автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Разработка и исследование стенда для динамической калибровки микромеханических инерциальных датчиков

005051¿оо

Чекмарев Антон Борисович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СТЕНДА ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКИ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ

Специальность 05.11.01 — Приборы и методы измерения (механические величины)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

4 ы 1 г ЛЗ

Санкт-Петербург 2013

005051283

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики Научный руководитель: доктор технических наук, доцент, Грязин Дмитрий Геннадиевич ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Челпанов Игорь Борисович

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, профессор кандидат технических наук

Швец Лев Константинович

НИИ «Лот» ФГУП «Крыловский государственный научный центр», начальник отдела, главный метролог судостроительной промышленности

Ведущая организация: ГНЦ РФ ФГАНУ "Центральный научно-исследовательский и опьгг-но-консгрукгорский инсппут робототехники и технической кибернетики", 194064, Санкт-Петербург, Тихорецкий пр., 21

Защита диссертации состоится 16 апреля 2013 г. в 17:00 на заседании диссертационного совета Д 212.227.04 при Санкт-Петербургском государственном национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТ-МО) по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, ауд. 206.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ ИТМО.

Автореферат разослан « /-¿^¿7 у\ \ГО\ 2013 г.

Ваши огзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по адресу университета: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, секретарю диссертационного совета Д 212.227.04.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.04

кандидат технических наук, доцент Киселев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В последнее десятилетие в различных областях науки и техники активно используются микроэлектромеханические датчики и устройства, характеризующиеся малыми массой, габаритами, а также низкой стоимостью. Среди таких устройств выделяется класс микромеханических инерциальных датчиков, включающий широко применяемые микромеханические гироскопы (ММГ) и акселерометры (ММА). Системами стабилизации изображения на ММА оснащаются системы управления движением автомобиля, фото- и видеокамеры, планшетные компьютеры, игрушки. Применение таких датчиков в военной технике позволило создавать системы управления беспилотными летательными аппаратами, стабилизировать движение наземных и морских роботов, управлять траекторией полета различных видов боеприпасов. Для управления вращающимся по крену высокодинамичным объектом необходимы ММГ и ММА, работающие в широком диапазоне частот. В России разрабатываются подобные микродатчики, для оценки частотных характеристик которых необходимо специализированное оборудование, с требуемой точностью воспроизводящее переменную угловую скорость в заданном диапазоне частот. Средства контроля частотных характеристик таких датчиков выпускаются в основном зарубежными производителями и их поставки в Россию ограничены.

На данный момент разработаны различные методы и средства оценки частотных характеристик акселерометров. Не решена задача создания стендов для оценки частотных характеристик микрогироскопов в полосе частот более 100 Гц, отчасти это объясняется тем, что подобная информация требуется только при создании малогабаритных систем на микромеханических датчиках, применяемых в высокодинамичных объектах.

В связи с отсутствием рабочих средств задания угловой скорости нарушается про-слеживаемость от эталона угловой скорости до выпускаемых промышленностью датчиков. Необходимость созд ания рабочих средств для обеспечения прослеживаемое™ в данной области подтверждает актуальность поставленной в диссертации задачи разработки испытательного оборудования для оценки частотных характеристик ММГ и создания метода расчета подобного оборудования.

Целью диссертационной работы является разработка метода расчета конструкции и погрешности стенда для оценки частотных характеристик микрогироскопов, воспроизводящего угловое колебательное движение поворотной платформы путем преобразования

возвратно-поступательного движения силового преобразователя на основе электромагнитов, а также создание стенда на основе предложенного метода.

Задачи диссертационной работы:

- анализ режимов работы микромеханических инерциальных датчиков и обзор существующих методов и средств оценки их динамических характеристик;

- выбор кинематической схемы стенда, проектирование и исследование характеристик его механической и электромагнитной систем;

- моделирование работы электромеханической системы стенда;

- разработка алгоритмов и модели системы управления;

- отработка системы управления на модели электромеханической системе стенда;

- программно-аппаратная реализация системы управления стенда;

- создание температурной модели стенда;

- расчет погрешности стенда;

- разработка метода расчета стенда;

- проведение работ, связанных с аттестацией стенда и его опытной эксплуатацией.

Научная новизна работы заключается в создании метода расчета стенда для оценки частотных характеристик микрогироскопов, позволяющего спроектировать стенд с заранее заданными характеристиками. Оригинальными являются:

- совокупность приемов расчета и выбора параметров механической, электромагнитной систем и системы управления стенда;

- система автоматического управления стенда, созданная на основе синтеза ПИ-регулятора;

- модель электромеханической системы испытательного стенда, уточненная путем введения экспериментальных характеристик стенда;

- температурная модель стенда.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке: метода расчета стенда, представляющего собой совокупность приемов расчета и выбора параметров его механической и электромагнитной систем, системы управления, а также расчета погрешности стенда; модели функционирования стенда, основанной на введении в расчетную модель экспериментальных характеристик стенда; температурной модели стенда, созданной на основе анализа его конструкции и конвекционных потоков.

