду
к
Таким образом, для компенсации перекрестной погрешности, ДУС, необходимо выходной сигнал прямой цепи J умножить на аналоговом моделирующем устройстве (операционном усилителе) на передаточную функцию Ф(s) (в точном или упрощенном виде) и полученное произведение вычесть из выходного сигнала по перекрестной оси. Полученная разность и будет представлять собой скомпенсированный сигнал по перекрестной оси.
На Фиг. 3 и Фиг. 4 представлена реализация в среде Matlab (Simulink) методики компенсации погрешности от перекрестной связи между каналами ДУС, где передаточные функции W(s)1 и W(s)2, имеют вид, представленный на Фиг. 4.
На Фиг. 5 представлены ЛАЧХ и ФЧХ для скорректированной и нескорректированной системы.
Как видно из полученных результатов имеет место снижение перекрестной погрешности на всех частотах, и в частности на частоте 10 Гц это снижение составило с 27 дБ до 52.4 дБ
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…30) Гц представлены на Фиг. 6, Фиг. 7.
Как видно из Фиг. 6 и Фиг. 7 использование компенсации перекрестных связей в датчике угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа обеспечивает существенное снижение погрешности от перекрестной связи между измерительными каналами ДУС.
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.