ГИРОТАХОМЕТР Российский патент 2008 года по МПК G01P9/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве элемента в системах стабилизации, навигации и наведения. Оно может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа.

Известно устройство для измерения угловой скорости - гиротахометр (А.С. №1230407, РФ, МПК⁶ G01P 9/02, опубл. 30.11.86. Бюл. №44), содержащее двухстепенной гироскоп, датчик угла, соединенный через усилитель с датчиком момента, и с целью повышения точности в него введены последовательно соединенные выходной усилитель и интегратор, выход которого соединен с первым входом выходного усилителя, а выход усилителя соединен с вторым входом выходного усилителя.

К недостаткам данного устройства относится низкая точность измерения, обусловленная выбором коэффициента усиления контура с жесткой отрицательной обратной связью, который ограничен условием устойчивости системы и наличием интегрирующего аналогового усилителя вне контура обратной связи. Основная погрешность гиротахометра связана с конечностью времени заряда конденсатора интегрирующего усилителя и эта погрешность приводит к апертурной ошибке, свойственной подобной схеме выборки и обработки информации.

Наиболее близким по техническому решению является гиротахометр (А.С. 1677642, РФ, МПК⁶ G01P 9/02, опубл. 1991. Бюл. №34), содержащий двухстепенной гироскоп, датчик угла, усилитель, интегратор, датчик момента, причем выход усилителя подключен к входу интегратора и с целью повышения точности и расширения области применения в него введены дифференцирующий фильтр, преобразователь напряжения в ток, компаратор, синхронный генератор одиночных импульсов, триггер, формирователь треугольного сигнала, схема совпадения, реверсивный двоичный счетчик, итоговый регистр и схема синхронизации, причем выход датчика угла соединен с входом усилителя, выход интегратора соединен с входом дифференцирующего фильтра (фильтр верхних частот) и с первым входом компаратора и выход дифференцирующего фильтра соединен с входом преобразователя напряжение в ток, выход которого соединен с датчиком момента, второй вход компаратора соединен с первым входом синхронного генератора одиночных импульсов, выход которого соединен с входом триггера и входом схемы синхронизации, выход триггера соединен с первым входом схемы совпадения, выход схемы синхронизации соединен с входом формирователя треугольного сигнала, второй выход соединен с входом синхронного генератора одиночных импульсов, третий выход соединен с вторым входом схемы совпадения, четвертый выход соединен с вторым входом реверсивного двоичного счетчика, пятый выход соединен с вторым входом итогового регистра и первый вход итогового регистра соединен с выходом реверсивного двоичного счетчика, первый вход которого соединен с выходом схемы совпадения.

Недостатком подобного устройства является невысокая точность и малая полоса пропускания, обусловленная наличием двух дискретных выходов вне контура обратной связи и аналоговой отрицательной обратной связи.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности и расширение полосы пропускания гиротахометра.

Это достигается за счет того, что в гиротахометр, содержащий двухстепенной гироскоп, реверсивный двоичный счетчик, схему синхронизации, аналоговую отрицательную обратную связь, с выхода датчика угла на вход датчика момента через последовательно включенные по информационным входам предварительный усилитель, интегрирующий усилитель, фильтр верхних частот, преобразователь напряжение - ток, и выход интегрирующего усилителя соединен с компаратором, введена цифровая отрицательная обратная связь с выхода компаратора на вход сумматора через последовательно соединенные по информационным входам преобразователь уровня сигнала, пару ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схему собирания, двоичный умножитель, цифровой сглаживающий фильтр, знаковый переключатель, причем один из выходов преобразователя напряжение-ток соединен с одним из входов сумматора, выход которого соединен с датчиком момента, и дополнительные входы схемы собирания, знакового переключателя соединены с выходом реверсивного двоичного счетчика, а входы ждущих синхронных генераторов и компаратора соединены с выходом схемы синхронизации, один из входов датчика угла соединен с выходом генератора опорного напряжения и выход реверсивного двоичного счетчика является выходом цифрового кода устройств для измерения угловой скорости.

