Проектирование стенда для динамической калибровки микромеханических инерциальных датчиков

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТЕНДА ДЛЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ КАЛИБРОВКИ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ

А. Б. ЧЕКМАРЕВ

Микромеханические акселерометры, гироскопы и бесплатформенные инерциальные навигационные системы находят все более широкое применение в системах управления различными объектами. Оценка точностных характеристик указанных датчиков и систем может производиться только на специализированных стендах, воспроизводящих угловые скорости в заданном диапазоне частот. Известно достаточное количество стендов, воспроизводящих линейную вибрацию, однако стенды, реализующие угловую вибрацию в диапазоне частот до 120 Гц на рынке практически отсутствуют. В связи с этим, в ОАО ”Концерн ”ЦНИИ ”Электроприбор” ведутся работы по созданию такого испытательного стенда.

Анализ достоинств и недостатков различных принципиальных конструкций стендов показал, что для воспроизведения гармонических угловых колебаний целесообразно использовать специальный исполнительный механизм (рис.1).

Рисунок 1 - Схема построения испытательного стенда угловых колебаний, где: 1- поворотная платформа; 2 - электромагнит; 3 - шатун с катушкой управления; 4 - шарнир.

В основе работы стенда лежит преобразование осевых возвратно-поступательных движений подвижной катушки управления электромагнитного привода в угловые колебательные движения платформы. Конструктивной особенностью приведенной схемы является необходимость использования двухстепенного шарнира. Указанная схема была опробована ранее [1, 2]. В качестве силового элемента механизма предлагается использовать электромагнитный привод, широко применяемый в электродинамических вибростендах (рис. 2).

В отличие от типового линейного вибростенда с одним электромагнитным приводом, предлагается схема с двумя приводами. Это целесообразно с точки зрения повышения момента на валу платформы. Кроме того, такая схема позволяет компенсировать погрешности, вызванные конструктивными особенностями электромагнитов.

Рисунок 2 - Трехмерная модель электродинамического привода, где: 1 - магнитопровод, 2 - катушка намагничивания, 3 - подвижная катушка управления, 4 - планшайба.

Привод стенда конструктивно состоит из магнитопровода, катушки намагничивания (КН) и катушки управления (КУ). Постоянный ток, протекая по катушке 2, создает постоянное магнитное поле, которое концентрируется в пределах воздушного зазора магнитопровода 1. На катушку 3, помещенную в зазор магнитопровода электромагнита, при протекании по ней переменного тока будет воздействовать переменная сила Вследствие этого, КУ, жестко скрепленная с шатуном, приводится в возвратно-поступательное движение.

Аналитическое исследование электромагнитной системы стенда

Для осуществления обоснованного выбора параметров электромеханической системы, а также формирования метода проектирования стенда необходимо провести исследование влияния линейных размеров и площадей участков магнитопровода на параметры электромагнитного привода и динамические характеристики стенда.

Магнитопровод электромагнитного привода условно делится на 4 участка: 1 - сердечник, 2 - основание, 3 - стенка, 4 - полюс, а - ширина воздушного зазора, д - длина воздушного зазора (рис. 3).

Рисунок 3 - Схема участков магнитопровода.

Ввиду того, что сердечник конструктивно имеет наименьшую площадь поперечного сечения, он является участком, определяющим порог насыщения магнитопровода. Таким образом, диаметр сердечника ограничивает максимальный уровень индукции в воздушном зазоре магнитопровода.

Результаты исследования зависимости среднего значения индукции в воздушном зазоре электромагнита от диаметра сердечника приведены на рис. 4. Исследования проводились в программном комплексе для моделирования двумерных магнитных полей Elcut. Согласно приведенному графику, среднее по объему значение индукции в зазоре находится в линейной зависимости от диаметра сердечника. Таким образом, увеличение диаметра сердечника приведет к повышению силы электромагнитного привода. Однако, при увеличении диаметра сердечника существенно возрастает наружный диаметр магнитопровода и его масса. Кроме того, при большой индукции в пределах полюса, возрастает поле рассеяния, что нежелательно для объектов испытаний и потребует установки экрана с высоким коэффициентом экранирования.

Рисунок 4 - График зависимости индукции в зазоре от диаметра сердечника

Кроме того, увеличение диаметра сердечника приведет к увеличению индуктивности КУ и увеличению массы шатуна, что приведет к ухудшению моментных и динамических характеристик стенда. Исходя из проведенного анализа можно сделать вывод о том, что для повышения силы привода диаметр сердечника необходимо увеличивать. Ограничением диаметра сердечника являются допустимые габариты и масса магнитопровода, а также допустимое значение индукции поля рассеяния и индуктивности КУ.

Следует отметить, что увеличение длины провода КУ также приводит к увеличению силы привода. При этом может быть увеличена либо длина, либо высота намотки КУ с соответствующим увеличением ширины а и длины д воздушного зазора магнитопровода (рис. 3).

Увеличение длины зазора д сопровождается спадом среднего значения индукции в нем. На рис. 5 приведены результаты исследования зависимости среднего значения индукции в зазоре от его длины. Несмотря на то, что сердечник остается насыщенным при всех значениях длины зазора д, среднее значение индукции в воздушном зазоре уменьшилось в 2 раза.

Рисунок 5 - График зависимости индукции в зазоре и сердечнике от ширины воздушного зазора

Кроме того, при увеличении длины зазора д увеличиваются потоки утечки, поля рассеяния, индукция в зазоре распределяется менее равномерно, а силовые линии магнитного поля искривляются. Это приводит к появлению нелинейностей движения шатуна. С этой точки зрения, увеличение длины зазора д нецелесообразно.

