Универсальный широкодиапазонный стенд для контроля измерителей угловой скорости

Универсальный широкодиапазонный стенд для контроля измерителей угловой скорости

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к средствам контроля датчиков угловой скорости (ДУС).

Известен широкодиапазонный стенд [12] для контроля измерителей угловой скорости, содержащий корпус, вал, установленный в корпусе с возможностью вращения, закрепленную на валу основную платформу для установки измерителя угловых скоростей, электродвигатель постоянного тока, содержащий датчик положения и двигатель бесконтактный, выполненные в виде синусно-косинусных вращающих трансформаторов, причем датчик положения имеет один вход и два выхода, а двигатель бесконтактный имеет два входа; усилитель мощности электродвигателя постоянного тока, содержащий предварительный усилитель с одним входом и одним выходом и два усилителя мощности, каждый из которых имеет один вход и один выход, причем выход предварительного усилителя соединен с входом датчика положения, один выход которого соединен с входом первого усилителя мощности, а второй выход с входом второго усилителя мощности, выход каждого усилителя мощности соединен с соответствующей обмоткой двигателя бесконтактного; четыре датчика Холла и взаимодействующий с ними магнит, кольцевой коллектор, состоящий из коллекторной втулки и щеток для подвода питания, дополнительную платформу, закрепленную на валу, шесть кварцевых маятниковых акселерометров, гироскопический датчик угловой скорости, цилиндрическую втулку, стержень, ленточный торсион, упругий торцевой токоподвод, два геркона, взаимодействующий с герконами магнит, механизм отслеживания, компьютер, аналоге - цифровой преобразователь, плату цифровых портов ввода - вывода, усилитель системы стабилизации с сумматором, входящим в его состав, блок управления механизмом отслеживания, причем гироскопический датчик угловой скорости и акселерометры закреплены на дополнительной платформе, оси чувствительности трех акселерометров для измерения тангенциального ускорения перпендикулярны соответствующим радиусам дополнительной платформы, а оси чувствительности трех акселерометров для измерения центростремительного ускорения ориентированы вдоль соответствующих радиусов дополнительной платформы, каждый акселерометр содержит кварцевую пластину, емкостной датчик угла и магнитоэлектрический датчик момента, соединенные последовательно через соответствующие усилители обратной связи, каждый из которых содержит предварительный усилитель, фазочувствительный выпрямитель, корректирующий контур и усилитель мощности, гироскопический датчик угловой скорости содержит датчик угла и датчик момента, соединенные последовательно через усилитель обратной связи, содержащий предварительный усилитель, фазочувствительный выпрямитель, корректирующий контур и усилитель мощности, а ось чувствительности гироскопического датчика угловой скорости параллельна оси вала, упругий торцевой токоподвод содержит верхнюю и нижнюю колодки и золотые проводники подвода питания, прикрепленные к колодкам, два геркона закреплены на нижней колодке с обеспечением угла 8 градусов между контактами герконов, магнит закреплен на верхней колодке в среднем положении между контактами герконов, цилиндрическая втулка подвешена в корпусе на шарикоподшипниковых опорах соосно с валом, проходящим внутри цилиндрической втулки, верхняя колодка упругого торцевого токоподвода закреплена на валу, а нижняя колодка - на цилиндрической втулке, вал выполнен полым на одном участке своей длины, ленточный торсион размещен в полости вала и прикреплен нижним концом к торцу полого участка вала, а верхним концом к середине стержня, который расположен перпендикулярно оси вала, проходит через отверстия цилиндрического полого участка вала и прикреплен двумя концами к торцам цилиндрической втулки, жестко соединенной с коллекторной втулкой, механизм отслеживания содержит импульсный шаговый двигатель и зубчатую передачу, при этом шаговый двигатель прикреплен к корпусу через амортизатор, выходное звено зубчатой передачи закреплено на цилиндрической втулке соосно с ней, блок управления механизмом отслеживания имеет два входа, соединенных с герконами, и четыре выхода, соединенных с обмотками импульсного шагового двигателя, причем для регистрации угла разворота платформы в фиксированных точках четыре датчика Холла располагаются через каждые 90° на корпусе стенда, а взаимодействующий с ними магнит - на основной платформе стенда [7, 12]. Недостатки аналога заключаются в следующем.

