RU2615221C2

RU2615221C2 - Method for providing vibration resistance of pendulum accelerometer of linear accelerations with digital feedback and vibration pendulum accelerometer

Info

Publication number: RU2615221C2
Application number: RU2015116808A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Гребенников; Лариса Яковлевна Калихман; Дмитрий Михайлович Калихман; Сергей Федорович Нахов; Вячеслав Владимирович Скоробогатов; Евгений Семенович Смирнов
Priority date: 2015-04-30
Filing date: 2015-04-30
Publication date: 2017-04-04
Also published as: RU2015116808A

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: provide change of transfer factor of regulator in microcontroller from Kreg to Kregmax as per the law, where at each step of discretization voltage U is measured at input of the analogue-digital convertor of the amplifier, and and compared with threshold value Uthres; at voltages lower or equal to Uthres, for pulse-width modulator arranged inside the microcontroller a digital input signal for pulse-width modulator is generated inside the microcontroller for current value of voltage U at transfer factor Kreg; pulse-width modulator generates pulse trains of constant amplitude and of certain length; discretization step, where U is higher than Uthres, is defined in the microcontroller, and at further steps of discretization an increased signal U*incr is generated for increased transfer factor, which provides pulses lengths to a certain value "incr"; corresponding length of open state is provided, as defined by value "incr" of current switch of power amplifier, which provides supply of current pulses of stabilized amplitude and increased length from output of power amplifier to winding of the accelerometer torque meter; discretization step, where U is lower or equal to Uthres at output of analogue-digital convertor, is defined, and then the feedback system is returned to the operating mode with transfer factor equal to Kreg.

EFFECT: provision of special vibration resistance of pendulum accelerometers with digital feedback under effect of linear accelerations and vibrations of any nature and amplitude, the value of which has not been predicted at the stage of designing of the device.

2 cl, 6 dwg

Description

Способ обеспечения виброустойчивости маятникового акселерометра линейных ускорений с цифровой обратной связью и виброустойчивый маятниковый акселерометрA method of ensuring vibration stability of a pendulum accelerometer of linear accelerations with digital feedback and a vibration-proof pendulum accelerometer

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в области приборов для измерения линейного ускорения.The invention relates to measuring equipment and can be used in the field of instruments for measuring linear acceleration.

Известен способ обеспечения виброустойчивости таких измерителей линейных ускорений в условиях динамических воздействий, описанный в [1, стр. 138]. Способ состоит в выборе при проектировании акселерометра одного параметра - крутизны характеристики (коэффициента передачи) усилителя обратной связи с зоной линейности, превышающей предельно возможные амплитуды колебаний чувствительного элемента акселерометра в переходном процессе.A known method of ensuring the vibration resistance of such linear acceleration meters under dynamic conditions, described in [1, p. 138]. The method consists in choosing one parameter when designing the accelerometer — the steepness of the characteristic (transfer coefficient) of the feedback amplifier with a linearity zone exceeding the maximum possible oscillation amplitudes of the sensitive element of the accelerometer in the transient process.

При этом следует отметить, что рассматриваются колебания чувствительного элемента именно в переходном процессе. Система обратной связи измерителя линейного ускорения обычно проектируется как астатическая, т.е. после завершения переходного процесса (если нет явлений «захвата») чувствительный элемент возвращается в исходное положение (среднее между упорами), в котором при регулировании прибора обеспечивается нулевое значение выходного сигнала измерителя.It should be noted that the vibrations of the sensitive element in the transition process are considered. The linear feedback system of the linear acceleration meter is usually designed as astatic, i.e. after the completion of the transition process (if there are no phenomena of "capture"), the sensitive element returns to its original position (the average between the stops), in which, when regulating the device, a zero value of the meter output signal is provided.

Минимизация погрешностей состоит в том, что на этапе проектирования измерителя линейного ускорения обеспечивают равенство единице параметра G=2Mx/R=1, где М=mlA=I⋅K_ДМ, x=T₀/NU_кв, R=n_β/К_рег, М - момент от воздействия на маятниковость ml линейного ускорения с максимальной заданной амплитудой А, который компенсируется моментом датчика момента I⋅K_ДМ, х - коэффициент широтной модуляции; Т₀, N, U_кв - тактовый период, число заполняющих импульсов и напряжение квантования, соответственно; n_β, К_рег - коэффициент демпфирования и коэффициент передачи регулятора, соответственно.The error minimization consists in the fact that at the design stage of the linear acceleration meter they ensure that the parameter is equal to G = 2Mx / R = 1, where M = mlA = I⋅K _DM , x = T ₀ / NU _q , R = n _β / K _reg , M is the moment from the impact on the pendulum ml of linear acceleration with a maximum specified amplitude A, which is compensated by the moment of the moment sensor I⋅K _DM , x is the coefficient of latitudinal modulation; T ₀ , N, U _sq - the clock period, the number of filling pulses and the quantization voltage, respectively; n _β , K _reg - damping coefficient and gear ratio of the controller, respectively.

Таким образом, способ состоит в выборе ряда параметров акселерометра, в который входят как параметры его механической части - чувствительного элемента, так и параметры цифровой обратной связи.Thus, the method consists in selecting a number of parameters of the accelerometer, which includes both the parameters of its mechanical part - a sensitive element, and the parameters of digital feedback.

При этом в [1, стр. 176] показано, что при отклонении от 1 значения G динамические ошибки измерителя существенно возрастают. В [1, стр. 183] дана численная оценка динамической погрешности акселерометра при конкретном, практически реализованном выборе параметров акселерометра, при действии гармонической вибрации с максимальной амплитудой 20g на частоте 500 Гц, что соответствует вибрациям, задаваемым для реальных условий эксплуатации. В случае, если параметр G отклоняется от единицы в сторону увеличения либо уменьшения, то динамическая ошибка возрастает. Так, при G=0,5 динамическая ошибка возрастает в 4 раза. Для акселерометра с параметрами, приведенными в [1, стр. 181], при G=0,5 и действии гармонической вибрации с амплитудой 20g на частоте 500 Гц динамическая ошибка составляет 1,25⋅10^-2g. При указанном выборе параметров акселерометр является системой близкой к линейной с обеспечением необходимых запасов устойчивости. Описанный способ принят за прототип.At the same time, it was shown in [1, p. 176] that when the value of G deviates from 1, the dynamic errors of the meter increase significantly. In [1, p. 183], a numerical estimate of the dynamic error of the accelerometer is given for a specific, practically implemented choice of accelerometer parameters, under the action of harmonic vibration with a maximum amplitude of 20g at a frequency of 500 Hz, which corresponds to the vibrations specified for actual operating conditions. If the parameter G deviates from unity in the direction of increase or decrease, then the dynamic error increases. So, with G = 0.5, the dynamic error increases 4 times. For an accelerometer with the parameters given in [1, p. 181], with G = 0.5 and the action of harmonic vibration with an amplitude of 20g at a frequency of 500 Hz, the dynamic error is 1.25⋅10 ^-2 g. With the indicated selection of parameters, the accelerometer is close to linear with the necessary stability margins. The described method is adopted as a prototype.

Недостаток прототипа заключается в том, что в акселерометре, как в любой близкой к линейной системе автоматического управления с конечными запасами устойчивости, существуют частоты, соответствующие пиковым значениям их АЧХ, при которых отклонения чувствительного элемента максимальны, больше, чем отклонения на других частотах даже при максимальных входных ускорениях. Поэтому отклонение чувствительного элемента на этих частотах, и главное, при скачкообразных воздействиях, могут быть значительными, вплоть до удара чувствительного элемента об упор. Однозначный выбор параметров акселерометра при его проектировании в соответствии со способом-прототипом не позволяет исключить возникновение динамических погрешностей, вплоть до ударов об упоры чувствительного элемента, при скачкообразных вибровоздействиях, которые не могут быть прогнозируемы при проектировании акселерометра.The disadvantage of the prototype is that in the accelerometer, as in any close-to-linear automatic control system with finite stability margins, there are frequencies corresponding to the peak values of their frequency response at which the deviations of the sensor are maximum, greater than deviations at other frequencies even at maximum input accelerations. Therefore, the deviation of the sensitive element at these frequencies, and most importantly, with spasmodic effects, can be significant, up to the impact of the sensitive element against the stop. An unambiguous choice of the parameters of the accelerometer during its design in accordance with the prototype method does not preclude the occurrence of dynamic errors, up to impacts on the stops of the sensitive element, with spasmodic vibrations that cannot be predicted when designing the accelerometer.