Практическая значимость работы заключается в том, что теоретические исследования доведены до создания методик практических расчетов, позволяющих проектировать стенды с подобной кинематической схемой на основе заданных характеристик. Результаты работы нашли практическое применение при создании стенда, эксплуатируемого в ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»» и создаваемого по заказу ОАО «Авангард».

Методы исследований. В работе использовались основные положения математики, теоретической механики, теории расчета электромагнитных цепей, теории тепловых расчетов и теории автоматического управления. Математическое моделирование, расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнены с помощью ПЭВМ и программных продуктов М S Ex eel, Matlab Simulink, PRO/Engineer, Elcut и CFdesign на базе численных методов.

Основные положения, выносимые на защиту

- модель электромеханической системы испытательного стенда;

- алгоритмы системы управления испытательного стенда;

- метод расчета испытательного стенда;

- методика аттестации испытательного стенда.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием обоснованных методов исследований и сходимостью расчетных и экспериментальных характеристик опытного образца стенда.

Апробация полученных результатов. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на XX Международной научно-технической конференции «Экстремальная робототехника. Нано- микро- и макророботы» (2009), XII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (2010), 2-м Международном симпозиуме «Механические измерения и испытания» (2010), XIX Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (2010), 3-й Всероссийской научно-технической конференции «Измерения и испытания в судостроении и смежных отраслях» (2010), Международном научно-техническом семинаре «Робототехника. Взгляд в будущее»

(2010), XIII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением»

(2011), XIV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением»

(2012), 4-й Всероссийской научно-технической конференции «Измерения и испытания в судостроении и смежных отраслях» (2012).

По теме диссертации опубликовано 5 статей, 4 из которых в рецензируемых журналах.

На основании материалов работы спроектирован, изготовлен и аттестован опытный образец испытательного стенда для динамической калибровки микромеханических датчиков.

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи работы, методы исследования, ее научная новизна, теоретическая и практическая значимость.

В первой главе на основе анализа сферы применения и режимов работы микромеханических инерциальных датчиков сформулированы требования к оборудованию для испытания их частотных характеристик, к числу которых относятся диапазон частот 1-120 Гц и возможность воспроизведения амплитуды угловой скорости с максимальным диапазоном до 700% и относительной погрешностью не более 3 %. Предложен вариант построения стенда на основе электромагнитного привода, широко применяемого в электродинамических вибростендах (рис. 1).

Рисунок 1 — Схема испытательного стенда (1 - поворотная платформа, 2 - якорь, 3 - линейная направляющая, 4 - катушка управления, 5 - электромагнитный привод, 6 - цилиндрический шарнир, 7 - датчик угла поворота платформы, 8 - ЭВМ, 9 - усилитель мощности, 10 - кулиса с ползуном)

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Электромагнитный привод стенда состоит из электромагнита, создающего постоянное магнитное поле в рабочем воздушном зазоре и помещенной в него подвижной катушки управления. Возвратно-поступательное перемещение якоря, жестко скрепленного с катушками управления, преобразуется в угловое колебательное движение платформы посредством кулисы и ползуна, соединенного с якорем цилиндрическим шарниром. К основным элементам блока электроники относятся датчик угла поворота платформы, ЭВМ с установленной программой управления и усилитель мощности катушек управления. Таким образом, реализуется управление по угловому положению и угловой скорости платформы стенда

Вторая глава посвящена анализу механической и электромагнитной систем стенда. Рассмотрены особенности схемы построения стенда, проведен анализ погрешностей. В результате исследований влияния параметров механической системы стенда на его амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) обоснована целесообразность уменьшения межосевого расстояния якоря электромагнитного привода и платформы стенда, обоснована схема размещения катушки, выходящей за пределы полюса электромагнита. Конструктивные особенности стенда обусловливают зависимость момента на валу платформы от угла ее поворота, а также нелинейность преобразования движения якоря. В главе проанализированы погрешности, обусловленные применением подшипниковых узлов, рассчитано значение относительной погрешности механической системы стенда Ьм <1 %.

Проведена оценка влияния параметров электромагнита на АЧХ стенда и качество управления исполнительным механизмом. Результаты моделирования электромагнитного привода стенда в Е1си1 показали, что основное влияние на его характеристики оказывают диаметр сердечника, ширина а и длина Ь воздушного зазора (рис. 2).

Рисунок 2 - Модель электромагнита в Е1сЩ

В связи с этим предложены рекомендации по выбору размеров магнитопровода электромагнита, обеспечивающему рациональное использование магнитодвижущей силы катушки намагничивания и достижение требуемых значений индукции в воздушном зазоре и силы электромагнитного привода. Анализ тяговой характеристики привода по-

казал, что предел относительной погрешности, обусловленной нелинейностью зависимости силы от перемещения якоря, составляет 8ЭМ <2%.

Третья глава посвящена исследованию системы автоматического управления стенда.