1. Акселерометры, измеряющие центростремительное ускорение точек их крепления к платформе стенда, используемые в высокоскоростном режиме как измерители угловой скорости, измеряли квадрат угловой скорости (а_ц=ω²·R), что приводило к зависимости полосы пропускания и величины масштабного коэффициента стенда от угловой скорости, это приводило к необходимости обеспечивать калибровку установки в каждом скоростном диапазоне;

2. Так как фотоэлектрические муаровые датчики угла имеют динамические ошибки, возрастающие при увеличении угловой скорости свыше 30°/с, то их применение в данной конструкции стенда было нецелесообразным, а в качестве измерителей угла использовались четыре датчика Холла, позволяющие точно фиксировать угол через каждые 90° при условии совершения платформой стенда полного оборота, однако точное значение угла в любой точке разворота платформы получить прямым способом измерения было невозможно [12].

3. Стенд обладал аналоговой обратной связью, что исключало ее модернизацию без изменения элементной базы и структуры, а, соответственно, в конечном счете при изменении каких - либо параметров стенда (как, например, момента инерции платформы, корректировки динамических свойств системы управления), требовало разработки новой математической модели и проектирования нового электронного устройства, обеспечивающего устойчивость стенда как системы автоматического управления.

4. Стенд имел возможность задания либо постоянных по величине и направлению, либо гармонически изменяющихся угловых скоростей, но не имел возможности программного задания угловых колебаний платформы по любому требуемому закону.

5. ЭВМ в стенде являлась регистрирующим, но не управляющим устройством, что было обусловлено развитием вычислительной техники в момент подачи заявки на аналог, а также недостаточными ресурсами процессора, это значительно ограничивало возможности стенда.

Известен стенд для контроля прецизионных датчиков угловых скоростей, содержащий основание для закрепления на нем с возможностью вращения вокруг измерительной оси стенда контролируемого измерителя угловой скорости с датчиками угла и момента, соединенными через усилитель обратной связи и расположенными по выходной оси датчика угловой скорости, коллектор подвода питания к контролируемому датчику угловой скорости, задатчик эталонного напряжения, сумматор и усилитель стабилизации, соединенные последовательно, фотоэлектрический муаровый датчик угла, расположенный на оси вращения стенда, фазовый интерполятор и блок преобразования информации фотоэлектрического датчика угла, соединенные последовательно, блок преобразования информации датчика угловой скорости, электродвигатель постоянного тока, выполненный по бесконтактной схеме синусно-косинусного вращающего трансформатора, когда вход блока преобразования информации датчика угловой скорости и первый вход сумматора соединены с выходом усилителя обратной связи, а выход задатчика эталонного напряжения соединен со вторым входом сумматора, причем первый, второй и третий выходы усилителя стабилизации соединены с первым, вторым и третьим входами электродвигателя постоянного тока, первый и второй выходы которого соединены со вторым и третьим входами усилителя стабилизации [7, 17]. Таким образом стенд был построен по аналогии с одноосным гироскопическим стабилизатором, работающем в режиме пространственного разворота и датчиком угловой скорости в качестве инерциального чувствительного элемента, где контролируемый ДУС одновременно являлся и чувствительным элементом, и испытуемым прибором, т.е. находился в режиме «самоконтроля».

Недостатки аналога заключались в следующем. Стенд был предназначен для контроля ДУС только одного типа - электромеханических датчиков угловой скорости с электрической обратной связью, а испытания измерителей угловой скорости иного класса и принципа действия, таких как лазерные, волоконно-оптические, волновые твердотельные и др., на данном стенде были невозможны.

Стенд рассчитывался как единая двухконтурная аналоговая система автоматического управления, т.е. «самоконтролю» могли подвергаться электромеханические измерители угловой скорости лишь одного типа с неизменной структурой регулятора. Контроль электромеханического ДУС другого типа с иной структурой регулятора требовал пересчета всей системы управления. Остальные недостатки аналога соответствуют пунктам 2-5 рассмотренного выше технического решения.