Задачей изобретения является обеспечение виброустойчивости маятниковых акселерометров с цифровой обратной связью при действии линейных ускорений и вибраций любого характера и любой амплитуды, величина которых не была прогнозирована на этапе проектирования прибора, при этом входные воздействия, естественно, не должны создавать возмущающие моменты, большие, чем максимальный момент датчика моментаThe objective of the invention is to provide vibration stability of pendulum accelerometers with digital feedback under the action of linear accelerations and vibrations of any nature and any amplitude, the magnitude of which was not predicted at the design stage of the device, while the input effects, of course, should not create disturbing moments greater than the maximum torque sensor moment

Технический результат достигается тем, что в способе обеспечения виброустойчивости маятникового акселерометра линейных ускорений с цифровой обратной связью, заключающемся в том, что используют маятниковый акселерометр, в цифровой обратной связи которого устанавливают значения периода дискретизации Т₀ работы широтно-импульсного модулятора (ШИМ), маятниковости акселерометра, коэффициента демпфирования, коэффициента передачи регулятора К_рег, обеспечивающие минимальную динамическую ошибку акселерометра при действии вибраций с максимальным заданным значением амплитуды линейного ускорения, согласно изобретению, измеряют напряжение U_yп на входе АЦП цифрового усилителя при отклонении чувствительного элемента до упора, записывают в память контроллера: пороговое напряжение U_пop: U_пop=U_yп/к_зап, где к_зап - коэффициент запаса; значение коэффициента передачи регулятора К_рег ^mах, при котором при выбранных параметрах обеспечивается устойчивость системы с минимально допустимыми запасами по амплитуде и фазе, цифровой код уровня сигнала на входе ШИМ U^* _max, при котором длительность импульса τ(nT₀), где n - целое число, равна периоду дискретизации Т₀, значение коэффициента К^* корректировки значения коэффициента передачи регулятора К_рег, при эксплуатации акселерометра обеспечивают изменение значения коэффициента передачи регулятора в микроконтроллере от К_рег до К_рег ^mах по закону:The technical result is achieved by the fact that in the method of providing vibration stability of a pendulum accelerometer of linear accelerations with digital feedback, which consists in the use of a pendulum accelerometer, the digital feedback of which sets the sampling period T ₀ of the pulse width modulator (PWM), the pendulum of the accelerometer , damping coefficient, gear ratio of the regulator K _reg , providing the minimum dynamic error of the accelerometer under the action of vibrations with max imalnym specify the value of the linear acceleration amplitude according to the invention, measured U _Yn voltage at the ADC input digital amplifier rejecting the sensing element until it stops, are recorded in the controller memory of the threshold voltage U _thresh: U _thresh = U _Yn / k _app, where _zap - factor stock; the value of the regulator transmission coefficient K _reg ^max , at which, with the chosen parameters, the system is stable with the minimum allowable margins in amplitude and phase, the digital code of the signal level at the PWM input is U ^* _max , at which the pulse duration is τ (nT ₀ ), where n is an integer numbers equal to the sampling period T _0, K-value ^* coefficient correction value K _reg transmission controller, during operation of the accelerometer values provide a change in the microcontroller of the controller gain K to K _reg _er ^max according to the law:

,

для чего на каждом шаге дискретизации выполняют измерение и сравнение в микроконтроллере напряжения U(nT₀) на входе АЦП усилителя со значением U_пор; при значениях напряжений U(nT₀), меньших либо равных U_пор, для организованного внутри микроконтроллера ШИМ формируют в микроконтроллере цифровой входной сигнал U*(nT₀), соответствующий текущему значению напряжения U(nT₀) при значении коэффициента передачи регулятора К_рег; обеспечивают формирование ШИМ последовательности импульсов постоянной амплитуды и длительностью τ(nT₀)=[U*(nT₀)/U^* _max]⋅Т₀; определяют в микроконтроллере тот шаг дискретизации, на котором U(nT₀) больше U_пop, обеспечивают на последующих шагах дискретизации формирование в микроконтроллере увеличенного цифрового сигнала U^*(nT₀)^ув для ШИМ, соответствующего значению коэффициента передачи К_рег+(|U(nT₀)|-U_пop)⋅K^*, что обеспечивает увеличение длительности импульсов на выходе ШИМ до величины τ(nT₀)^ув=[U*(nT₀)^ув/U^* _max]⋅T₀; обеспечивают соответствующее увеличение длительности открытого состояния, определяемого величиной τ(nT₀)^ув, переключателя тока усилителя мощности, что обеспечивает поступление с выхода усилителя мощности в обмотку датчика момента акселерометра последовательности импульсов тока стабилизированной амплитуды и увеличенной длительности, определяют тот шаг дискретизации, на котором на входе АЦП напряжение U(nT₀) меньше либо равно U_пop, после чего обеспечивают возврат системы обратной связи к режиму работы со значением коэффициента передачи равным К_рег.why at each sampling step, they measure and compare in the microcontroller the voltage U (nT ₀ ) at the input of the ADC amplifier with the value of U _pores ; when the voltage values U (nT ₀ ) are less than or equal to U _pores , for the PWM organized inside the microcontroller, a digital input signal U * (nT ₀ ) corresponding to the current voltage U (nT ₀ ) at the regulator transmission coefficient K _{reg is} generated in the microcontroller; provide the formation of a PWM sequence of pulses of constant amplitude and duration τ (nT ₀ ) = [U * (nT ₀ ) / U ^* _max ] ⋅ T ₀ ; the sampling step is determined in the microcontroller at which U (nT ₀ ) is greater than U _pop ; at the subsequent sampling steps, the increased digital signal U ^* (nT ₀ ) ^uv is generated in the microcontroller for the PWM corresponding to the value of the transmission coefficient K _reg + (| U ( nT ₀ ) | -U _pop ) ⋅K ^* , which provides an increase in the pulse width at the PWM output to the value τ (nT ₀ ) ^uV = [U * (nT ₀ ) ^uV / U ^* _max ] ⋅T ₀ ; provide a corresponding increase in the duration of the open state, determined by the value of τ (nT ₀ ) ^uv , of the current switch of the power amplifier, which ensures that a sequence of stabilized amplitude and increased pulse current pulses from the output of the power amplifier to the winding of the accelerometer moment sensor determines the sampling step at which ADC input voltage U (nT ₀₎ is less than or equal to U _thresh then provide feedback system returns to an operating mode with coefficient value before the Chi equal to the _reg.

Маятниковый акселерометр с цифровой обратной связью [1, стр. 163] выбран в качестве прототипа. Прототип содержит чувствительный элемент, емкостной датчик угла, магнитоэлектрический датчик момента, цифровой усилитель обратной связи, включающий предварительный усилитель, систему формирования цифровой обратной связи, содержащую преобразователь напряжение - временной интервал по схеме ШИМ, выполненный на аналоговых элементах (интегрирующей емкости либо операционном усилителе, включенном по схеме интегратора), усилитель мощности, включающий переключатель тока и стабилизатор тока, генератор тактовой частоты, генератор заполняющих импульсов (внешний генератор), при этом выход датчика угла соединен с входом предварительного усилителя, выход которого соединен с входом системы цифровой обратной связи, а выход последней соединен с входом магнитоэлектрического датчика момента.A pendulum accelerometer with digital feedback [1, p. 163] is selected as a prototype. The prototype contains a sensitive element, a capacitive angle sensor, a magnetoelectric moment sensor, a digital feedback amplifier, including a preamplifier, a digital feedback generation system containing a voltage-time converter according to the PWM scheme, performed on analog elements (integrating capacitance or an operational amplifier included according to the integrator circuit), a power amplifier including a current switch and a current stabilizer, a clock generator, a fill generator pulses (external clock), the angle sensor output is connected to the preamplifier input, whose output is connected to the input of a digital feedback system, and an output connected to the input of the last magnetoelectric torquer.

Прототип имеет структуру с однозначно выбранными параметрами, перечисленными выше, которые обеспечивают минимальную динамическую погрешность при амплитуде виброускорения, не превышающей заданное ожидаемое значение. Это является недостатком прототипа, поскольку при случайных выбросах вибрационных и линейных ускорений не обеспечивается не только допустимое значение динамической погрешности при возникновении переходного процесса с большой амплитудой, но может произойти удар чувствительного элемента об упор с разрушением чувствительного элемента.The prototype has a structure with uniquely selected parameters listed above, which provide the minimum dynamic error with an amplitude of vibration acceleration not exceeding the specified expected value. This is a disadvantage of the prototype, because with random emissions of vibrational and linear accelerations, not only is the acceptable value of the dynamic error in the event of a transient with a large amplitude, but a shock of the sensing element against the stop may occur with the destruction of the sensing element.