Рисунок 3 - Структурная схема стенда в нерезонансном режиме с замкнутой системой управления (1 - поворотная платформа, 2 - кулиса с ползуном, 3 - цилиндрический шарнир, 4 - якорь, 5 - катушка управления, 6 — электромагнит, 7 - датчик угла поворота, 8 - программа управления)

Согласно схеме (рис. 3), колебания возбуждаются с помощью задающего генератора (ЗГ) программы управления 8. Вырабатываемое синусоидальное напряжение 1]({) требуемой частоты (/зт) через усилитель поступает на катушки управления. Усилие передается с якоря 4 на платформу 1 через кулису и ползун 2 посредством цилиндрического шарнира 3. Информация об угловом положении платформы ср(7) передается с датчика угла 7 в программу 8, которая: а) с помощью регулятора (Р1) корректирует постоянную составляющую подаваемого на катушки синусоидального напряжения; б) регулирует амплитуду вырабатываемого генератором синусоидального напряжения. Амплитуда воспроизводимой угловой скорости определяется с помощью детектора амплитуды (ДА) после дифференцирования (Д) сигнала углового положения платформы. Сигнал разности измеренного и заданного (Азад) значений амплитуды через регулятор (Р2) подается на вход управления амплитудой генератора. Реализация системы управления по данной схеме обеспечит воспроизведение угловых скоростей, изменяющихся по гармоническому закону в заданном частотном диапазоне, оперативное управление частотой и ампли-

тудой скоростей, а также их изменение по заранее известной программе с целью автоматизации процесса оценивания частотных характеристик датчиков угловых скоростей.

Для разработки и предварительной настройки системы управления разработана модель электромеханической системы стенда, с этой целью получены экспериментальные характеристики системы: зависимость тока в катушках управления и угловой скорости платформы стенда от частоты. Оценка выходного сигнала производилась для разомкнутой системы при постоянном сигнале на входе. Также получены расчетные значения параметров электромагнитного привода.

Работа стенда моделировалась в пакете Matlab Simulink. В результате сравнения характеристик электромеханической системы стенда с характеристиками нескорректированной модели определены корректирующие функции. Полученная путем их аппроксимации в пакете MS Excel функция введена в модель в виде полинома (рис. 4). На рис. 5 приведены характеристика модели электромеханической системы стенда с корректирующей функцией и экспериментальная характеристика.

Рисунок 4 - Simulink-модель электромеханической системы стенда с корректирующей функцией

Рисунок 5 - Характеристики модели электромеханической системы стенда

На рис. 6 приведена БтиНпк-модель электромеханической системы стенда совместно с системой управления.

Система управления стенда содержит два контура обратной связи: внутренний по угловому положению платформы и внешний - по ошибке угловой скорости движения платформы. Внутренний контур включает параллельный ПИ-регулятор, обеспечивающий стабильность среднего положения угловых колебаний платформы и его соответствие нулевому сигналу датчика угла. Внешний контур необходим для определения рассогласования задаваемой и воспроизводимой амплитуды угловой скорости и формирования при помощи последовательного ПИ-регулятора сигнала ошибки по углу с последующим введением коррекции в управляющий сигнал, подаваемый на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Использование двух контуров обратной связи обеспечивает воспроизведение гармонических угловых скоростей в заданном диапазоне частот относительно неизменного начального углового положения платформы стенда. Проведенное моделирование показало, что настройка регуляторов системы управления обеспечивает воспроизведение угловых скоростей требуемых амплитуд в заданном диапазоне частот с пределом относительной погрешности 1%.

В четвертой главе рассмотрены вопросы, связанные с разработкой конструкции стенда, обоснованием принятых технических решений, аттестацией и опытной эксплуатацией стенда. На основании исследований, проведенных во второй главе, спроектирован и рассчитан электромагнитный привод стенда. На рис. 7 приведена картина поля электромагнитного привода (1 — катушка управления, 2 — катушка намагничивания). Согласно результатам расчета в Elcut, среднее значение магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре составляет 0,38 Тл, что позволяет развивать силу 95 Н. Индукция по-

Рисунок 6 - Модель электромеханической системы стенда

Рисунок 8 - Трехмерная картина теплового поля стенда

ля благодаря оптимизации размеров воздушного зазора распределена равномерно, искажение силовых линий магнитного поля и поток утечки незначительны.

Рисунок 7 - Картина распределения поля электромагнитного привода

Для обеспечения стабильного температурного режима функционирования стенда произведен тепловой расчет конструкции. Исследования показали, что наиболее эффективна приточная вентиляция с отводом тепла через отверстия в крышке корпуса стенда (рис. 8). В этом случае температура катушек управления и магнитопровода в продолжительном режиме работы не превышает допустимых значений.

На основании расчетов и экспериментальных исследований спроектирован и изготовлен опытный образец стенда (рис. 9, здесь 1 - электромагнит, 2 - вал поворотной платформы, 3 - узел датчика угла, 4 - якорь с катушками управления на линейной направляющей, 5 - цилиндрический шарнир, 6 - источник питания катушек намагничивания, 7 - источник питания вентиляторов, 8 — вентилятор, 9 — разъем подключения питания, 10 - разъем подключения выхода усилителя, 11 - разъем подключения датчика угла).