В качестве прототипа к заявляемому принят наиболее близкий по совокупности существенных признаков широкодиапазонный стенд для контроля измерителей угловых скоростей [9, 13], содержащий корпус, вал, установленный в корпусе с возможностью вращения, закрепленную на валу основную платформу для установки измерителя угловых скоростей, электродвигатель постоянного тока, усилитель мощности, кольцевой коллектор, состоящий из коллекторной втулки и щеток для подвода питания, дополнительную платформу, закрепленную на валу, шесть акселерометров линейных ускорений, три из которых измеряют тангенциальное, а три - центростремительное ускорения точек их крепления к платформе стенда, оси чувствительности которых расположены под углами 120° друг относительно друга для каждой тройки акселерометров, причем каждый из акселерометров имеет датчик угла, датчик момента и усилитель обратной связи, измерительный гироскопический датчик угловой скорости с сервисной электроникой, ось чувствительности которого совмещена с осью вращения вала, цилиндрическую втулку, стержень, ленточный торсион, упругий торцевой токоподвод, два геркона, взаимодействующий с герконами магнит, механизм отслеживания, причем упругий торцевой токоподвод содержит верхнюю и нижнюю гетинаксовые колодки и золотые проводники подвода питания, прикрепленные к колодкам, два геркона закреплены на нижней колодке с обеспечением угла 8 градусов между контактами герконов, магнит закреплен на верхней колодке в среднем положении между контактами герконов, цилиндрическая втулка подвешена в корпусе на шарикоподшипниковых опорах соосно с валом, проходящим внутри цилиндрической втулки, верхняя колодка упругого торцевого токоподвода закреплена на валу, а нижняя колодка - на цилиндрической втулке, вал выполнен полым на одном участке своей длины, ленточный торсион размещен в полости вала и прикреплен нижним концом к торцу полого участка вала, а верхним концом к середине стержня, который расположен перпендикулярно оси вала и проходит через отверстия цилиндрического полого участка вала, он прикреплен двумя концами к торцам цилиндрической втулки, жестко соединенной с коллекторной втулкой, механизм отслеживания содержит импульсный шаговый двигатель и зубчатую передачу, при этом шаговый двигатель прикреплен к корпусу через амортизатор, выходное звено зубчатой передачи закреплено на цилиндрической втулке соосно с ней, блок управления механизмом отслеживания имеет два входа, соединенных с герконами, и четыре выхода, соединенных с обмотками импульсного шагового двигателя, причем выходы левого и правого герконов, закрепленных на нижней колодке упругого торцевого токоподвода, соединены, соответственно, с первым и вторым входом микроконтроллера, входящего в состав блока управления механизмом отслеживания стенда, состоящего из микроконтроллера, драйвера управления и усилителя мощности, а четыре выхода микроконтроллера соединены с четырьмя входами драйвера управления, четыре выхода которого соединены с четырьмя входами усилителя мощности, четыре выхода которого, в свою очередь, соединены с четырьмя соответствующими обмотками шагового двигателя механизма отслеживания стенда, порт ввода - вывода микроконтроллера соединен с пятым портом ввода - вывода управляющего процессора, при этом микроконтроллер находится в режиме обмена с процессором через стандартный интерфейс; управляющий процессор, содержащий в том числе порты ввода-вывода и ядро с дополнительной периферией, аналого-цифровой и цифроаналоговые преобразователи, которые могут быть как встроенными в процессор, так и внешними устройствами по отношению к процессору; вход предварительного усилителя мощности соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, соединенного своим входом с первым портом ввода-вывода управляющего процессора; управляющий компьютер, находящийся в режиме обмена через стандартный интерфейс с третьим портом ввода-вывода управляющего процессора; угловой энкодер, содержащий диск и две считывающие оптические головки, которые через преобразователь сигнала соединены с четвертым портом ввода-вывода управляющего процессора, причем для съема информации применена пара считывающих оптических головок, расположенных под углом 180°, для исключения влияния эксцентриситетов крепления диска углового энкодера на выходную информацию об угловом положении платформы стенда.

Недостатки прототипа заключаются в следующем:

1. Моменты трения по оси вращения вала имели две составляющие: момент трения в шарикоподшипниковых опорах подвеса вала и момент трения в щетках коллектора. Механизм отслеживания обеспечивал разгрузку шарикоподшипниковых опор от веса платформы, что минимизировало первую составляющую момента трения, однако, коллектор подвода питания имел, как правило, много колец, некоторые из которых должны были быть рассчитаны на значительные величины токов, что создавало значительную величину второй составляющей момента от трения щеток и колец подвода питания.

2. Точностные характеристики стенда зависели от точностных характеристик инерциальных чувствительных элементов и в случае их замены требовались изменение конструкции стенда и пересчет дискретных регуляторов.