Исследования показали, что увеличение высоты намотки КУ с соответствующим увеличением длины зазора д, несмотря на снижение индукции в нем, приводит к увеличению силы привода. Это объясняется тем, что при увеличении длины зазора д длина провода растет быстрее, чем снижается значение индукции в зазоре д. Ограничением длины зазора д и соответствующего увеличения высоты намотки КУ является рост электромагнитной постоянной времени вследствие увеличения индуктивности КУ, и увеличение момента инерции подвижной части.

Очевидно, что увеличение длины провода КУ приведет к увеличению ее массы и момента инерции подвижной части стенда. Исследования показали, что при этом, момент, создаваемый приводом, растет быстрее, чем динамический момент подвижной части стенда, обусловленный моментом инерции подвижной части.

Увеличение ширины зазора а также сопровождается спадом среднего значения индукции в нем. На рис. 6 приведены зависимости среднего значения индукции в сердечнике и в зазоре от ширины воздушного зазора а.

Рисунок 6 - График зависимости индукции в зазоре и сердечнике от длины воздушного зазора

Из графика видно, что при увеличении ширины зазора а в 3 раза, спад индукции составил 30%. Спад вызван тем, что при увеличении площади зазора, его сопротивление снижается, а магнитный поток в цепи растет. При насыщении магнитопровода магнитный поток перестает увеличиваться пропорционально площади зазора и среднее значение индукции падает.

Очевидно, что в зазор в 3 раза большей ширины можно поместить провод в 3 раза большей длины, что приведет к увеличению силы привода. Таким образом, можно сделать вывод о том, что увеличение длины намотки КУ с соответствующим увеличением ширины зазора а приведет к повышению силы привода. Увеличение ширины зазора а является предпочтительным, так как не приводит к негативным эффектам, возникающим при увеличении длины зазора д.

Анализ влияния шихтовки магнитопровода на характеристики стенда

Так как по КУ протекает переменный ток, необходимо учитывать влияние магнитопровода на ее индуктивность, а так же нагрев магнитопровода вихревыми токами.

Индуктивность L КУ с ферромагнитным сердечником вычисляется по формуле:

L=Gщ²

где щ - число витков катушки управления;

G - проводимость пути замыкания магнитного потока Ф КУ.

Из схемы замыкания потока КУ, приведенной на рис. 7 следует, что для снижения магнитной проводимости целесообразна шихтовка поперек направления линий магнитного потока. Эквивалентный немагнитный зазор, получающийся вследствие наличия клеевого и лакового слоя может доходить до нескольких миллиметров. Снижение проводимости пути замыкания магнитного потока КУ приведет к уменьшению ее индуктивности.

Рисунок 7 - Схема замыкания потока КУ

В связи с этим, предлагается шихтовка по схеме с полюсными наконечниками (рис. 8).

Рисунок 8 - Схема шихтовки с полюсными наконечниками.

Использование подобной шихтовки также приведет к снижению нагрева от вихревых токов. Так как вихревые токи индуцируются в основном в верхних слоях металла, для снижения их величины полюсный наконечник предлагается набирать из пакетов, набранных из разрезных колец (рис. 9).

Рисунок 9 - Шихтованный полюсный наконечник

Для создания симметричной магнитной цепи, зазоры пакетов должны иметь относительное смещение на 60°. Так как каждое кольцо представляет собой разомкнутую цепь, большие контура токов в них возникать не будут.

Анализ тяговой характеристики электромагнитного привода

Так как индукция в воздушном зазоре электромагнита распределена неравномерно и спадает к его краям, исследуем зависимость силы, создаваемой электромагнитным приводом от осевого перемещения КУ. Перемещая КУ в крайние положения определим соответствующее каждому положению значение силы. Результаты исследования приведены на рис. 10.

Рисунок 10 - Тяговая характеристика электромагнитного привода

Из приведенной зависимости следует, что максимальную силу привод развивает, когда КУ находится в центральном положении. Спад силы при перемещении к крайним точкам обусловлен спадом поля рассеяния при отдалении от полюса. Данный эффект приводит к нелинейной зависимости силы электромагнитного привода F от перемещения КУ.

Отметим, что с ростом частоты воспроизводимой угловой скорости, амплитуда угла поворота платформы и амплитуда линейного перемещения КУ уменьшается. В связи с тем, что вблизи нулевого положения КУ тяговая характеристика электромагнитного привода носит линейный характер, с ростом частоты отклонение значения силы от номинального значения уменьшается.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 11-08-00108-а.

электромагнитный привод микромеханический датчик

ЛИТЕРАТУРА

1. Пат. 2 306 571 С1 Российская Федерация, МПК7 G 01 P 21/00, G 01 M 17/00. Стенд для воспроизведения угловых скоростей / Грязин Д. Г., Лычев Д. И., Бердюгин А. В.; заявитель и патентообладатель ФГУП «ЦНИИ Электроприбор». - № 2006115534/28; заявл. 02.05.06; опубл. 20.09.07, Бюл. № 26. - 4 с.: ил.

2. Бердюгин А.В., Лычев Д.И. Стенд для оценки частотных характеристик малогабаритных датчиков угловых скоростей // Материалы VIII конференции молодых ученых “Навигация и управление движением”. СПб.: “Электроприбор”, 2007. С. 107-112.

Размещено на Allbest.ru