Рисунок 9 - Общий вид стенда

Алгоритмы управления электромеханической системой стенда реализованы в пакете программ Matlab Simuiink. Указанное ПО выбрано благодаря наличию среды хРС Target, позволяющей соединить Simulink-модели с реальными исполнительными механизмами и управлять ими в режиме реального времени, используя платформу персонального компьютера. При подборе элементной базы для программно-аппаратной реализации системы управления была проведена оценка предела относительной погрешности датчика угла 8^=1,8 %, погрешности дискретизации сигнала датчика угла 8^=1 % и погрешности ЦАП 8,,=0,01 %.

На основании проведенного анализа сформирована схема, отражающая распределение погрешностей по системам стенда (рис. 10). Согласно схеме, после введения требуемого значения угловой скорости ф0 система управления формирует управляющее воздействие, подаваемое в катушки управления, после чего платформа начинает движение с некоторой фактической угловой скоростью фф. Измеренное значение угловой скорости фш отличается от фактического вследствие погрешностей датчика угла и дискретизации Управляющее воздействие формируется с погрешностью алгоритмов управления £,у и разрядности ЦАП Вследствие реализации схемы управления по углу и угловой скорости платформы погрешности механической и электромагнитной систем £эм в значительной степени компенсируются системой управления.

Внешнее СИ

Рисунок 10 - Схема распределения погрешностей стенда

Для расчета предела погрешности 8 принята доверительная вероятность Р= 0,95. Вследствие равного порядка влияния погрешностей расчетное значение предела относительной погрешности стенда определяется как

«у = + + + +

где и 5ЗМ - предел погрешностей, обусловленных механической и электромагнитной системами; 8^,— предел погрешности, обусловленной алгоритмами управления; 5а,,- предел погрешности датчика угла; 51(— предел погрешности ЦАП; 8Й- предел погрешности, обусловленной частотой дискретизации сигнала управления. В результате 5=4,15 %.

Аттестация стенда проведена с применением допплеровского лазерного виброметра, выходной сигнал которого представляет собой напряжение, пропорциональное линейной виброскорости, выраженной в мм/с. Оценивалась погрешность воспроизведения угловых скоростей, диапазон амплитуд и частот воспроизводимых угловых скоростей (рис. 11).

Рисунок 11 - Схема установки для аттестации стенда

Погрешность метода аттестации вызвана тем, что контрольная точка платформы движется по радиусу, тогда как виброметр измеряет линейную виброскорость. К инструментальной относится погрешность измерения радиуса движения контрольной точки. Ввиду малых значений угла поворота платформы и возможности точных измерений линейных расстояний указанные погрешности пренебрежимо малы. На рис. 12 приведена зависимость относительной погрешности воспроизведения амплитуды угловой скорости стенда от частоты и отмечена область допуска погрешности виброметра Д=1 %.

Рисунок 12 - График относительной погрешности угловой скорости стенда

На рис. 13 приведена АЧХ стенда, полученная для замкнутой системы при заданном значении фзад=180 7с. По датчику угла поворота платформы регистрировались значения воспроизводимой угловой скорости фвоспр. Для построения АЧХ амплитуда угловой скорости фвоспр усреднялась по десяти периодам колебаний.

А <Р*оспг_

1 -

0.9 0.8 0.7 • 0.6 0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Рисунок 13 - Амплитудно-частотная характеристика стенда

На рис. 14 приведен экспериментально полученный диапазон угловых скоростей в рабочем диапазоне частот опытного образца стенда. При определении рабочего диапазона стенда в катушках управления достигалось максимально допустимое значение силы тока 1=6 А, при этом регистрировалась амплитуда угловой скорости движения платформы. Таким образом, указанный диапазон является предельным и обусловлен энергетическими характеристиками стенда, моментом инерции и моментом трения подвижной части.

О 20 40 60 80 100 120

Рисунок 14 - Рабочий диапазон амплитуд угловых скоростей стенда

Прямолинейная часть приведенных графиков отражает кинематическое ограничение, обусловленное взаимосвязанностью частоты, угла и угловой скорости колебаний платформы. Спад кривых связан с влиянием электромеханической и электромагнитной постоянной стенда, моментными характеристиками привода стенда, энергетическим ограничением усилительного тракта и допустимой температурой нагрева провода катушек управления.

Согласно результатам аттестации, стенд обеспечивает воспроизведение у гловых скоростей в максимальном диапазоне амплитуд до 7007с, диапазон частот 1-120 Гц и относительную погрешность задания угловой скорости не более 3 %, что не превышает расчетного значения предела относительной погрешности стенда 4,15 % и удовлетворяет требуемой точности испытательного оборудования.

Автором разработан метод расчета стенда с заранее заданными характеристиками, воспроизводящего угловые колебательные движения платформы путем преобразования возвратно-поступательных перемещений линейного электромагнитного привода.

Метод включает следующие операции.

1. Проектирование подвижной части стенда:

- проектирование узла поворотной платформы;

- разработка конструкции постоянного электромагнита;

- определение параметров подвижной катушки управления;

- расчет погрешности механической и электромагнитной систем.