3. В случае испытания на стенде измерителя угловой скорости более высокого класса точности, нежели инерциальные чувствительные элементы, возрастали погрешности в определении масштабного коэффициента контролируемого прибора.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей стенда, универсализация его конструкции и снижение моментов трения, действующих по оси вращения вала, обеспечивающего повышение точности воспроизведения угловых скоростей.

Поставленная задача достигается тем, что в универсальный широкодиапазонный стенд для контроля измерителей угловой скорости, содержащий корпус, вал, установленный в корпусе с возможностью вращения, закрепленную на валу основную платформу, на которой установлен контролируемый измеритель угловых скоростей (испытуемый прибор), электродвигатель постоянного тока, первый усилитель мощности (УМ1); кольцевой коллектор, дополнительную платформу, закрепленную на валу, на которой установлены шесть акселерометров, первая тройка из которых обеспечивает измерение тангенциального, а вторая тройка - центростремительного ускорения, оси чувствительности которых расположены под углами 120° друг относительно друга для каждой тройки акселерометров, измерительный датчик угловой скорости (ИУС), ось чувствительности которого совмещена с осью вращения вала; цилиндрическую втулку, стержень, ленточный торсион, упругий торцевой токоподвод, два геркона, магнит, механизм отслеживания, причем токоподвод содержит верхнюю и нижнюю колодки, и золотые проводники подвода питания, прикрепленные к колодкам, два геркона, закрепленные на нижней колодке и образующие угол, при котором исключена возможность разрыва или замыкания проводников токоподвода, взаимодействующий с герконами магнит закреплен на верхней колодке между контактами герконов, цилиндрическая втулка подвешена в корпусе на шарикоподшипниковых опорах соосно с валом, проходящим внутри втулки, верхняя колодка токоподвода закреплена на валу, а нижняя колодка - на цилиндрической втулке, вал выполнен полым на одном участке своей длины, ленточный торсион размещен в полости вала и прикреплен нижним концом к торцу полого участка вала, а верхним концом к середине стержня, который расположен перпендикулярно оси вала, проходит через отверстия цилиндрического полого участка вала и прикреплен двумя концами к торцам цилиндрической втулки, жестко соединенной с втулкой коллектора, механизм отслеживания, содержащий импульсный шаговый двигатель и зубчатую передачу, при этом шаговый двигатель прикреплен к корпусу через амортизатор, выходное звено зубчатой передачи закреплено на цилиндрической втулке соосно с ней; блок управления механизмом отслеживания, состоящий из первого микроконтроллера, драйвера управления и второго усилителя мощности (УМ2); управляющего процессора, причем выходы левого и правого герконов соединены, соответственно, с первым и вторым входом первого микроконтроллера (МК1), при этом четыре выхода МК1 соединены с четырьмя входами драйвера управления, четыре выхода которого соединены с четырьмя входами УМ2, четыре выхода которого соединены с четырьмя соответствующими обмотками шагового двигателя, порт ввода-вывода (ПВВ) МК1 соединен с ПВВ5 управляющего процессора; вход УМ1 соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, соединенного своим входом с ПВВ1 управляющего процессора; управляющий компьютер, ПВВ2 которого связан с ПВВ3 управляющего процессора через стандартный интерфейс; угловой энкодер, содержащий диск и две считывающие оптические головки, которые через первый преобразователь сигнала соединены с ПВВ4 управляющего процессора, причем указанные головки расположены под углом 180°, выход контролируемого измерителя угловых скоростей связан с входом второго преобразователя сигнала (через коллектор или дистанционно). Отличительной особенностью предлагаемого технического решения является то, что в стенд введены; блок преобразования напряжения питания (БПНП), блок преобразования информации (БПИ), содержащий семиканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), шину БПИ и второй микроконтроллер (МК2) с передатчиком, закрепленные на дополнительной платформе; приемник сигналов, закрепленный неподвижно на основании стенда, при этом вход преобразователя напряжения питания через линии упругого торцевого токоподвода и контакты коллектора соединен с выходом стационарного источника питания, а выходы преобразователя напряжения соединены с соответствующими входами БПИ и МК2, закрепленных на валу; входы шины БПИ соединены с выходами ИУС и каждого из шести акселерометров, с первого по седьмой выходы шины БПИ соединены соответственно, с первым по седьмой входами ПЛИС, а выходы с восьмого по четырнадцатый шины БПИ соединены, соответственно, с первым по седьмой входами АЦП; выходы с первого по седьмой ПЛИС соединены с первым по седьмой входами МК2, а выходы с первого по седьмой АЦП соединены, соответственно, с восьмым по четырнадцатый входами МК2; выход приемника сигнала соединен с ПВВ2 управляющего процессора.