Задачей изобретения является введение в конструкцию маятникового акселерометра с цифровой обратной связью элементов, которые позволили бы реализовать способ обеспечения виброустойчивости маятниковых акселерометров с цифровой обратной связью при действии вибраций любого характера и любой амплитуды, величина которой не была прогнозирована на этапе проектирования прибора.The objective of the invention is to introduce into the design of a pendulum accelerometer with digital feedback elements that would allow to implement a method of ensuring vibration stability of pendulum accelerometers with digital feedback under the influence of vibrations of any nature and any amplitude, the value of which was not predicted at the design stage of the device.

Технический результат достигается тем, что в виброустойчивом маятниковом акселерометре с цифровой обратной связью, включающим маятниковый чувствительный элемент, емкостной датчик угла, магнитоэлектрический датчик момента, цифровой усилитель обратной связи, включающий предварительный усилитель, преобразователь напряжение - временной интервал, внешний генератор и усилитель мощности, включающий переключатель тока и стабилизатор тока, при этом датчик угла, цифровой усилитель обратной связи и датчик момента соединены последовательно, согласно изобретению, преобразователь напряжение - временной интервал выполнен в виде микроконтроллера, в котором реализованы АЦП, центральный вычислитель, умножитель частоты, первый таймер, формирующий тактовую частоту, ШИМ, образованный вторым таймером и сравнивающим устройством.The technical result is achieved in that in a vibration-proof pendulum accelerometer with digital feedback, including a pendulum sensing element, a capacitive angle sensor, a magnetoelectric moment sensor, a digital feedback amplifier, including a pre-amplifier, a voltage converter - time interval, an external generator and a power amplifier, including a current switch and a current stabilizer, while an angle sensor, a digital feedback amplifier and a torque sensor are connected in series with According to the invention, the voltage-time interval converter is made in the form of a microcontroller in which an ADC, a central computer, a frequency multiplier, a first timer that generates a clock frequency, a PWM formed by a second timer and a comparator are implemented.

Предлагаемый способ состоит из следующих операций.The proposed method consists of the following operations.

1. На этапе проектирования акселерометра с цифровой обратной связью:1. At the design stage of the accelerometer with digital feedback:

1.1. Для определения алгоритма работы цифровой обратной связи, который выражается разностным уравнением, и максимального значения коэффициента передачи регулятора K_peг ^max выполняют следующие операции:1.1. To determine the algorithm of digital feedback, which is expressed by a difference equation, and the maximum value of the coefficient of transfer of the controller K _pe ^max perform the following operations:

1.1.1. Записывают дифференциальное уравнение движения маятника акселерометра в виде:1.1.1. The differential equation of motion of the pendulum of the accelerometer is written in the form:

В этом уравнении: $β, \dot{β}, \ddot{β}$

- угол, угловая скорость и угловое ускорение маятника, соответственно,In this equation:

β, \dot{β}, \ddot{β}

- angle, angular velocity and angular acceleration of the pendulum, respectively,

I_β, n_β - момент инерции маятника относительно оси подвеса и коэффициент демпфирования движений маятника, соответственно;I _β , n _β is the moment of inertia of the pendulum relative to the suspension axis and the damping coefficient of the pendulum movements, respectively;

C_m - жесткость подвеса маятника; М_ДМ - момент датчика момента; m - масса маятника; l - плечо (расстояние от оси подвеса до центра масс маятника); А - ускорение.C _m - stiffness of the pendulum suspension; M _DM - torque sensor moment; m is the mass of the pendulum; l - shoulder (distance from the suspension axis to the center of mass of the pendulum); A - acceleration.

1.1.2. Методами теории автоматического регулирования определяют дискретную частотную передаточную функцию цифрового усилителя обратной связи (ЦУОС), обеспечивающую необходимые запасы устойчивости и динамические характеристики акселерометра. Для чего составляют структурную схему акселерометра с цифровой обратной связью (ЦОС) с учетом уравнения (1), которая имеет вид, показанный на рис. 1.1.1.2. The methods of the theory of automatic control determine the discrete frequency transfer function of a digital feedback amplifier (CCA), which provides the necessary stability margins and dynamic characteristics of the accelerometer. What is the structural diagram of the accelerometer with digital feedback (DSP) taking into account equation (1), which has the form shown in Fig. one.

На рис. 1 обозначено:In fig. 1 is indicated:

1 - микроконтроллер;1 - microcontroller;

2 - W_M(s) - передаточная функция маятника;2 - W _M (s) - transfer function of the pendulum;

3 - К_УМ - коэффициент передачи усилителя мощности;3 - K _UM - transmission coefficient of the power amplifier;

4 - К_ПУ - коэффициент усиления предварительного усилителя (ПУ);4 - To _PU - gain of the preliminary amplifier (PU);

5 - К_ДУ - коэффициент передачи датчика угла;5 - K _DU - gear ratio of the angle sensor;

6 - К_ДМ - коэффициент передачи датчика момента;6 - K _DM - coefficient of transmission of the torque sensor;

7 - ml - маятниковость.7 - ml - pendulum.

Для пояснения рассмотрим конкретный численный пример, относящийся к акселерометру КХ67-041 разработки предприятия ПО «Корпус».For clarification, we consider a specific numerical example related to the KX67-041 accelerometer developed by the Korpus enterprise.

Для этого акселерометра с учетом численных значений параметров, входящих в передаточную функцию W_M(s),For this accelerometer, taking into account the numerical values of the parameters included in the transfer function W _M (s),

К_ДУ=182 В/рад, К_ДМ=150 гсм/А, I_β=1,2⋅10^-4 гсмс², n_β≅0,05 гсмс,K _AV = 182 V / rad, K _AM = 150 gcm / A, I _β = 1,2⋅10 ^-4 GSM ^2, n _β ≅0,05 GSM,

C_m=1,6 гсм/рад, передаточная функция W_a(s), равная W_M(s)⋅К_ДУ⋅К_ДМ, имеет вид:C _m = 1,6 gcm / rad, the transfer function W _a (s), equal to W _M (s) ⋅K _control ⋅K _DM, has the form:

Передаточной функции (2) соответствует дискретная частотная передаточная функцияThe transfer function (2) corresponds to a discrete frequency transfer function

По этой передаточной функции построена асимптотическая логарифмическая амплитудная характеристика (ЛАЧХ) на рис. 2 (ломаная 8).Based on this transfer function, the asymptotic logarithmic amplitude characteristic (LFC) in Fig. 2 (broken line 8).

На рис. 2 построена также желаемая ЛАЧХ разомкнутой системы (ломаная 9), при которой обеспечиваются астатизм системы, требуемые запасы устойчивости по фазе и амплитуде, определяются показатель колебательности и время переходного процесса. По разности ломаных 8 и 9 записывают дискретную частотную передаточную функцию ЦУОС, обеспечивающую необходимые запасы устойчивости и динамические характеристики акселерометра, которая имеет вид:In fig. 2, the desired LACF of an open system (polyline 9) is also constructed, which ensures the system astatism, the required stability margins in phase and amplitude, and the oscillation index and the transition process time are determined. According to the difference between polygons 8 and 9, a discrete frequency transfer function of the DSP is recorded, which provides the necessary stability margins and dynamic characteristics of the accelerometer, which has the form:

1.1.3. Получают разностное уравнение - алгоритм работы цифрового вычислителя, для чего с помощью подстановки

в (4) находится дискретная передаточная функция (при Т₀=0,5_⋅10^-4 с)1.1.3. Get the difference equation - the algorithm of the digital computer, for which, using substitution

in (4) there is a discrete transfer function (at T ₀ = 0.5 _⋅ 10 ^-4 s)

и соответствующее (5) разностное уравнение приand the corresponding difference equation (5) for

где I_ДМ(nT₀) - среднее за период Т₀ значение тока датчика момента.where I _DM (nT ₀ ) is the average over the period T _{0 the} value of the current of the torque sensor.

Уравнение (6) является алгоритмом работы цифрового усилителя обратной связи акселерометра линейных ускорений, разработанного с использованием чувствительного элемента акселерометра КХ67-041.Equation (6) is the algorithm of the digital feedback amplifier of the linear acceleration accelerometer, developed using the sensitive element of the accelerometer KX67-041.