2. Определение моментных характеристик стенда:

- расчет динамического момента подвижной части стенда;

- расчет момента электромагнитного привода стенда.

3. Проектирование системы управления стенда:

- моделирование электромеханической системы стенда;

- разработка алгоритмов управления, создание модели системы управления и ее настройка на модели электромеханической системы стенда;

- программно-аппаратная реализация системы управления стенда;

- расчет погрешности системы управления и общей погрешности стенда.

4. Разработка температурной модели стенда.

С помощью разработанного стенда были оценены динамические характеристики ММГ ADXRS150 производства фирмы Analog Devices, США (рис. 15). Диапазон измерений ММГ ±150 7с, частотный диапазон до 500 Гц, масштабный коэффициент - от

11,25 до 13,75 мВЛ/с, нелинейность выходной характеристики 0,1%, погрешность, вызванная воздействием линейного ускорения - 0,2 град-с"1^.

При испытаниях на вход ММГ подавалась угловая скорость амплитудой 100 7с в диапазоне частот 5-120 Гц. Значения угловой скорости регистрировались с датчика угла стенда и ММГ. На основании экспериментальных данных оценивалось максимальное значение угловой скорости, измеренной ММГ, для чего в каждой реализации угловой скорости была произведена выборка 10 периодов колебаний. При динамической калибровке смещение нуля оценивалось путем расчета среднего значения дискретного выходного сигнала ММГ (полученное значение 2,5 В соответствует паспортной характеристике ММГ). Последующая обработка выходного сигнала ММГ показала, что на частоте 5 Гц, с учетом предела погрешности задаваемой стендом угловой скорости, значение масштабного коэффициента 11,4±0,35 мВ/градс"1 (паспортное значение -12,5+1,25 мВ/град-с"1). В результате динамической калибровки ММГ погрешность датчика снижена путем уточнения его масштабного коэффициента.

Заключение

Основные научные результаты работы:

- предложена схема стенда, в основу которой положен принцип преобразования линейных возвратно-поступательных перемещений электромагнитного привода в угловые колебательные движения поворотной платформы;

- предложен метод разработки конструкции электромагнитного привода, основанный на аналитических исследованиях в Elcut;

- разработана модель электромеханической системы испытательного стенда с применением экспериментальных характеристик опытного образца;

- на основе синтеза ПИ-регулятора разработана система управления стенда, обеспечивающая воспроизведение угловых скоростей относительно неизменного начального положения платформы;

Рисунок 15 - ММГ ADXRS150 на платформе стенда

- предложен метод расчета стенда, включающий проектирование подвижной части и электродинамического привода стенда, определение его моментных характеристик, создание температурной модели и проектирование системы управления;

- рассчитана погрешность стенда;

- предложена и опробована методика аттестации стенда с использованием доп-плеровского лазерного виброметра.

Дальнейшее совершенствование метода и разрабатываемого стенда связано со снижением погрешности воспроизводимой угловой скорости путем точной настройки системы управления стенда и расширением динамического диапазона стенда путем применения электротехнических материалов с качественно лучшими характеристиками и более эффективной системой вентиляции.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ АВТОРОМ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Грязин Д.Г., Скалон А.И., Величко О.О., Чекмарев А.Б. Опыт аттестации трехосного поворотного стенда фирмы Acutronic // Мехатроника, автоматизация, управление. 2011. №4 (121). С. 75-78.

2. Грязин Д.Г., Скалон А.И., Чекмарев А.Б. Стенд контроля динамических характеристик микромеханических датчиков и модулей // Датчики и системы. 2011. № 9. С. 30-34.

3. Грязин Д.Г., Величко О.О., Чекмарев А.Б. Метрологическое обеспечение испытаний микромеханических датчиков и модулей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012. Вып. 7. С. 67—77.

4. Грязин Д.Г., Чекмарев А.Б. Исследование кинематической схемы стенда для воспроизведения угловых колебаний //Мехатроника, автоматизация, управление. 2012. № 9. С. 61-66.

Прочие публикации:

5. Грязин Д.Г., Скалон А.И., Чекмарев А.Б. Оптимизация магнитной системы стенда для снятия амплитудно-частотных характеристик микромеханических гироскопов и модулей на их основе // Матер. XX Междунар. науч.-техн. конф. Экстремальная робототехника. Нано- микро- и макророботы. Таганрог: Изд. ТТИ ЮФУ, 2009. С. 304-305.

6. Грязин Д.Г., Чекмарев А. Б. Применение микромеханических датчиков в военной технике. Современное состояние (по материалам зарубежных ВС) // Матер. Между-нар. науч.-техн. семинара «Робототехника. Взгляд в будущее». СПб, 2010. С 245-246.

7. Грязин Д. Г., Чекмарев А. Б. Устройство для определения частотных характеристик акселерометров и датчиков угловых скоростей // Тр. XIX Междунар. науч.-техн. семинара «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации». М.: ЗАО "Изд. дом МЭИ", 2010. С. 79.