Совокупность существенных признаков, характеризующих заявляемое техническое устройство, позволяет в сравнении с прототипом достигнуть технический результат, заключающийся в следующем:

1. Обеспечивается универсальность стенда, так как без конструктивных изменений, только за счет перепрограммирования процессора, можно обеспечить использование в качестве инерциальных чувствительных элементов стенда измерителей угловых скоростей и кажущихся линейных ускорений любого физического принципа действия;

2. Уменьшены моменты трения в оси вращения стенда, т.е. повышена стабильность задания угловой скорости за счет исключения из конструкции стенда информационных колец токоподводящего коллектора (оставлены два кольца для подвода питания) и введения в систему управления стенда беспроводной системы съема и передачи информации с помощью радиочастотных или инфракрасных информационных средств.

3. Исключена зависимость точностных характеристик стенда от типов инерциальных чувствительных элементов, примененных в качестве измерительных датчика угловой скорости и кажущихся линейных ускорений.

4. Применение радиочастотного или инфракрасного информационного канала позволяет существенно сократить число соединений в электрической схеме стенда, и при этом исключаются ошибки передачи данных, возникающие вследствие возможной потери контакта в щеточном узле токоподводящего коллектора.

5. Применение углового энкодера в качестве управляющего устройства и введение рассчитанного эталонного значения угловой скорости в контур управления позволяет организовать дополнительную обратную связь по угловой скорости, а, соответственно, улучшить точностные характеристики стенда за счет организации управления от датчиков, имеющих различную физическую природу действия.

6. Применение углового энкодера в качестве управляющего устройства позволяет обеспечить третий режим работы стенда на высоких скоростях до 10000°/с, когда управление осуществляется по сигналам с углового энкодера и трех акселерометров, измеряющих тангенциальное ускорение точек их крепления к платформе стенда.

7. Конструкция стенда позволяет осуществлять не только контроль испытуемых приборов, закрепленных на его платформе, но и «самоконтроль» инерциальных чувствительных элементов - измерителей угловых скоростей любого класса и принципа действия.

8. Конструкция стенда позволяет осуществлять контроль акселерометров в случае использования в системе управления стендом двух акселерометров, измеряющих центростремительное ускорение точек их крепления к платформе стенда, третий акселерометр может использоваться в качестве испытуемого прибора, т.е. стенд может выполнять роль центрифуги.

На фиг.1 представлена функционально - кинематическая схема предлагаемого стенда.

