Датчик угловой скорости на базе динамически настраиваемого гироскопа
ANGULAR VELOCITY 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.
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.
y
Для пояснения механизма возникновения данной погрешности представим структурную схему датчика углов M 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 x и y,
и  - углы отклонении корпуса вокруг осей x и y,
n
n
α, β - углы нутационных бросков ротора вокруг осей x и y,
ос
ос
α, β - углы прецессионного движения ротора вокруг осей x и y,
α, β - углы отклонений ротора относительно корпуса вокруг осей x и y,
x
y
x
y
M и M - моменты, развиваемые датчиками моментов вокруг осей x и y, и вызываемые соответственно токами J и J.
x
y
x
y
x
y
x
n
Для анализа возможности компенсации перекрестной погрешности гироскопа в режиме датчика угловой скорости полагаем, что корпус гироскопа вращается лишь вокруг оси x, 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 M<<M), 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 и α обозначена на рис. 1. пунктиром и далее не учитывается.
x
y
Прямой канал обеспечивает измерение угловой скорости корпуса ω вокруг оси x. Величина выходного сигнала J, 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
1
На практике обычно T>T, поэтому относительную погрешность можно приближенно представить в виде
x
Отсюда следует, что в установившемся режиме при постоянной скорости ω относительная перекрестная погрешность δJ отсутствует, а при гармонически изменяющейся входной скорости на частотах  ее амплитуда постоянна и равна
ку
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.
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 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
с
Из структурной схемы на Фиг. 2 видно, что передаточная функция, определяющая связь между прямым и перекрестным каналами, Ф=0, откуда следует, что выходной сигнал по перекрестной оси
x
x
y
с
J~M=M⋅Ф(s)⋅Ф(s)=0,
т.е. перекрестная связь между каналами отсутствует.
y
y
ду
Таким образом, для компенсации перекрестной ошибки по этому способу, необходимо выходной сигнал J~M по прямой цепи умножить на крутизну датчика угла K, 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.