Введение в устройство аналоговой отрицательной обратной связи обеспечивает устойчивость и астатизм первого порядка, а цифровая отрицательная обратная связь реализует расширение полосы пропускания и увеличение точности за счет реализации автоколебательного режима.

На чертеже приведена функциональная схема гиротахометра.

Гиротахометр содержит двухстепенной гироскоп 1 (кинематическая схема гиротахометра приведена в кн.: Никитин Е.А., Балашова А.А. Проектирование дифференцирующих и интегрирующих гироскопов и акселерометров. М.: Машиностроение, 1969), угловое положение которого фиксируется датчиком угла 2, выход датчика угла 2 соединен с входом предварительного усилителя 3. Выход генератора опорного напряжения 4 (ГОН) соединен с входом датчика угла 2. Выход предварительного усилителя 3 соединен с входом интегрирующего усилителя 5, один из выходов которого соединен с входом фильтра верхних частот 6. Выход фильтра верхних частот 6 соединен с входом преобразователя напряжение-ток 7, выход которого соединен с одним из входов сумматора 8. Другой выход интегрирующего усилителя 5 соединен с одним из входов компаратора 9, который через преобразователь уровня сигнала 10 соединен с входами ждущих синхронных генераторов (ЖСГ) 11 и 12. Выходы 11 и 12 соединены с входами реверсивного двоичного счетчика 13, первый выход которого соединен с входом преобразователя дополнительного кода в прямой 14, а второй выход 13 соединен с одним из входов схемы собирания 15, другой вход схемы собирания 15 соединен с выходом 14. Выход схемы собирания 15 соединен с входом двоичного умножителя 16, выход которого через цифровой сглаживающий фильтр 17 соединен с одним из входов знакового переключателя 18, другой вход которого соединен с третьим выходом реверсивного двоичного счетчика 13. Выход знакового переключателя 18 соединен с одним из входов сумматора 8, выход которого соединен с входом датчика момента 19. Дополнительные входы ЖСГ 11 и 12, компаратора 9 соединены с выходом схемы синхронизации 20.

Внутреннее содержание компаратора, ждущих синхронных генераторов, реверсивного двоичного счетчика, преобразователя дополнительного кода в прямой, схемы собирания (ИЛИ), двоичного умножителя, знакового переключателя, схемы синхронизации, сумматора, цифрового сглаживающего фильтра описаны в книге: П.Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. М.: Мир, т. 1-3, 1993.

