УДК 531.383
АКСЕЛЕРОМЕТР КОМПЕНСАЦИОННОГО ТИПА С РАСШИРЕННОЙ ПОЛОСОЙ ПРОПУСКАНИЯ
А. Н. Кутуров, В. В. Кулешов
Дан анализ устойчивости и предложена практическая схема широкополосного акселерометра для систем стабилизации, навигации и наведения.
Акселерометры с жесткой отрицательной обратной связью обладают низкой точностью измерения, так как выбор коэффициента усиления ограничен условием устойчивости [1]. Расширить полосу пропускания и улучшить устойчивость акселерометра можно с помощью цепей обратной связи [2].
Структурная схема предлагаемого устройства изображена на рис. 1, где и .ус — коэффициенты передачи датчика угла и усилителя; 7 и [ — постоянная времени и коэффициент демпфирования, .ос, .ОСЬ .ОС3 — коэффициенты передачи цепей отрицательной, положительной и отрицательной интегрирующей обратной связи; . — коэффициент передачи интегратора; 71 — постоянная времени сглаживающего фильтра. Оценить работу широкополосного преобразователя ускорений можно с помощью передаточных функций. Передаточная функция по контуру положительной об-
ратной связи
<(S) =
, где . = .¿.ус/(2[7),
) s ( 70S+1)! 70 = 7/(2[).
Передаточная функция по контуру местной отрица-
- « - <(S) .01( 7lS +1) тельной обратной связи —= -01—1-
Х(Р) Р (7021^2 + 2[0701Р + 1)'
где .л = ¿0/(1 + ¿ъ.ос71), 7о21 = 7Т0717(Т^.О10С7Г) ;
2[о7о1 = (7о + 71)/(1 + .о .ОС 71).
Введем обозначения 71 = т7о где т — параметр, обеспечивающий устойчивость устройства по фазе (1 < т < 6). Тогда
7)1 = 70 т -2[0/(1 + т) и 2[0 =
1 + т
л/т( 1 + .0 .ост7о)
Необходимый коэффициент демпфирования [q можно обеспечить, задавая значения (1 + .q .qc p7q).
Введем параметр р = 7q/7qi = (1 + p)/2[q. Частоту среза по контуру отрицательной интегрирующей обратной связи можно записать в виде:
Устойчивость обеспечивается благодаря параметру т1, который должен удовлетворять условию т1 < 1, или условию т1 > 6, а увеличение частоты среза юср устройства достигается выбором параметра т, который может быть много меньше единицы.
Реализуемый коэффициент усиления по разомкнутому контуру определяется как
.. p ZcW( 1
осзЛЛо
J(
2 2 2 2 2 2 7q z 2р ) + 4 [ 0 702«2
£Р
Vpir70
22 0 ®ср
1
Предположим, что акселерометр имеет следующие значения параметров:
7 = 0,2 с, [ = 2, т = 4, [о = 0,5.
Тогда 7о = 0,04 с, т1 = 5, юср = 9,25 с—1, .ОС3..0 = = 37,94 с2.
В устройстве с одной обратной связью с параметрами 7 = 0,2 с, [ = 0,72 частота среза юср Р 7,52 с—1, а
коэффициент передачи . Р 30 с—2.
Примем т = 0,1; [ = 0,125, тогда параметры устройства с обратными связями будут равны
70 = 0,01 с, т1 = 4,4, юср Р 473,68 с—1, .ОСЗ ..0 = 62615 с—2.
По сравнению с устройством с одной обратной связью частота среза устройства с местными обратными связями и охватывающей все устройство отрицательной интегрирующей обратной связью увеличилась примерно в 63 раза и во столько же раз возросла полоса пропускания, коэффициент усиления по разомкнутому контуру увеличился более чем в 2000 раз, что позволяет обеспечить устойчивость при значительном коэффициенте усиления в разомкнутой системе. Таким образом, введение местных обратных связей разных знаков и охватывающей все устройство отрицательной интегри-
ср
[ ( 1 + т ) т [ 0 7
|2[рт1 - P1 - [0т2 - [0 ± 2[рт
т
2
-[0т1"
22 ■[0) -
(т1 - 2[0) тт1
тт
Датчики и Системы • № 8.2002
9
Рис. 1. Структурная схема акселерометра
Рис. 2. Практическая схема широкополосного акселерометра:
1 — чувствительный элемент; 2 — датчик угла; 3 — усилитель; 4 — фазовый детектор отрицательной обратной связи; 5 — фазовый детектор положительной обратной связи; 6 — генератор опорного напряжения; 7, 9 — преобразователи "напряжение — ток"; 8 — фильтр верхних частот; 10 — интегрирующий усилитель; 11 — компаратор; 12, 13 — ждущие синхронные генераторы; 14 — реверсивный двоичный счетчик; 15 — преобразователь дополнительного кода в прямой; 16 — элемент ИЛИ; 17 — двоичный умножитель; 18 — сглаживающий фильтр; 19 — знаковый переключатель; 20 — устройство синхронизации
рующей обратной связи увеличивает точность, расширяет полосу пропускания [3].
Практическая схема акселерометра приведена на рис. 2. Местная положительная обратная связь с выхода усилителя на вход датчика момента осуществляется через последовательно соединенные фазовый детектор положительной обратной связи и преобразователь "напряжение — ток", местная отрицательная обратная связь — через последовательно соединенные фазовый детектор отрицательной обратной связи, фильтр верхних частот, преобразователь "напряжение — ток". Цепь отрицательной интегрирующей обратной связи с выхода фазового детектора отрицательной обратной связи на вход датчика момента содержит последовательно соединенные интегрирующий усилитель, компаратор, ждущий синхронный генератор, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, элемент ИЛИ, двоичный умножитель, сглаживающий фильтр, знаковый переключатель и устройство синхронизации, выходы которого являются входами для компаратора и ждущих синхронных генераторов. Второй выход компаратора соединен со вторым входом реверсивного двоичного счетчика через ждущий синхронный генератор. Второй выход реверсивного двоичного счетчика соединен со вторым входом знакового переключателя и вторым входом схемы собирания, выход которой является выходом цифрового кода устройства.
Полученные результаты могут быть полезны при разработке чувствительных элементов систем стабилизации, навигации и наведения и проектировании устройств компенсационного типа, например, датчиков угловой скорости.
ЛИТЕРАТУРА
1. Коновалов C.B., Никитин Е.А., Селиванова Л.М. Гироскопические системы. Проектирование гироскопических систем. Ч. III. Акселерометры, датчики угловой скорости, интегрирующие гироскопы и гироинтеграторы / Под ред. Д.С. П е л ь п о р а. М.: Высш. шк., 1980.
2. Кулешов B.B., Кожурова Е. Р. Влияние корректирующих звеньев на параметры преобразователя ускорений // Оборонная техника. 1996. № 10-11.
3. Пат. 2165625 (РФ). Устройство для измерения ускорений / Изобретения. 2001. № 11.
Анатолий Никитович Кутуров — канд. техн. наук, доцент ТулГУ
Владимир Вениаминович Кулешов — канд. техн. наук, доцент ТулГУ
S(0872) 35-19-59 □
ir
9-ая специализированная выставка «Ваше жилище»
г. Ярославль 16 - 18 октября 2002 г в рамках работы Всероссийской конференции «Энергоресурсосбережение в промышленности, строительстве и жилищно-коммунальном комплексе»
Заявки на участие
принимаются по тел.: (0852) 45 - 06 - 46, 73 - 98 - 76 E-mail: interproekt@nordnet.ru
10
Sensors & Systems • № 8.2002
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.