Предлагаемое устройство содержит корпус (на фиг.1 не показан), вал 1, имеющий ось вращения относительно корпуса, реализованную на шарикоподшипниках 2, которая является выходной осью стенда. На валу 1 закреплена платформа 3, на которой установлен контролируемый измеритель угловых скоростей (испытуемый прибор) 4. На валу 1 закреплена дополнительная платформа 8, на которой размещены все чувствительные элементы стенда: акселерометры 5, 6 и измерительный датчик угловой скорости - 7. При этом акселерометры 5 в количестве трех закреплены так, что измеряют тангенциальное ускорение. Для этих акселерометров введены обозначения 1τ, 2τ, 3τ. В дальнейшем эти акселерометры (1τ, 2τ, 3τ) будут называться тангенциальными. Оси чувствительности акселерометров 5 лежат в плоскости дополнительной платформы 8 перпендикулярно радиусам R-₁ акселерометров 5. Радиусы R₁ акселерометров 5 (1τ, 2τ, 3τ) расположены под углами 120° друг к другу. Акселерометры 6 в количестве трех закреплены на дополнительной платформе 8 так, что измеряют центростремительное ускорение. Для этих акселерометров введены обозначения 1ц, 2ц, 3ц. В дальнейшем эти акселерометры (1ц, 2ц, 3ц) будут называться центростремительными. Оси чувствительности акселерометров 6 расположены в плоскости дополнительной платформы 8 коллинеарно радиусам R₂=R₁ акселерометров 6 в сторону, противоположную действию центростремительного ускорения. Радиусы R₂ акселерометров 6 (1ц, 2ц, 3ц) расположены под углами 120° друг к другу. В качестве акселерометров 5 и 6, измеряющих, соответственно, тангенциальное или центростремительные ускорения точек их крепления к платформе стенда могут быть использованы прецизионные измерители линейных ускорений любого типа (кварцевый маятниковый, кремниевый маятниковый, поплавковый, струнный). В качестве измерительного датчика угловой скорости (ИУС) 7 могут быть использованы поплавковый гироскопический датчик угловой скорости (ДУС), волоконно-оптический гироскоп (ВОГ), лазерный гироскоп (ЛГ), волновой твердотельный гироскоп (ВТГ), динамически настраиваемый гироскоп (ДНГ) со своей сервисной электроникой. ИУС 7 закреплен на платформе 8 так, что ось его чувствительности параллельна оси вращения стенда (оси вала 1) (в случае использования всех перечисленных типов гироскопов), а вектор кинетического момента Н параллелен плоскости платформы 8 (в случае использования ДУС и ДНГ). На валу 1 закреплена подвижная часть электродвигателя постоянного тока ДП-ДБ 9, состоящего из датчика положения ДП (9.1) и двигателя бесконтактного ДБ (9.2) Неподвижные части датчика положения (ДП) и двигателя бесконтактного (ДБ) соединены в одном корпусе, жестко закрепленном на корпусе стенда. Датчик положения (ДП) 9.1 представляет собой синусно-косинусный вращающий трансформатор с безобмоточным ротором (С1-С2 - обмотка возбуждения, С3-С4 - синусная обмотка, С5-С6 - косинусная обмотка). Двигатель бесконтактный 9.2 также имеет косинусную и синусную обмотки (С1-С2 и С3-С4) [13].

На фиг.2 представлена детализированная конструктивная схема соединения вала 1 с элементами, закрепленными на нем (ниже ДП-ДБ 9).

Вал 1 выполнен в виде трубы на длине L, которая соединена в единую строго соосную систему с верхней и нижней частями вала 1, имеющими сплошное сечение.

К торцу «А» полого участка вала 1 жестко прикреплен нижний конец торсиона 10, верхний конец которого жестко соединен со стержнем 11, расположенным горизонтально и своими концами соединенным жестко со втулкой 12. Стержень 11, располагаясь горизонтально, проходит через два отверстия полого участка вала 1, ось которых перпендикулярна оси вала 1, а диаметр отверстий допускает относительный разворот стержня 11 и вала 1 на углы, при которых исключен обрыв или замыкание проводников токоподвода (в опытном образце ±4°). В опытном образце ленточный торсион 10 имеет длину 200 мм и поперечное сечение b=4 mm, h=0,2 мм. Втулка 12 полая, подвешена в корпусе стенда на двух шарикоподшипниках 13. Внутри втулки 12 размещен торцевой упругий токоподвод 14 (на фиг.1 размещение токоподвода 14 показано условно, на фиг.2 это размещение соответствует конкретному исполнению).

Токоподвод 14 состоит из двух колодок с отверстиями, через которые проходят золотые проводники, концы которых закрепляются на торце каждой колодки. Проводники образуют цилиндрическую поверхность и в исходном положении колодок параллельны друг другу. Конструкции таких торцевых упругих токоподводов широко используются в гироскопическом приборостроении для подвода питания к элементам на осях карданова подвеса гироприборов [5]. Верхняя колодка токоподвода 14 жестко связана с валом 1, нижняя колодка токоподвода 14 жестко связана со втулкой 12. Со втулкой 12 жестко соединена втулка кольцевого многодорожечного коллектора 15, на которой выполнены золоченые кольцевые контактные дорожки. Щетки коллектора 15 жестко связаны с корпусом стенда. Со втулкой 12 соединено зубчатое колесо - выходное звено механизма отслеживания 16, содержащего одну зубчатую передачу с коэффициентом передачи i=10 и шаговый двигатель. В качестве шагового двигателя механизма отслеживания 16 применен шаговый двигатель ДШИ-200-1 реверсивный с электронным управлением, большим моментом на валу (2500 г·см без учета редукции) и магнитной фиксацией заданного углового положения. Конструкция таких шаговых двигателей описана в литературе [15, 16].

