Другие журналы
|
научное издание МГТУ им. Н.Э. БауманаНАУКА и ОБРАЗОВАНИЕИздатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211. ISSN 1994-0408![]()
77-30569/283810 Способы компенсации смещения нуля емкостного датчика электростатического подвеса
# 12, декабрь 2011 УДК 621.31(075.8) Наличие ненулевого сигнала емкостного датчика перемещений приводит к нежелательному смещению чувствительного элемента из геометрического центра подвеса и возрастанию погрешностей прибора. В работе рассматривается способ автоматической компенсации ненулевого сигнала датчика, основанный на использовании межканальных связей электростатического подвеса.
В электростатическом гироскопе ротор, представляющий собой сферическое проводящее тело, помещен в вакуумную полость и раскручен до номинальных оборотов. На поверхности полости расположены электроды, на которые подаются регулируемые высоковольтные потенциалы. Существуют различные конфигурации электродных систем. Например, на рис. 1 показана условная схема трехосного сферического подвеса с электродами в виде правильных сферических сегментов. Рис. 1. Трехосный электростатический подвес Пара электродов (1, 3) обеспечивает центрирование сферического ротора по оси x, а пары (2, 4), (5, 6) – по осям yи z соответственно. Оптимальные характеристики электростатического гироскопа достигаются в случае, когда взвешиваемое тело представляет собой идеальную сферу, геометрический центр которой совпадает с геометрическим центром электродной системы. При отклонении ротора от сферичности, несбалансированности ротора, а также при смещениях ротора из геометрического центра подвеса появляются нежелательные уводящие моменты [1], снижающие точность прибора. Устранение несферичности и несбалансированности ротора происходит на этапе изготовления, минимизация же смещения ротора из центра подвеса обеспечивается системой стабилизации положения ротора. Электростатический подвес включает в себя несколько каналов стабилизации. Каждый канал стабилизации подключен к паре диаметрально противоположных электродов. Так, например, в сферическом подвесе, рис. 1, таких каналов три. Функциональная схема одного канала показана на рис. 2 и включает емкостной датчик перемещений (ДП), корректирующее и усилительное устройство (КУ) и высоковольтный формирователь регулируемых потенциалов (ВВФ) на электродах подвеса. Рис. 2. Функциональная схема канала подвеса
Основным назначением контура стабилизации является автоматическое сведение к нулю (с точностью до статической ошибки) рассогласования между текущей координатой центра ротора В электростатических подвесах нашли применение в основном мостовые и резонансные датчики. Для измерения перемещений используется высокочастотный сигнал, отличающийся по частоте на два и более порядка от силового сигнала. В ряде работ, относящихся к исследованию емкостных датчиков перемещений электростатических подвесов, в частности в работе [2], показано, что сигнал датчика имеет структуру
где kдx - масштабный коэффициент (крутизна), а Uдx0 - ненулевой сигнал датчика. Ненулевой сигнал датчика объясняется [2], в основном, неравенством паразитных емкостей Основным способом компенсации смещения нуля до сих пор являлось дополнительное симметрирование плеч датчика по паразитным емкостям. Представим выходной сигнал датчика (1) в виде
где Оценки, приведенные в [2], показывают, что на 1 пФ рассогласования паразитных емкостей приходится примерно 0,5 - 1 мкм смещения нуля датчика. Как уже отмечалось ранее, система стабилизации положения ротора построена так, чтобы свести к нулю сигнал датчика перемещений Известные методики симметрирования основаны на использовании эталонных емкостей. К датчику перемещений вместо электродов прибора Во-первых, невозможно точно подобрать равными друг другу эталонные емкости. Даже использование прецизионных емкостей и их предварительный отбор не позволяет подобрать эталонные емкости точнее 0,1 пФ. Методика компенсации может быть немного усовершенствована, чтобы минимизировать влияние разброса эталонных емкостей. Для этого проводятся два измерения. В первом измерении устанавливают Во-вторых, смещение нуля, как было показано в [2], нелинейно зависит не только от паразитных емкостей, но и от реальных величин