8. Грязин Д. Г., Чекмарев А. Б., Величко О. О. Калибровка стенда для контроля динамических характеристик малогабаритных бесплатформенных инерциальных навигационных систем // Сб. тез. 3-й Всеросс. науч.-техн. конф. «Измерения и испытания в судостроении и смежных отраслях (Судометрика-2010). СПб: МАПП, 2010. С. 55-56.

9. Патент 2460079 С1 РФ. МПК G01P 21/00. Стенд для воспроизведения угловых скоростей, изменяющихся по гармоническому закону / Д. Г. Грязин, А. И. Скалон, А. Б. Чекмарев. Заявл. 06.05.2011; опубл. 27.08.2012. Бюл. № 24.

10. Скалон А.И., Чекмарев А.Б. Устройство для воспроизведения угловых скоростей // Тез. докл. 2-го Междунар. симпозиума «Механические измерения и испытания». М., 2010. Ч. 1. С. 156-160.

11. Чекмарев А.Б. Стенд для контроля частотных характеристик микромеханических гироскопов и модулей на их основе // Матер, докл. XII конф. молодых ученых «Навигация и управление движением». СПб: «ЦНИИ «Электроприбор», 2010. С. 159-166.

12. Чекмарев А.Б. Стенд для контроля частотных характеристик датчиков угловых скоростей и модулей на их основе // Гироскопия и навигация. 2010. № 2(69). С. 79.

Тиражирование и брошюровка выполнены в

ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»

197046, Санкт-Петербург, М. Посадская ул., 30

Тел.:(812)232-59-15

Корректор Позднякова Я Г.

Объем 1,0 п л. Тираж 100 экз.

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

t

На правах рукописи

А. Б. Чекмарев

Разработка и исследование стенда для динамической калибровки микромеханических инерциальных датчиков (

05.11.01 - Приборы и методы измерений (механические величины) Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

ю

Научный руководитель:

^ доктор технических наук, доцент

Й5 Д. Г. Грязин

СО й

1Л

О Р СМ £

Санкт-Петербург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...........................................................................................................................4

Глава 1. Обзор современного состояния метрологического обеспечения микромеханических инерциальных датчиков. Постановка задачи исследования ...9

1.1 Анализ режимов работы микромеханических инерциальных датчиков.............9

1.2 Обзор существующих методов и средств оценки динамических характеристик микромеханических инерциальных датчиков..................................16

1.3 Выбор схемы построения стенда...........................................................................21

1.4 Выводы к главе 1 и постановка задачи исследования.........................................30

Глава 2 Анализ механической и электромагнитной систем стенда.........................32

2.1 Постановка задачи исследования...........................................................................32

2.2 Анализ механической системы стенда..................................................................33

2.2.1 Анализ влияния длины кулисы на АЧХ стенда...............................................................33

2.2.2 Анализ влияния способа расположения катушек управления на АЧХ стенда...36

2.2.3 Анализ погрешностей механической системы стенда......................................39

2.3 Исследование электромагнитной системы стенда...............................................45

2.3.1 Метод исследования.............................................................................................45

2.3.2 Анализ влияния диаметра сердечника на значение индукции

в воздушном зазоре........................................................................................................55

2.3.3 Анализ влияния ширины и длины зазора на АЧХ стенда................................56

2.3.4 Анализ тяговой характеристики электромагнитного привода стенда............62

2.4 Выводы к главе 2.....................................................................................................64

Глава 3 Анализ и синтез системы управления стенда...............................................65

3.1 Постановка задачи исследования...........................................................................65

3.2 Выбор схемы управления.......................................................................................66

3.3 Разработка структуры системы управления стенда.............................................74

3.4 Аналитическое исследование электромеханической системы стенда...............76

3.5 Моделирование работы электромеханической системы стенда в ЗшшНпк......80

3.6 Разработка модели системы автоматического управления стенда....................92

3.7 Аналитическое исследование модели системы управления совместно

с моделью электромеханической системы стенда.....................................................97

3.8 Выводы к главе 3...................................................................................................102

Глава 4. Разработка конструкции и аттестация опытного образца стенда............103

4.1 Постановка задачи.................................................................................................103

4.2 Проектирование и расчет электромагнитного привода стенда........................103

4.3 Анализ температурных режимов работы стенда................................................108

4.4 Программно-аппаратная реализация системы управления стенда..................119

4.5 Расчет погрешности стенда..................................................................................124

4.6 Аттестация стенда..................................................................................................125

4.7 Динамическая калибровка микромеханического гироскопа на стенде...........135

4.8 Метод расчета стенда............................................................................................139

4.9 Выводы к главе 4...................................................................................................141

Заключение...................................................................................................................146

Список сокращений и условных обозначений.........................................................145

Список литературы......................................................................................................146

Приложение А. Рабочий диапазон стенда.................................................................152

Приложение Б. Картины тепловых полей стенда....................................................153

Приложение В. Реализации угловой скорости при аттестации стенда..................158

Приложение Г. Реализации угловой скорости при динамической калибровке MMF.. 159 Приложение Д. Акт внедрения результатов работы.................................................161