В общем случае уравнение вида (6) может быть записано для любого акселерометра с цифровой системой обратной связи, называется разностным уравнением и является алгоритмом работы цифрового вычислителя.In the general case, an equation of the form (6) can be written for any accelerometer with a digital feedback system, called a difference equation and is the algorithm of the digital computer.

На рис. 2 показана также фазовая характеристика (кривая 10) разомкнутой системы, построенная по передаточной функцииIn fig. 2 also shows the phase characteristic (curve 10) of the open system, constructed by the transfer function

W_раз(jλ)=W_a(jλ)⋅D(jλ).W _times (jλ) = W _a (jλ) ⋅ D (jλ).

1.1.4. Определяются значения К_рег и К_рег ^mах; при К_рег обеспечивается штатная работа системы с заданными запасами устойчивости по амплитуде и фазе; при К_рег ^max для системы имеются минимально допустимые запасы по амплитуде (не менее 6 дБ) и по фазе (не менее 30^°). Рассчитывается время переходного процесса t_пep при К_рег.1.1.4. The values of K _reg and K _reg ^{max are} determined; when K _reg ensures regular operation of the system with the given stability margins in amplitude and phase; at К _reg ^max for the system there are minimum allowable reserves in amplitude (not less than 6 dB) and in phase (not less than 30 ^° ). The transient time t _{pper is calculated} at K _reg .

Согласно частотным характеристикам на рис. 2 для рассматриваемого примера при номинальном коэффициенте передачи регулятора К_рег=К_ДУ⋅К_ДМ⋅К_ЦУОС=182⋅150⋅1=2,73⋅10⁴ гсм/рад, частота среза разомкнутой системы составляет 3000 рад/сек, запас устойчивости по фазе - 59°, по амплитуде - ≈16 дБ.According to the frequency characteristics in Fig. 2 for this example at a nominal transmission ratio controller K = K _Control _reg ⋅K _DM ⋅K _TSUOS = 182⋅150⋅1 = 2,73⋅10 ⁴ gsm / rad, the open loop crossover frequency is 3,000 rad / s, the stability margin of phase - 59 °, in amplitude - ≈16 dB.

Достаточный запас устойчивости по фазе 30° соответствует частоте 7500 рад/сек. Следовательно, при увеличении частоты среза разомкнутой системы до 7500 рад/сек, что будет при увеличении К_ЦУОС (следовательно, и К_рег) в три раза, замкнутая система останется устойчивой. Таким образом, К_рег ^mах = 3 ⋅ К_рег.A sufficient phase margin of 30 ° corresponds to a frequency of 7500 rad / s. Consequently, with an increase in the cutoff frequency of an open system to 7500 rad / s, which will be a three-fold increase in K _DSPC (and therefore K _reg ), the closed system will remain stable. Thus, K _reg ^max = 3 ⋅ K _reg .

Определяется значение коэффициента К*, при котором обеспечивается переход от К_рег к К_рег ^mах за несколько периодов дискретизации Т₀ (3…4).The value of the coefficient K * is determined, at which the transition from K _reg to K _reg ^max for several sampling periods T ₀ (3 ... 4) is ensured.

1.1.5. Разрабатывают программу, обеспечивающую работу центрального вычислителя микроконтроллера в соответствии с разностным уравнением, в рассматриваемом примере - с алгоритмом (6),1.1.5. A program is developed that ensures the operation of the central computer of the microcontroller in accordance with the difference equation, in the considered example with the algorithm (6),

1.1.6. Разрабатывают программу работы микроконтроллера, в которой коэффициент передачи К_рег=К_рег(nT₀) изменяется по закону1.1.6. A microcontroller work program is developed in which the transmission coefficient K _reg = K _reg (nT ₀ ) changes according to the law

Изменение К_рег=К_рег(nT₀) осуществляется за счет изменения К_ЦУОС - коэффициента передачи цифрового усилителя обратной связи.The change in K _reg = K _reg (nT ₀ ) is due to a change in K _DSP - transmission coefficient of the digital feedback amplifier.

1.1.7. Разрабатывают программу формирования ШИМ длительности импульса постоянной амплитуды по закону τ(nT₀)=[U*(nT₀)/U^* _max]Т₀, где U*(nT₀) - цифровой код уровня сигнала на входе ШИМ, U^* _max - тот же цифровой код при длительности импульса τ(nT₀), равной периоду дискретизации Т₀.1.1.7. A program is being developed for generating PWM pulse widths of constant amplitude according to the law τ (nT ₀ ) = [U * (nT ₀ ) / U ^* _max ] T ₀ , where U * (nT ₀ ) is the digital code of the signal level at the input of the PWM, U ^* _max - the same digital code with a pulse duration τ (nT ₀ ) equal to the sampling period T ₀ .

Физический смысл U*(nT₀) и U*_max может быть пояснен на рис. 3. Показана «цифровая пила», которую строит второй таймер микроконтроллера. Он выдает массив возрастающих цифровых кодов в зависимости от времени. Цифровой вычислитель преобразует напряжение на входе АЦП в кодовый уровень U*(nT₀), в организованном программным образом сравнивающем устройстве микроконтроллера U*(nT₀) сравнивается с «цифровой пилой» и отсекается момент времени, когда наступает равенство кода U*(nT₀) и соответствующего цифрового значения кода на «пиле». Так формируется длительность импульса ШИМ. U*_max - это максимальный цифровой уровень «цифровой пилы», которому соответствует длительность импульса τ(nT₀), равная периоду дискретизации Т₀.The physical meaning of U * (nT ₀ ) and U * _max can be explained in Fig. 3. The "digital saw", which is built by the second timer of the microcontroller, is shown. It produces an array of incremental digital codes versus time. The digital computer converts the voltage at the input of the ADC to the code level U * (nT ₀ ), in the programmer’s comparing device of the microcontroller U * (nT ₀ ), it is compared with the “digital saw” and the time is cut off when the equality of the code U * (nT ₀ ) and the corresponding digital value of the code on the “saw”. So the pulse width of the PWM is formed. U * _max is the maximum digital level of the "digital saw", which corresponds to the pulse duration τ (nT ₀ ), equal to the sampling period T ₀ .

1.2. Изготавливается опытный образец акселерометра.1.2. A prototype accelerometer is being manufactured.

На этапе изготовления измеряют напряжение U_yп на входе АЦП цифрового усилителя при отклонении чувствительного элемента до упора.At the manufacturing stage, the voltage U _{yп is measured} at the input of the ADC of the digital amplifier when the sensor is deflected to the stop.

1.3. Выбирается коэффициент запаса к_зап и определяется пороговое значение напряжения на входе АЦП U_пор=U_уп/к_зап.1.3. The safety factor to _{zap is selected} and the threshold value of the voltage at the input of the ADC U _pore = U _up / k _{zap is} determined.

1.4. Вычисляется К_рег=К_ДУ⋅К_ДМ⋅К_ЦУОС, для рассматриваемого примера К_ЦУОС=11.4. It is calculated K _reg = K _DU МK _DM ⋅K _TsUOS , for the considered example K _TsUOS = 1

1.5. В память контроллера записывают:1.5. The controller memory is written:

- выбранное значение U_пop=U_уп/к_зап,- the selected value of U _pop = U _up / to _app ,

- значение К_рег ^max,- the value of K _reg ^max ,

- максимальное цифровое значение сигнала U^* _max для формирования последовательности импульсов на выходе ШИМ,- the maximum digital value of the signal U ^* _max for the formation of a sequence of pulses at the output of the PWM,

- значение коэффициента К^* корректировки значения коэффициента передачи регулятора,- the value of the coefficient K ^* adjustment of the value of the gear ratio of the regulator,

- программу, осуществляющую работу цифрового вычислителя контроллера в соответствии с разностным уравнением, в рассматриваемом примере - с алгоритмом (6),- a program that performs the work of a digital computer controller in accordance with the difference equation, in the considered example - with the algorithm (6),

- программу работы контроллера, в которой коэффициент передачи К_рег(nT₀) изменяется по закону (7). Изменение осуществляется за счет изменения К_ЦУОС - коэффициента передачи цифрового усилителя обратной связи,- the program of the controller, in which the transmission coefficient K _reg (nT ₀ ) changes according to the law (7). The change is due to a change in the _DSPC - transmission coefficient of the digital feedback amplifier,

- программу формирования ШИМ длительности τ(nT₀) импульса постоянной амплитуды по закону τ(nT₀)=[U*(nT₀)/U^* _max]⋅T₀.- a PWM generation program of duration τ (nT ₀ ) of a constant amplitude pulse according to the law τ (nT ₀ ) = [U * (nT ₀ ) / U ^* _max ] ⋅ T ₀ .