Гиротахометр работает следующим образом. При вращении основания с угловой скоростью Ω двухстепенной гироскоп 1, под действием гироскопического момента, поворачивается в абсолютном пространстве на угол, который фиксируется датчиком угла 2, обмотка возбуждения которого соединена с выходом генератора опорного напряжения 4. На выходе датчика угла 2 появляется электрический сигнал, который после усиления в предварительном усилителе 3 и интегрирования в усилителе 5 поступает на вход фильтра верхних частот 6. Сигнал, в виде напряжения, с выхода фильтра верхних частот 6 подается на вход преобразователя напряжение - ток 7, а затем на один из входов сумматора 8. Один из выходов интегрирующего усилителя 5 соединен с одним из входов компаратора 9. В компараторе 9 происходит сравнение сигнала с выхода интегрирующего усилителя 5 с сигналом, выделенным из стабильного по частоте и амплитуде сигнала с выхода схемы синхронизации 20. Сигнал с выхода компаратора 9, в виде ШИМа (широтно-импульсная модуляция), после преобразования в преобразователе уровня сигнала 10, поступает на входы ждущих синхронных генераторов 11 и 12, которые взводятся от компаратора 9 и вырабатывают короткие импульсы (длительностью, определяемой частотой привязки схемы синхронизации 20), частота которых определяется частотой переключения компаратора 9. Если сигнал с выхода интегрирующего усилителя 5 будет больше треугольного напряжения с выхода схемы синхронизации 20, то на выходе компаратора 9 будет высокий логический уровень, если меньше, то на выходе компаратора 9 будет низкий логический уровень, и уровень сигнала с компаратора 9 зависит от фазы отклонения двухстепенного гироскопа 1. Реверсивный двоичный счетчик 13 производит подсчет единичных импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 11, и вычитание импульсов, поступающих с выхода ждущего синхронного генератора 12. Реверсивный двоичный счетчик 13 положительную информацию представляет в прямом коде, а отрицательную в дополнительном коде и преобразование дополнительного кода в прямой осуществляется преобразователем дополнительного кода в прямой 14. На вход схемы собирания 15 (ИЛИ) поступают сигналы с реверсивного двоичного счетчика 13, если отклонение двухстепенного гироскопа 1 в фазе ГОН 4, и с преобразователя дополнительного кода в прямой 14, если фаза равна 180°. После логического сложения сигналов в схеме собирания 15 выходной сигнал с 15 подается на вход двоичного умножителя 16, на выходе которого будут импульсы, число которых пропорционально двоичному коду, поступающему на вход схемы собирания 15, и двоичный умножитель 16 преобразует двоичный код в единичный. Цифровой сглаживающий фильтр 17, на вход которого поступают импульсы с двоичного умножителя 16, не только устраняет пульсацию входного сигнала с 16, но и обеспечивает устойчивую работу устройства, охваченного обратными связями (аналоговой и цифровой). На токовую обмотку датчика момента 19 поступает сигнал через сумматор 8 как со знакового переключателя 18, со знаком знакового разряда реверсивного двоичного счетчика 13, так и сигнал с выхода преобразователя напряжение-ток 7. Датчик момента будет устранять угловое отклонение двухстепенного гироскопа 1, вызванное действием гироскопического момента (M=H Ω, где H - кинетический момент гироскопа 1). Выход реверсивного двоичного счетчика 13 является выходом цифрового кода устройств для измерения угловой скорости.

Введение в гиротахометр цифровой обратной связи, наряду с аналоговой, позволяет расширить полосу пропускания (увеличивается быстродействие) и повысить точность измерения за счет дискретного сигнала. Построение устройства для измерения угловой скорости, охваченного аналоговой и цифровой обратными связями, позволяет, на базе существующих гиротахометров компенсационного типа, разрабатывать устройства, на базе существующих, с расширенной полосой пропускания и высокой точностью без изменения конструкции и технологии их изготовления.

Изобретение предназначено для применения в качестве чувствительного элемента в системах стабилизации, наведения и навигации и может найти применение в приборах измерения механических величин компенсационного типа. Гиротахометр охвачен аналоговой отрицательной обратной связью, которая обеспечивает устойчивость и астатизм первого порядка, а также цифровой отрицательной обратной связью, реализующей расширение полосы пропускания и увеличение точности за счет реализации автоколебательного режима. 1 ил.

Гиротахометр, содержащий двухстепенной гироскоп, реверсивный двоичный счетчик, схему синхронизации, аналоговую отрицательную обратную связь с выхода датчика угла на вход датчика момента через последовательно включенные по информационным входам предварительный усилитель, интегрирующий усилитель, фильтр верхних частот, преобразователь напряжение - ток, выход интегрирующего усилителя соединен с компаратором, отличающийся тем, что в него введена цифровая отрицательная обратная связь с выхода компаратора на вход сумматора через последовательно соединенные по информационным входам преобразователь уровня сигнала, пара ждущих синхронных генераторов, реверсивный двоичный счетчик, преобразователь дополнительного кода в прямой, схема собирания, двоичный умножитель, цифровой сглаживающий фильтр, знаковый переключатель, причем один из выходов преобразователя напряжение - ток соединен с входом сумматора, выход которого соединен с датчиком момента, дополнительные входы схемы собирания, знакового переключателя соединены с выходом реверсивного двоичного счетчика, а входы ждущих синхронных генераторов и компаратора с выходом схемы синхронизации, один из входов датчика угла соединен с выходом генератора опорного напряжения и выход реверсивного двоичного счетчика является выходом цифрового кода устройств для измерения угловой скорости.