Введение

В последние десять лет в различных областях науки и техники активное развитие получили микроэлектромеханические (МЭМС) датчики и устройства. Особенностями этих изделий являются малые масса и габариты, а также низкая стоимость. Среди указанного типа устройств выделяется класс микромеханических инерциальных датчиков, к числу которых относятся микромеханические гироскопы (ММГ) и акселерометры (ММА), широко применяемые как в гражданской, так и в военной области. Активное развитие получили фото- и видеокамеры, оснащённые системами стабилизации изображения на микромеханических акселерометрах, игрушки, планшетные компьютеры, многочисленные автомобильные системы управления движением также оснащены ММГ и ММА. Появление этих датчиков в военной технике позволило создавать системы управления беспилотными летательными аппаратами, стабилизировать движение наземных и морских роботов, управлять полётом на траектории различными видами боеприпасов.-Для управления вращающимися по крену высокодинамичными объектами необходимо создание ММГ и ММА, работающих в широком частотном диапазоне. Такие датчики выпускаются как зарубежными, так и отечественными производителями. В России наибольшие успехи в этой области достигнуты в ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» [20, 37].

Оценку динамических характеристик ММГ и ММА можно производить на основании либо косвенных данных, либо путем прямого измерения этих характеристик [9, 11, 15]. Очевидно, что непосредственная оценка является наиболее предпочтительной. Созданием методов и средств измерений динамических характеристик ММА, в том числе и вибрационных, занимались многие исследователи. Вопросы создания стендов для оценки динамических характеристик ММГ в полосе частот более 100 Гц разработаны существенно хуже. Отчасти это объясняется тем, что вопрос о наличии подобной информации наиболее остро стоит только при создании малогабаритных систем на микромеханических датчиках, применяемых в высокодинамичных объектах.

В связи с отсутствием рабочих средств задания угловой скорости нарушается прослеживаемость от эталона угловой скорости до выпускаемых промышленностью датчиков угловых скоростей. Таким образом, научная задача, решаемая в диссертации, состоит в создании рабочего средства для обеспечения прослежи-ваемости в области оценки частотных характеристик микромеханических гироскопов. В связи с этим, задача разработки испытательного оборудования для контроля динамических характеристик ММГ и создания метода расчета подобного оборудования является актуальной.

Целью работы является разработка метода расчета конструкции и погрешности стенда для оценки частотных характеристик микрогироскопов, воспроизводящего угловое колебательное движение поворотной платформы путем преобразования возвратно поступательного движения силового преобразователя на основе электромагнитов, а также создание технического средства на основе предложенного метода.

Основные направления и задачи исследований определяются комплексом работ и включают в себя:

- анализ режимов работы микромеханических инерциальных датчиков и обзор существующих методов и средств оценки их динамических характеристик;

- выбор кинематической схемы стенда, проектирование и исследование характеристик его механической и электромагнитной систем;

- моделирование работы электромеханической системы стенда;

- разработка алгоритмов и модели системы управления;

-отработка модели системы управления на модели электромеханической системы стенда;

- программно-аппаратная реализация системы управления стенда;

- создание температурной модели функционирования стенда;

- расчет погрешности стенда;

- разработка метода расчета стенда;

- проведение работ, связанных с аттестацией стенда и его опробованием.

Диссертационная работа состоит из четырех глав.

В первой главе на основе анализа областей применения и режимов работы микромеханических инерциальных датчиков формируются требования к оборудованию для оценки их динамических характеристик. Рассматриваются существующие методы и средства испытаний микродатчиков в динамическом режиме. Предлагается схема построения испытательного стенда и приводится ее обоснование.

Вторая глава посвящена анализу механической и электромагнитной систем стенда. В ходе анализа механической системы рассматриваются особенности схемы построения стенда, приводится анализ погрешностей. В ходе анализа электромагнитной системы стенда проводится оценка влияния параметров электромагнита на амплитудно-частотную характеристику стенда и качество управления исполнительным механизмом, а также формируются рекомендации по выбору размеров магнитопровода электромагнита. Приводится анализ тяговой характеристики электромагнитного привода и расчет погрешности, обусловленной электромагнитной системой стенда.

Третья глава посвящена исследованию системы автоматического управления стенда. Проводится анализ схем управления, приводятся описание электромеханической системы и ее характеристик, результаты моделирования работы электромеханической системы стенда, расчетные значения параметров электромагнитного привода, структура и состав элементов модели системы автоматического управления стенда (САУ).

В четвертой главе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой конструкции стенда и обоснованием принятых технических решений. Приводятся материалы по программно-аппаратной реализации системы управления стенда, оцениваются ее погрешности. Работоспособность в предельных режимах функционирования подтверждается проведением температурного расчета на основании температурной модели, созданной в САПР СРс1е81§п. Приводятся материалы по разработке методики и проведению аттестации стенда. Анализируются результаты динамической калибровки образца ММГ с использованием стенда. Формируется метод расчета стенда.

Научная новизна работы заключается в создании метода расчета технического средства для оценки частотных характеристик микрогироскопов, позволяющего спроектировать стенд с заранее заданными характеристиками.