1.6. В эксплуатации акселерометра программным способом система цифровой обратной связи выполняет следующие операции. 1.6. In operation of the accelerometer programmatically, the digital feedback system performs the following operations.

1.6.1. Обеспечивает измерение напряжения, поступающего с выхода предварительного усилителя на вход АЦП на каждом шаге дискретизации U(nT₀).1.6.1. Provides a measurement of the voltage supplied from the output of the pre-amplifier to the ADC input at each sampling step U (nT ₀ ).

1.6.2. Центральный вычислитель на каждом такте дискретизации nT₀ по записанной в память программе, реализующей алгоритм - разностное уравнение, рассчитывает цифровой код I_ДМ(nT₀), который соответствует среднему за период Т₀ значению тока датчика момента, который, в свою очередь, пропорционален измеренному линейному ускорению.1.6.2. The central calculator at each sampling cycle nT ₀ according to the stored program that implements the algorithm - difference equation, calculates the digital code I _DM (nT ₀ ), which corresponds to the average value of the current of the torque sensor over a period T ₀ , which, in turn, is proportional to the measured linear acceleration.

Для расчета цифрового кода I_ДМ(nT₀) используются его значения на предыдущих шагах I_ДМ[(n-1)Т₀], I_ДМ[(n-2)Т₀], а также значения напряжения на входе АЦП U_ДУ(nT₀), U_ДУ[(n-1)Т₀], U_ДУ[(n-2)Т₀ с коэффициентами, записанными в разностном уравнении.To calculate the digital code I _ДМ (nT ₀ ), its values are used at the previous steps I _ДМ [(n-1) Т ₀ ], I _ДМ [(n-2) Т ₀ ], as well as the voltage value at the input of the ADC U _ДУ ( nT ₀ ), U _ДУ [(n-1) Т ₀ ], U _ДУ [(n-2) Т ₀ with coefficients written in the difference equation.

1.6.3. Микроконтроллер обеспечивает сравнение измеренного напряжения U(nT₀) с U_пop.1.6.3. The microcontroller provides a comparison of the measured voltage U (nT ₀ ) with U _pop .

1.6.4. Если U(nT₀) меньше либо равно U_пop, то работа системы обратной связи обеспечена при значении коэффициента передачи, равном К_рег.1.6.4. If U (nT ₀ ) is less than or equal to U _pop , then the feedback system is provided with a transmission coefficient equal to K _reg .

1.6.5. Цифровой вычислитель формирует цифровой выходной сигнал U^*(nT₀), соответствующий измеренному сигналу U(nT₀) на входе АЦП.1.6.5. The digital computer generates a digital output signal U ^* (nT ₀ ) corresponding to the measured signal U (nT ₀ ) at the ADC input.

1.6.6. Сигналы U^*(nT₀) поступают на вход ШИМ, организованного внутри микроконтроллера.1.6.6. Signals U ^* (nT ₀ ) are fed to the PWM input, organized inside the microcontroller.

1.6.7. ШИМ в соответствии с сигналом U^*(nT₀) формирует последовательность импульсов напряжения, амплитуда которых постоянна и близка к напряжению питания микроконтроллера, а длительность τ(nT₀) определяется выражением:1.6.7. PWM in accordance with the signal U ^* (nT ₀ ) forms a sequence of voltage pulses, the amplitude of which is constant and close to the supply voltage of the microcontroller, and the duration τ (nT ₀ ) is determined by the expression:

1.6.8. Если на каком-то шаге дискретизации в условиях эксплуатации сигнал на входе АЦП U(nT₀) становится больше U_пop, то автоматически осуществляется переход на работу системы обратной связи при значении коэффициента передачи, равном К_рег+(|U(nT₀)|-U_пop)⋅К^*. При этом микроконтроллер на каждом последующем шаге дискретизации вычисляет разность |U(nT₀)|-U_поp, умножает вычисленную разность на К^* и увеличивает значение коэффициента передачи на полученное значение. При этом полученное значение коэффициента передачи не должно превышать значения К_рег ^mах. При этом обеспечивается форсированный возврат системы к значению величины напряжения на входе АЦП U(nT₀), которое меньше либо равно U_пop.1.6.8. If at some step of sampling in operating conditions the signal at the input of the ADC U (nT ₀ ) becomes greater than U _pop , then the feedback system will automatically switch to the operation of the feedback system with the transmission coefficient equal to K _reg + (| U (nT ₀ ) | -U _pop ) ⋅K ^* . In this case, the microcontroller at each subsequent sampling step calculates the difference | U (nT ₀ ) | -U _p , multiplies the calculated difference by K ^* and increases the value of the transfer coefficient by the obtained value. Moreover, the obtained value of the transmission coefficient should not exceed the value of K _reg ^max . This ensures a forced return of the system to the value of the voltage at the ADC input U (nT ₀ ), which is less than or equal to U _pop .

Рассмотрим, как обеспечивается этот процесс.Consider how this process is provided.

Задача импульсов, поступающих с выхода ШИМ на вход усилителя мощности, только одна: обеспечить открытие переключателя тока усилителя мощности на промежуток времени, равный указанным строго регламентированным значениям τ(nT₀). В усилителе мощности (рис. 4) переключатель тока реализован на транзисторах, обозначенных T₁ (11), Т₂ (12), Т₃ (13), Т₄ (14). Например, если управляющий импульс на входе усилителя мощности открыл транзисторы T₁ и Т₂, то от операционного усилителя (15), который входит в состав стабилизатора тока усилителя мощности, ток пойдет через транзистор T₁, обмотку датчика момента акселерометра, транзистор Т₂ и резисторы R_эт (16), R₁ (17), R₂ (18). Падение напряжение на резисторе R₂ является напряжением обратной связи операционного усилителя. Операционный усилитель и резисторы R_эт, R₁, R₂ реализуют обратную связь и вместе с источником опорного напряжения (ИОН) (19) образуют стабилизатор тока. ИОН, предназначенный для подачи на вход операционного усилителя высокостабильного напряжения, и резисторы R_эт, R₁, R₂ выбираются с повышенными требованиями к стабильности. Например, в качестве ИОН выбрана микросхема AD780 со стабильностью напряжения 0,0005%, резисторы должны иметь стабильность 0,001%. Это обеспечивает высокостабильную амплитуду тока. Таким образом, на выходе усилителя мощности создаются импульсы тока, имеющие высоко стабильную амплитуду. При этом среднее значение тока за период дискретизации Т₀ пропорционально измеряемому линейному ускорению в силу принципа действия акселерометра линейных ускорений, имеющего обратную связь, а именно mlg=к_дмIос.The task of the pulses coming from the PWM output to the input of the power amplifier is only one: to ensure the opening of the current switch of the power amplifier for a period of time equal to the specified strictly regulated values of τ (nT ₀ ). In the power amplifier (Fig. 4), the current switch is implemented on transistors designated T ₁ (11), T ₂ (12), T ₃ (13), T ₄ (14). For example, if the control pulse at the input of the power amplifier opened the transistors T ₁ and T ₂ , then from the operational amplifier (15), which is part of the current stabilizer of the power amplifier, the current will go through the transistor T ₁ , the winding of the accelerometer torque sensor, transistor T ₂ and resistors R _et (16), R ₁ (17), R ₂ (18). The voltage drop across the resistor R ₂ is the feedback voltage of the operational amplifier. The operational amplifier and resistors R _et , R ₁ , R ₂ realize feedback and, together with a reference voltage source (ION) (19) form a current stabilizer. An ION designed to supply a highly stable voltage to the input of an operational amplifier, and resistors R _et , R ₁ , R ₂ are selected with increased stability requirements. For example, an AD780 chip with a voltage stability of 0.0005% was chosen as an ION; resistors should have a stability of 0.001%. This provides a highly stable current amplitude. Thus, current pulses having a highly stable amplitude are created at the output of the power amplifier. Moreover, the average current value for the sampling period T _{0 is} proportional to the measured linear acceleration due to the principle of operation of the linear acceleration accelerometer with feedback, namely mlg = k _dm Ioc.