Механизм отслеживания 16 крепится к корпусу стенда через амортизирующую резиновую прокладку 17. На нижней колодке токоподвода 14 закреплены два геркона (герметичных контакта) 18, на верхней колодке токоподвода закреплен магнит 19. Герконы 18 расположены на одной окружности и под углом, при котором исключен обрыв проводников токоподвода (угол образуют линии проведенные от герконов до центра окружности; в опытном образце угол равен 8°). Магнит 19, закрепленный на верхней колодке токоподвода 14, находится в среднем положении между контактами. Магнит 19 и пара герконов 18 предназначены для регистрации углов положения и рассогласования верхней и нижней колодок токоподвода.

Для управления шаговым двигателем механизма отслеживания 16 служит блок управления механизмом отслеживания (БУМО) 20.

На фиг.3 показана система управления двигателем предлагаемого стенда, принцип работы которой описан в прототипе [13].

Первый усилитель мощности (УМ1) 21 содержит предварительный усилитель 22 и два идентичных каскада усилителя мощности - УМ_1.1 23 и УМ_1.2 2 24. Предварительный усилитель 22 предназначен для модуляции и усиления постоянного сигнала, поступающего от ЦАП 25, выполнен на базе операционного усилителя с применением в качестве ключевых элементов полевых транзисторов. Каждый из усилителей УМ_1.1 23 и УМ_1.2 24 представляет собой соединение устройств для детектирования, коррекции и усиления сигналов, т.е. состоит из модулятора, корректирующего устройства и усилителя мощности, реализованных на операционных усилителях с отрицательной обратной связью [1, 4, 14].

Каскады УМ1 21 - УМ_1.1 23 и УМ_1.2 24 и ДП-ДБ 9 соединены следующим образом. Выход предварительного усилителя (ПУ) 22 соединен с обмоткой возбуждения С1-С2 ДП. Обмотка ДП С3-С4 соединена с входом каскада УМ_1.1, а обмотка С5-С6 соединена с входом каскада УМ_1.2. Выходы каскадов УМ_1.1 и УМ_1.2 соединены, соответственно, с синусной и косинусной обмотками С1-С2 и С3-С4 ДБ.

На фиг.4 представлена структурная схема блока управления механизмом отслеживания (БУМО) 20, который содержит устройство управления 26, в качестве которого может быть использован первый микроконтроллер (МК1), первый и второй входы которого соединены, соответственно, с левым и правым герконами 18. На входах МК1 26 подключены шунтирующие резисторы 27 (R₁ и R₂) для исключения ложных срабатываний МК1 26 при разомкнутых герконах. МК1 26 содержит в своем составе генератор импульсов и порт ввода - вывода (ПВВ МК1). Четыре выхода МК1 26 соединены с четырьмя входами драйвера управления (ДрУ) 28, предназначенного для формирования требуемой последовательности коммутации обмоток шагового двигателя. Четыре выхода ДрУ 28 соединены с четырьмя входами второго усилителя мощности (УМ2) 29, четыре выхода последнего соединены с обмотками А_н, Б_н, В_н, Г_н шагового двигателя механизма отслеживания 16. Резисторы R₃ и R₄ - балансировочные. Порт ввода - вывода МК1 (ПВВ МК1) 26 БУМО 20 соединен с пятым портом ввода - вывода (ПВВ5) управляющего процессора 30 и находится с ним в режиме обмена через стандартный интерфейс.

На валу 1 (фиг.1) закреплен диск углового энкодера 31, считывающие головки которого закреплены на корпусе стенда. На дополнительной платформе, закрепленной на валу, установлены: блок преобразования напряжения питания (БПНП) 32, вход которого через линии упругого торцевого токоподвода 14 и контакты коллектора 15 соединен с выходом стационарного источника питания (источник на фиг.1 не показан), а выходы БПНП 32 соединены (соединение на фиг.1 не показано) с соответствующими входами (входами питания) блока преобразования информации (БПИ) и МК2.

На фиг.5 показана схема соединения закрепленных на дополнительной платформе, БПИ 35 с шиной 36 и МК2 37.