Оригинальными являются:

- совокупность приемов расчета и выбора параметров механической, электромагнитной систем и системы управления стенда;

- система автоматического управления стенда, созданная на основе синтеза ПИ-регулятора;

- модель электромеханической системы испытательного стенда, основанная на введении экспериментальных характеристик;

- температурная модель стенда.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке метода расчета стенда, представляющего собой совокупность приемов расчета и выбора параметров его механической и электромагнитной систем, системы управления, а также расчета погрешности стенда. В разработке модели функционирования стенда, основанной на введении в расчетную модель экспериментальных характеристик стенда. В разработке температурной модели стенда, созданной на основе анализа его конструкции и конвекционных потоков.

Практическая значимость работы заключается в том, что теоретические исследования доведены до методик практических расчётов, позволяющих проектировать стенды с подобной кинематической схемой на основе заданных характеристик. Результаты работы над диссертацией нашли практическое применение при разработке стенда, эксплуатируемого в ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор» и создаваемого по заказу ОАО «Авангард» (приложение Д).

В работе использовались основные положения математики, теоретической механики, теории расчета электромагнитных цепей, теории тепловых расчетов и теории автоматического управления. Математическое моделирование, расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнены с помощью ПЭВМ и программных комплексов MS Excel, Matlab Simulink, PRO/Engineer, Elcut и CFdesign на базе численных методов.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- модель электромеханической системы испытательного стенда;

- алгоритмы системы управления испытательного стенда;

- метод расчета испытательного стенда;

- методика аттестации испытательного стенда.

Новизна основных положений, выносимых на защиту подтверждается анализом патентных материалов и научно-технической литературы по данной теме.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, подтверждается использованием обоснованных методов исследования и сходимостью расчетных и экспериментальных характеристик опытного образца стенда.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на XX международной научно-технической конференции «Экстремальная робототехника. Нано - микро- и макророботы» (2009), XII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (2010), втором международном симпозиуме «Механические измерения и испытания» (2010), XIX международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (2010), третьей Всероссийской научно-технической конференции «Измерения и испытания в судостроении и смежных отраслях» (2010), международном научно-техническом семинаре «Робототехника. Взгляд в будущее» (2010), XIII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (2011), XIV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» (2012), четвертой Всероссийской научно-технической конференции «Измерения и испытания в судостроении и смежных отраслях» (2012). По результатам диссертации опубликовано 5 статей, 4 из которых в рецензируемых журналах.

На основании материалов работы спроектирован, изготовлен и аттестован опытный образец испытательного стенда для динамической калибровки современных микромеханических датчиков.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Анализ режимов работы микромеханических инерциальных датчиков

Наиболее широко применяемыми микромеханическими инерциальными датчиками (ММД) являются ММГ и ММА. На их основе строятся инерциальные измерительные модули (ИИМ). На рисунке 1 приведен общий вид современных ММГ, ММА и ИИМ.

Рисунок 1 - ММА, ММГ и ИИМ. Общий вид

ММД находят все более широкое применение в гражданской и военной технике, в первую очередь, благодаря малым габаритам и массе [13,36]. Миниатюрные датчики незаменимы при использовании в качестве чувствительных элементов систем управления малогабаритных подвижных объектов. В таблице 1 приведены ориентировочные габаритные размеры и масса современных ММД [48, 50, 52].

Таблица 1 - Размеры и масса современных ММД

Тип ММД Габаритные размеры, мм (ШхВхГ) Масса, г

ММГ 7x7x3 <1

ММА 3x3x1 <1

ИИМ 23x23x23 16

Из таблицы 1 видно, что массогабаритные характеристики позволяют установить ММД практически на любой объект управления. Кроме того, микродатчики на основе кремниевых структур обладают высокой ударопрочностью - стандартные изделия способны выдерживать ударную нагрузку не менее 2 ООО g [49,

51], что является особенно актуальным для военных применений. Также, к достоинствам ММД можно отнести относительно низкую цену. Микромеханические изделия изготавливаются по групповой технологии, близкой к изготовлению полупроводниковых микросхем. Стоимость большинства ММА и ММГ не превышает соответственно единицы и десятки долларов, а цена на ИИМ находится в пределах 500-1000$ [48, 50, 52].

Однако точность ММД является низкой, что ограничивает их применение. На рисунке 2 приведена диаграмма, отражающая область применения микромеханических гироскопов, обусловленную характеристиками точности, в сравнении с другими типами современных гироскопов [36].

Стабильность скорости дрейфа, .. ,°/час Рисунок 2 - Характеристики точности гироскопов.

Из приведенной диаграммы следует, что из-за значительного дрейфа нуля ММГ не может быть использован для решения задач автономной навигации. Однако, широкое распространение получили микромеханические бесплатформенные инерциальные навигационные системы (БИНС), в которых показания ММГ корректируются по сигналу глобальной системы позиционирования (GPS). Точность подобной системы не уступает автономным навигационным системам, построенным на волоконно-оптических и других гироскопах. При автономном функцио-

нировании, точностные характеристики ММГ удовлетворяют требованиям большинства применений, в таких областях как:

- автомобильные