Таким образом, в момент времени, когда момент от маятниковости с учетом действующего линейного ускорения mlg станет равен моменту датчика момента k_дмIос (k_дм - крутизна характеристики датчика момента, Ioc - ток обратной связи), напряжение с датчика угла по окончании переходного процесса становится равным нулю. Система - в равновесии.Thus, at the moment when the moment from the pendulum, taking into account the effective linear acceleration mlg, becomes equal to the moment of the moment sensor k _dm IОС (k _dm is the steepness of the characteristic of the moment sensor, Ioc is the feedback current), the voltage from the angle sensor at the end of the transition process becomes equal to zero. The system is in balance.

Рассмотрим пример работы акселерометра КХ67-041 с приведенными выше техническими характеристиками в условиях скачкообразного изменения в условиях эксплуатации линейного ускорения; выражением (6) задан алгоритм работы цифровой обратной связи акселерометра; в память контролера записан закон изменения коэффициента передачи (7). При проектировании акселерометра с цифровой обратной связью выбраны и записаны в память контроллера значения коэффициентов К_рег=2,73⋅10⁴, получаемый при К_ЦУОС=1, К_рег ^mах=8,19⋅10⁴, (при К_ЦУОС ^mах=3), выбранный из условия обеспечения запасов по амплитуде и фазе, соответственно, 6 дБ и 30°.Consider the example of the operation of the KX67-041 accelerometer with the above technical characteristics under conditions of a jump in the operating conditions of linear acceleration; expression (6) sets the algorithm for the digital feedback of the accelerometer; the law of change in the transmission coefficient (7) is recorded in the controller's memory. When designing the accelerometer with digital feedback, the coefficients K _reg = 2.73⋅10 ⁴ obtained at K _TsUOS = 1, K _reg ^max = 8.19⋅10 ⁴ , (with K _TsUOS ^max = 3, were selected and written into the controller memory ), selected from the conditions for providing reserves in amplitude and phase, respectively, 6 dB and 30 °.

Для рассматриваемой конструкции акселерометра упоры расположены от среднего положения на углах ±6,8'. Выбран коэффициент запаса к_зап=10. Напряжение на входе АЦП при отклонении маятника до упора U_уп=3,6 В.For the design of the accelerometer under consideration, the stops are located from the middle position at angles of ± 6.8 '. The safety factor is selected to _app. = 10. The voltage at the input of the ADC when the pendulum is deflected to the stop U _up = 3.6 V.

С учетом выбранного коэффициента запаса появление на входе АЦП напряжения 0,36 В соответствует отклонению маятника на угол 0,68'. Поэтому выбрано значение порогового напряжения U_пop=0,36 В, которое записано в память контроллера.Given the selected safety factor, the appearance of a voltage of 0.36 V at the input of the ADC corresponds to a deviation of the pendulum by an angle of 0.68 '. Therefore, the selected value of the threshold voltage U _pop = 0.36 V, which is recorded in the controller memory.

В контроллер записана программа изменения коэффициента передачи в соответствии с законом (7).A program for changing the transmission coefficient in accordance with law (7) is recorded in the controller.

Для того чтобы угол отклонения маятника не превысил ±6,8', при скачке линейного ускорения до 10g была выбрана величина К^*=25.In order for the pendulum deviation angle not to exceed ± 6.8 ', when the linear acceleration jumps to 10 g, the value K ^* = 25 was chosen.

Таким образом, определены параметры, определяющие работу системы с переменным коэффициентом передачи:Thus, the parameters that determine the operation of the system with a variable transmission coefficient are defined:

К_рег=2,73⋅10⁴ (К_ЦУОС=1); К^*=25; U_пop=0,36 В; К_рег ^mах=8,19⋅10⁴ (К_ЦУОС ^max=3).To _reg = 2,73⋅10 ⁴ (To _TsUOS = 1); K ^* = 25; U _pop = 0.36 V; To _reg ^max = 8.19⋅10 ⁴ (To _TsUOS ^max = 3).

На рис. 5 представлены амплитудно-фазовые частотные характеристики замкнутой системы «акселерометр - цифровая обратная связь», построенные с использованием математической модели, включающей передаточную функцию (2) и алгоритм (6). Показано, что система обладает необходимыми запасами устойчивости, полоса пропускания составляет ~ 640 Гц, показатель колебательности не превышает 1,1, что близко к характеристикам КХ67-041 с аналоговым усилителем обратной связи.In fig. Figure 5 shows the amplitude-phase frequency characteristics of the closed system "accelerometer - digital feedback" constructed using a mathematical model that includes the transfer function (2) and algorithm (6). It is shown that the system has the necessary stability margins, the passband is ~ 640 Hz, the oscillation index does not exceed 1.1, which is close to the characteristics of the KX67-041 with an analog feedback amplifier.

Выполнено моделирование переходных процессов в акселерометре.Simulation of transients in the accelerometer is performed.

Моделирование акселерометра с цифровой обратной связью (ЦОС) показало следующее: есть переходный процесс по углу β в акселерометре с передаточной функцией аналоговой части (2) и ЦОС, работающей в соответствии с алгоритмом (6) при скачкообразном воздействии ускорения в 10g. По окончании переходного процесса угол β в астатической системе сходится к нулю, однако его максимальная величина достигла 4⋅10^-3 рад=13,76' (моделирование проводилось при отсутствии «упоров», ограничивающих движение маятника). В реальном приборе КХ67-041 «упоры» ограничивают движение маятника углом ±6,8'.The simulation of the digital feedback accelerometer (DSP) showed the following: there is a transient in the angle β in the accelerometer with the transfer function of the analog part (2) and the DSP operating in accordance with algorithm (6) under the spasmodic action of acceleration of 10g. At the end of the transition process, the angle β in the astatic system converges to zero, however, its maximum value reached 4⋅10 ^-3 rad = 13.76 '(modeling was carried out in the absence of “stops” restricting the movement of the pendulum). In a real device KX67-041, the “stops” limit the movement of the pendulum to an angle of ± 6.8 '.

Переходной процесс в акселерометре с «упорами». Возмущением, как и в первом случае, является скачок ускорения 10g. Произошел удар маятника об «упор». Это явление крайне нежелательное, т.к. может привести к разрушению маятника или, в лучшем случае, к некоторой потере выходной информации.The transition process in the accelerometer with "stops". The perturbation, as in the first case, is an acceleration jump of 10g. There was a pendulum strike about the "emphasis". This phenomenon is extremely undesirable, because can lead to the destruction of the pendulum or, at best, to some loss of output information.

Предлагаемый способ обеспечения виброустойчивости акселерометра исключает такие явления.The proposed method of providing vibration resistance of the accelerometer eliminates such phenomena.

Результаты моделирования акселерометра, для которого коэффициент передачи алгоритма (6) изменяется в соответствии с законом (7) при указанных выше численных значениях параметров:The simulation results of the accelerometer, for which the transmission coefficient of algorithm (6) changes in accordance with the law (7) at the above numerical values of the parameters:

К_рег=2,73⋅10⁴ (К_ЦУОС=1); К^*=25; U_пop=0,36 B; К_peг ^max=8,19⋅10⁴ (К_ЦУОС ^max=3).To _reg = 2,73⋅10 ⁴ (To _TsUOS = 1); K ^* = 25; U _pop = 0.36 B; K _peg ^max = 8.19⋅10 ⁴ (K _TsUOS ^max = 3).

Появление на входе АЦП напряжения 0,36 В соответствует отклонению маятника на угол 0,68'. Согласно графику (3) благодаря реализации переменного коэффициента передачи ЦОС согласно соотношениям (7) при скачке ускорения 10g угол отклонения маятника не превысил 1,5⋅10^-3 рад=5,16', т.е. маятник не коснулся упора.The appearance at the input of the ADC voltage of 0.36 V corresponds to the deviation of the pendulum at an angle of 0.68 '. According to the graph (3), due to the implementation of the variable DSP transmission coefficient according to relations (7) with an acceleration jump of 10g, the angle of deviation of the pendulum did not exceed 1.5⋅10 ^-3 rad = 5.16 ', i.e. the pendulum did not touch the stop.

Чувствительный элемент имеет конструкцию, полностью соответствующую конструкции прототипа.The sensitive element has a design that is fully consistent with the design of the prototype.