В состав БПИ 35 входят программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) 33 и семиканальный аналоге - цифровой преобразователь (АЦП) 34. Входы шины 36 БПИ (семь входов), соединены соответственно с выходом ИУС 7 и выходами акселерометров 5 и 6, а выходы шины БПИ 36 с первого по седьмой соединены соответственно с первым по седьмой входами ПЛИС 33 БПИ 35, соответственно, выходы с восьмого по четырнадцатый шины БПИ 36 соединены, соответственно, с первым по седьмой входами АЦП 34; выходы с первого по седьмой ПЛИС 33 БПИ 35 соединены с первым по седьмой входами МК2 37, а выходы с первого по седьмой АЦП 34 БПИ 35 соединены, соответственно, с восьмым по четырнадцатый входами МК2 37. МК2 выполнен с интерфейсом (передатчиком), обеспечивающим передачу информации в последовательном коде по инфракрасному или радиочастотному каналу (фиг.1). Закрепление на платформе стенда плат, реализующих перечисленные блоки, а также применение радиочастотного или инфракрасного канала для информационного обмена позволяют сократить число линий коллектора, необходимых для подвода питания к БПНП, что повышает точностные характеристики стенда, обусловленные:

- снижением момента трения от коллектора на оси вращения платформы, т.е. повышается стабильность задания угловой скорости;

- уменьшением длины линий электрических цепей от ИУС 7 и акселерометров 5 и 6 до электронного блока системы управления и уровня помех, поскольку не требуется передача маломощных сигналов через кольца коллектора.

На корпусе стенда закреплены также следующие элементы системы управления стендом:

- управляющий процессор 30, содержащий том числе порты ввода - вывода;

- приемник инфракрасного или радиочастотного сигналов 38, выход которого соединен со вторым портом ввода - вывода управляющего процессора 30;

- цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 25, который может быть как встроенным в управляющий процессор 30, так и быть по отношению к нему внешним устройством, причем вход ЦАП 25 (в случае внешнего устройства) соединен с первым портом ввода - вывода управляющего процессора 30;

- УМ1 21, вход которого соединен с выходом ЦАП 25, а выход - с обмотками ДП-ДБ9,

- первый преобразователь сигнала ПС1 39, вход которого соединен с выходом углового энкодера 31, а выход соединен с четвертым портом ввода-вывода управляющего процессора.

Связь контролируемого прибора с управляющим компьютером обеспечивается по одному из следующих вариантов:

1) вход второго преобразователя сигнала ПС2 40 связан через кольцевой коллектор с выходом контролируемого прибора 4, а выход ПС2 - с первым портом ввода-вывода управляющего компьютера 41.

2) выход контролируемого прибора связан с входом ПС2, установленного на платформе и содержащего передатчик с возможностью дистанционной передачи сигналов на управляющий компьютер 41.

Второй порт ввода - вывода управляющего компьютера 41 соединен через стандартный интерфейс с третьим портом ввода - вывода управляющего процессора 30.

Конструкция обеспечивает расширение диапазона задаваемых угловых скоростей за счет трех режимов работы стенда:

1 режим: от 0.01 до ω °/с, когда в качестве чувствительных элементов работают измеритель угловой скорости, три акселерометра, измеряющих тангенциальное ускорение точек их крепления к платформе стенда, и угловой энкодер, причем верхний диапазон измерения о определяется типом измерителя угловой скорости 7;

2 режим: от со до 1200 °/с, когда в качестве чувствительных элементов работают тройки акселерометров 5 и 6, измеряющих тангенциальное и центростремительное ускорения точек их крепления к платформе стенда, и угловой энкодер;

3 режим: от 1200 °/с до 10000 °/с, когда в качестве чувствительных элементов работают тройка акселерометров 5, измеряющая тангенциальное ускорение точек крепления акселерометров к платформе стенда и угловой энкодер.

Трехдиапазонный режим работы позволяет с высокой точностью контролировать практически все типы измерителей угловых скоростей: прецизионные (в первом режиме), средней точности (в первом и во втором режимах работы) и грубые, к которым относятся, например, микромеханические, роторные, стержневые гироскопы, работающие на больших диапазонах угловых скоростей (во втором и третьем режимах).

Стенд работает следующим образом: Управление режимами работы задает оператор от управляющего компьютера 41. Сигнал о смене режимов поступает с управляющего компьютера 41 в третий порт ввода - вывода управляющего процессора 30 через второй порт ввода - вывода ПВВ2 управляющего компьютера 41.

В управляющем процессоре 30 реализован алгоритм переключения диапазонов работы стенда. В зависимости от задаваемой оператором команды управляющий компьютер 30 подает команду на выбор режима задания угловых скоростей - низкоскоростного, среднескоростного либо высокоскоростного. Если выбран ни