ротор-электродных емкостей при центральном положении ротора Подводя итог сказанному, можно утверждать, что существующие способы компенсации ненулевого сигнала емкостного датчика перемещений не позволяют совместить электрический ноль датчика и геометрический центр подвеса точнее нескольких десятых долей микрометра. Для более точной компенсации необходимо получить сигнал об истинном смещении ротора относительно геометрического центра подвеса, а не о его смещении относительно электрического нуля датчика. Один из путей решения этой проблемы предложен в работе [3], где используется информация с ортогональных осей подвеса при построении двухконтурной системы стабилизации положения ротора. Используем подход, описанный в [3], для другой цели, а именно – минимизации ненулевого сигнала датчика перемещений. Для математического обоснования данного метода рассмотрим упрощенное (пренебрегаем в силу малости взаимными коэффициентами электростатической индукции и потенциалом ротора) выражение проекции силовой характеристики трехосного сферического электростатического подвеса на ось x, полученное в работе [4]
В выражении (3)
Законы управления потенциалами
где При центральном положении ротора потенциалы на электродах оси xравны Рассматривая законы управления потенциалами в форме (4), перепишем (3) как
Проанализируем более подробно отдельные составляющие выражения (5). Первое слагаемое Для нас особый интерес составляет последнее, четвертое слагаемое
Хотя составляющая силы (6) и пропорциональна смещению центра x0, выделить ее из общего выражения силы (5) не представляется возможным. Введем к канал стабилизации по оси y синусоидальное возбуждающее воздействие а квадрат приращения Один из вариантов выработки компенсирующего сигнала представлен на функциональной схеме, рис. 3. Здесь показаны только каналы подвеса xи y. Генератор синусоидального сигнала вводит в канал y возбуждающий синусоидальный сигнал на частоте Компенсирующий сигнал Рис. 3. Схема получения компенсирующего сигнала
Интегрирование начинается в момент включения возбуждающего генератора Аналогичным образом (путем введения возбуждения в каналы xи z) могут быть установлены величины компенсирующих сигналов Оценим уровень сигналов, возникающих при воздействии синусоидального возмущения, для подвеса, имеющего следующие основные параметры: радиус ротора α = 20мм, зазор при центральном положении ротора h = 120 мкм, угловой размер электрода Оценка проводилась с использованием нелинейной многосвязной модели подвеса, выполненной в среде моделирования Симулинк, пакета Матлаб 2006. В канал подвеса x вводилось возбуждение с амплитудой 0.25 В и частотой Рис. 4. Результаты имитационного моделирования
Выводы. Проведенные расчеты и результаты моделирования показывают, возможность и целесообразность применения данной методики для прецизионной выставки нулей емкостных датчиков перемещений электростатических подвесов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Мартыненко Ю. Г. Движение твердого тела в электрических и магнитных полях. М.: Наука, 1988. 2. С. А. Васюков, Г. Ф. Дробышев. Алгоритмы управления потенциалами на электродах электростатического подвеса//Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение.-2007.- №2.-С.69-81. 3. Пат. 3954024 США, МКИ G16C 19/30. Automatic adaptive centering apparatus for electrically supported inertial instruments / R. S. Staats (США); Honeywell Ink. (США) - № 518028; Заявлено 25.10.74; Опубл. 04.05.76; НКИ 74. 5. 41. 4. С. А. Васюков. О влиянии законов управления потенциалами на силовые характеристики сферического электростатического подвеса//Наука и образование. Инженерное образование. Электронное научное издание.- www. .ru.- октябрь, 2007, 25 С. 5. С. А. Васюков, Г. Ф. Дробышев. Распределение потенциала и коэффициенты электростатической индукции в сферическом электростатическом подвесе //Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Сер. Фундаментальные науки.-2007.-№ 2.-С.101-112. Публикации с ключевыми словами: электростатический подвес, потенциал ротора, случайный заряд Публикации со словами: электростатический подвес, потенциал ротора, случайный заряд Смотри также:
Тематические рубрики: Поделиться:
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|