Передаточная функция представленной схемы усилителя мощности равна:The transfer function of the presented power amplifier circuit is equal to:

Как видно из передаточной функции (9), для получения стабильной амплитуды импульсов тока датчика момента необходимо использование высокостабильного источника опорного напряжения U_ОП, высокостабильных сопротивлений R₁, R₂ и R_ЭТ. Активные элементы - операционный усилитель ОУ, транзисторы Т₁-Т₄ должны быть рассчитаны на ток, соответствующий диапазону измеряемых линейных ускорений, и обладать достаточным быстродействием: время включения-выключения, как правило, не должно превышать 100 нс.As can be seen from the transfer function (9), to obtain a stable amplitude of the current pulse of the torque sensor, it is necessary to use a highly stable source of reference voltage U _OP , highly stable resistances R ₁ , R ₂ and R _ET . The active elements are the op-amp operational amplifier, transistors T ₁ -T ₄ must be designed for a current corresponding to the range of measured linear accelerations, and have sufficient speed: the on-off time, as a rule, should not exceed 100 ns.

На рис. 6- структурная схема микроконтроллера.In fig. 6 - block diagram of the microcontroller.

Микроконтроллер (1), помимо центрального вычислителя (процессора) (20), имеет периферию, т.е. кристаллы, на которых выполнены следующие элементы: АЦП (21), ШИМ (22), первый таймер (23) и второй таймер (24), умножитель частоты (25), сравнивающее устройство (26). ШИМ образуют второй таймер и сравнивающее устройство.The microcontroller (1), in addition to the central computer (processor) (20), has peripherals, i.e. crystals on which the following elements are made: ADC (21), PWM (22), the first timer (23) and the second timer (24), a frequency multiplier (25), a comparator (26). PWM form a second timer and a comparator.

Акселерометр с цифровой обратной связью работает следующим образом. При действии ускорения вокруг оси торсиона акселерометра создается момент, с датчика угла напряжение поступает на предварительный усилитель (27), с предварительного усилителя на АЦП. С источника стабилизированного напряжения (28) на АЦП подается напряжение питания. Внешний генератор (29) запускает умножитель частоты микроконтроллера. В реализованном на предприятии макетном образце внешний генератор выдает 10 мГц, а умножитель частоты формирует 80 мГц. Эта частота является синхрочастотой и подается на АЦП, на вход центрального вычислителя, на первый и второй таймеры. Центральный вычислитель запускает АЦП и с выхода АЦП принимает данные в цифровых кодах U_ДУ(nT₀), U_ДУ[(n-1)Т₀], U_ДУ[(n-2)Т₀. В центральный вычислитель записаны все перечисленные выше программы и числовые данные по параметрам К*, к_зап, U_пop, U^* _max, К_рег ^mах. Первый таймер формирует период дискретизации Т₀ и подает его в центральный вычислитель. На акселерометр первый таймер подает частоту возбуждения датчика угла. Центральный вычислитель на каждом такте дискретизации nT₀ по записанной в память программе, реализующей алгоритм - разностное уравнение, рассчитывает цифровой код I_ДМ(nT₀), который соответствует среднему за период Т₀ значению тока датчика момента, который, в свою очередь, пропорционален измеренному линейному ускорению (для расчета цифрового кода I_ДМ(nT₀) используются его значения на предыдущих шагах I_ДМ[(n-1)Т₀], I_ДМ[(n-2)Т₀], а также значения U_ДУ(nT₀), U_ДУ[(n-1)Т₀], U_ДУ[(n-2)Т₀ с коэффициентами, записанными в разностном уравнении); этот цифровой код преобразуется в цифровую выходную информацию (унитарный код, RS-стандарт, Манчестер …) и подается в систему управления изделием, на котором установлен акселерометр).The accelerometer with digital feedback operates as follows. Under the action of acceleration, a moment is created around the axis of the accelerometer torsion, voltage is supplied from the angle sensor to the pre-amplifier (27), from the pre-amplifier to the ADC. The voltage source is supplied from the stabilized voltage source (28) to the ADC. An external generator (29) starts the frequency multiplier of the microcontroller. In the prototype model implemented at the enterprise, the external generator gives out 10 MHz, and the frequency multiplier forms 80 MHz. This frequency is a clock frequency and is fed to the ADC, to the input of the central computer, to the first and second timers. The central computer starts the ADC and from the ADC output receives data in digital codes U _DU (nT ₀ ), U _DU [(n-1) T ₀ ], U _DU [(n-2) T ₀ . The central computer contains all of the above programs and numerical data on the parameters K *, to _zap, _thresh the U, U ^* _max, K ^max _reg. The first timer generates a sampling period T ₀ and feeds it to the central computer. To the accelerometer, the first timer feeds the excitation frequency of the angle sensor. The central calculator at each sampling cycle nT ₀ according to the stored program that implements the algorithm - difference equation, calculates the digital code I _DM (nT ₀ ), which corresponds to the average value of the current of the torque sensor over a period T ₀ , which, in turn, is proportional to the measured linear acceleration (to calculate the digital code I _DM (nT ₀ ), its values are used in the previous steps I _DM [(n-1) T ₀ ], I _DM [(n-2) T ₀ ], as well as the values of U _ДУ (nT ₀ ), U _ДУ [(n-1) Т ₀ ], U _ДУ [(n-2) Т ₀ with coefficients written in the difference equation); this digital code is converted to digital output information (unitary code, RS-standard, Manchester ...) and fed into the product control system on which the accelerometer is installed).

В центральном вычислителе на каждом шаге дискретизации напряжение U(nT₀), поступающее на вход АЦП, после преобразования в код, сравнивается с U_пор. При напряжениях, меньших либо равных U_пop, формируется цифровой сигнал U*(nT₀) для ШИМ, соответствующий значению коэффициента передачи К_рег, и длительность импульсов в сравнивающем устройстве равна τ(nT₀)=[U*(nT₀)/U^* _max]⋅T₀.In the central computer, at each sampling step, the voltage U (nT ₀ ) supplied to the ADC input, after conversion to code, is compared with U _then . At voltages less than or equal to U _pop , a digital signal U * (nT ₀ ) is generated for the PWM, corresponding to the value of the transmission coefficient K _reg , and the pulse duration in the comparator is τ (nT ₀ ) = [U * (nT ₀ ) / U ^* _max ] ⋅T ₀ .

Центральный вычислитель определяет тот шаг дискретизации, на котором U(nT₀) больше U_пop и обеспечивает на последующих шагах дискретизации формирование увеличенного дискретного сигнала U*(nT₀)^ув для ШИМ, одновременно рассчитывается новое значение коэффициента передачи регулятора, равное К_рег+(|U(nT₀)|-U_пор)⋅К^*, что обеспечивает увеличение длительности импульсов на выходе ШИМ до величины τ(nT₀)^ув=[U*(nT₀)^ув/U^* _max]⋅T₀.The central calculator determines the sampling step at which U (nT ₀ ) is greater than U _pop and ensures the formation of an increased discrete signal U * (nT ₀ ) ^uv for PWM at subsequent sampling steps, at the same time, a new value of the regulator transmission coefficient is calculated, equal to K _reg + ( | U (nT ₀ ) | -U _then ) ⋅К ^* , which provides an increase in the pulse duration at the PWM output to τ (nT ₀ ) ^uv = [U * (nT ₀ ) ^uV / U ^* _max ] ⋅T ₀ .

Аналогично, на том шаге дискретизации, на котором U(nT₀) становится меньше U_пop, обеспечивается возврат к значению коэффициента передачи К_рег. Similarly, at that sampling step, at which U (nT ₀ ) becomes less than U _pop , a return to the value of the transmission coefficient K _{reg is} provided _.

Сформированный цифровой сигнал U*(nT₀) для ШИМ передается на сравнивающее устройство, на которое второй таймер подает сформированную «цифровую пилу».The generated digital signal U * (nT ₀ ) for the PWM is transmitted to a comparator, to which the second timer supplies the generated “digital saw”.

В сравнивающем устройстве выполняется сравнение кода U*(nT₀) со значениями «цифровой пилы» и отсекается момент времени, когда наступает равенство кода U*(nT₀) и соответствующего цифрового значения кода на «пиле». Так формируется длительность импульса ШИМ. По каналу плюс или минус (в зависимости от знака измеренного линейного ускорения) эти импульсы определенной длительности поступают на входы усилителя мощности, в котором амплитуда импульсов стабилизируется и поступает в обмотку датчика момента акселерометра.In the comparison device, the code U * (nT ₀ ) is compared with the values of the “digital saw” and the time is cut off when the equality of the code U * (nT ₀ ) and the corresponding digital code value on the “saw” occurs. So the pulse width of the PWM is formed. On the plus or minus channel (depending on the sign of the measured linear acceleration), these pulses of a certain duration arrive at the inputs of the power amplifier, in which the pulse amplitude is stabilized and enters the winding of the accelerometer moment sensor.

Таким образом, заявлены:Thus declared:

1. Способ обеспечения виброустойчивости маятникового акселерометра линейных ускорений с цифровой обратной связью, заключающийся в том, что используют маятниковый акселерометр, в цифровой обратной связи которого устанавливают значения периода дискретизации Т₀ работы широтно-импульсного модулятора (ШИМ), маятниковости акселерометра, коэффициента демпфирования, коэффициента передачи регулятора К_рег, обеспечивающие минимальную динамическую ошибку акселерометра при действии вибраций с максимальным заданным значением амплитуды линейного ускорения. Отличительная особенность заключается в том, что измеряют напряжение U_yп на входе АЦП цифрового усилителя при отклонении чувствительного элемента до упора, записывают в память контроллера: пороговое напряжение U_пop: U_пop=U_yп/к_зап, где к_зап - коэффициент запаса; значение коэффициента передачи регулятора К_рег ^mах, при котором при выбранных параметрах обеспечивается устойчивость системы с минимально допустимыми запасами по амплитуде и фазе, цифровой код уровня сигнала на входе ШИМ U^* _max, при котором длительность импульса τ(nT₀), где n - целое число, равна периоду дискретизации Т₀, значение коэффициента К^* корректировки значения коэффициента передачи регулятора К_рег, при эксплуатации акселерометра обеспечивают изменение значения коэффициента передачи регулятора в микроконтроллере от К_рег до К_рег ^mах по закону1. A method of ensuring the vibration resistance of a pendulum accelerometer of linear acceleration with digital feedback, which consists in using a pendulum accelerometer, in the digital feedback of which the values of the sampling period T ₀ of the pulse width modulator (PWM), the pendulum of the accelerometer, damping coefficient, coefficient are used the transmission of the regulator K _reg , providing the minimum dynamic error of the accelerometer under the action of vibrations with a maximum specified value of the linear amplitude acceleration. The distinguishing feature is that the measured voltage U _Yn at the ADC input at the digital amplifier element deviates to the stop, is written in the controller's memory of the threshold voltage U _thresh: U = U _thresh _Yn / k _app, where _zap - a safety factor; the value of the regulator transmission coefficient K _reg ^max , at which, with the chosen parameters, the system is stable with the minimum allowable margins in amplitude and phase, the digital code of the signal level at the PWM input is U ^* _max , at which the pulse duration is τ (nT ₀ ), where n is an integer numbers equal to the sampling period T _0, K-value ^* coefficient correction value K _reg transmission controller, during operation of the accelerometer values provide a change in the microcontroller of the controller gain K to K _reg _er ^max by law

для чего на каждом шаге дискретизации выполняют измерение и сравнение в микроконтроллере напряжения U(nT₀) на входе АЦП усилителя со значением U_пop; при значениях напряжений U(nT₀), меньших либо равных U_пop, для организованного внутри микроконтроллера ШИМ формируют в микроконтроллере цифровой входной сигнал U*(nT₀), соответствующий текущему значению напряжения U(nT₀) при значении коэффициента передачи регулятора К_рег; обеспечивают формирование ШИМ последовательности импульсов постоянной амплитуды и длительностью τ(nT₀)=[U*(nT₀)/U^* _max]⋅T₀; определяют в микроконтроллере тот шаг дискретизации, на котором U(nT₀) больше U_пop,обеспечивают на последующих шагах дискретизации формирование в микроконтроллере увеличенного цифрового сигнала U*(nT₀)^ув для ШИМ, соответствующего значению коэффициента передачи К_рег+(|U(nT₀)|-U_пop)⋅К^*, что обеспечивает увеличение длительности импульсов на выходе ШИМ до величины τ(nT₀)^ув=[U*(nT₀)^ув/U^* _max]⋅T₀; обеспечивают соответствующее увеличение длительности открытого состояния, определяемого величиной τ(nT₀)^ув, переключателя тока усилителя мощности, что обеспечивает поступление с выхода усилителя мощности в обмотку датчика момента акселерометра последовательности импульсов тока стабилизированной амплитуды и увеличенной длительности, определяют тот шаг дискретизации, на котором на входе АЦП напряжение U(nT₀) меньше либо равно U_пop, после чего обеспечивают возврат системы обратной связи к режиму работы со значением коэффициента передачи равным К_рег.why at each sampling step, they measure and compare in the microcontroller the voltage U (nT ₀ ) at the input of the ADC of the amplifier with the value of U _pop ; when the voltage values U (nT ₀ ) are less than or equal to U _pop , for the PWM organized inside the microcontroller, a digital input signal U * (nT ₀ ) corresponding to the current voltage U (nT ₀ ) at the regulator transmission coefficient K _{reg is} generated in the microcontroller; provide the formation of a PWM sequence of pulses of constant amplitude and duration τ (nT ₀ ) = [U * (nT ₀ ) / U ^* _max ] ⋅ T ₀ ; the sampling step is determined in the microcontroller at which U (nT ₀ ) is greater than U _pop ; at the subsequent sampling steps, the increased digital signal U * (nT ₀ ) ^uv is generated in the microcontroller for the PWM corresponding to the value of the transmission coefficient K _reg + (| U ( nT ₀ ) | -U _pop ) ⋅К ^* , which provides an increase in the pulse width at the PWM output to the value τ (nT ₀ ) ^uV = [U * (nT ₀ ) ^uV / U ^* _max ] ⋅T ₀ ; provide a corresponding increase in the duration of the open state, determined by the value of τ (nT ₀ ) ^uv , of the current switch of the power amplifier, which ensures that a sequence of stabilized amplitude and increased pulse current pulses from the output of the power amplifier to the winding of the accelerometer moment sensor determines the sampling step at which ADC input voltage U (nT ₀₎ is less than or equal to U _thresh then provide feedback system returns to an operating mode with coefficient value before the Chi equal to the _reg.

2. Виброустойчивый маятниковый акселерометр с цифровой обратной связью, включающий маятниковый чувствительный элемент, емкостной датчик угла, магнитоэлектрический датчик момента, цифровой усилитель обратной связи, включающий предварительный усилитель, преобразователь напряжение - временной интервал, внешний генератор и усилитель мощности, включающий переключатель тока и стабилизатор тока, при этом датчик угла, цифровой усилитель обратной связи и датчик момента соединены последовательно. Отличительная особенность заключается в том, что преобразователь напряжение - временной интервал выполнен в виде микроконтроллера, в котором реализованы АЦП, центральный вычислитель, умножитель частоты, первый таймер (Т1), формирующий тактовую частоту, широтно-импульсный модулятор, образованный вторым таймером (Т2) и сравнивающим устройством, при этом входом микроконтроллера является первый вход АЦП, второй вход АЦП соединен с источником стабилизированного напряжения, вход умножителя частоты соединен с выходом внешнего генератора, выход умножителя частоты соединен с третьим входом АЦП, вторым входом центрального вычислителя, входом Т1 и первым входом Т2; первый выход центрального вычислителя соединен с четвертым входом АЦП, а выход АЦП соединен с первым входом центрального вычислителя; первый выход Т1 соединен с третьим входом центрального вычислителя и вторым входом Т2; выход Т2 соединен с первым входом сравнивающего устройства, второй выход центрального вычислителя соединен с вторым входом сравнивающего устройства и является выходом микроконтроллера, выдающим в цифровом виде информацию об измеренном линейном ускорении; второй выход Т1 соединен с обмоткой возбуждения датчика угла акселерометра; выход сравнивающего устройства, формирующего импульсы напряжения, соединен с входом усилителя мощности.2. Vibration-resistant pendulum accelerometer with digital feedback, including a pendulum sensing element, a capacitive angle sensor, a magnetoelectric moment sensor, a digital feedback amplifier, including a pre-amplifier, a voltage-time interval converter, an external generator and a power amplifier, including a current switch and a current stabilizer while the angle sensor, the digital feedback amplifier and the torque sensor are connected in series. A distinctive feature is that the voltage-time interval converter is made in the form of a microcontroller that implements an ADC, a central computer, a frequency multiplier, a first timer (T1) that generates a clock frequency, a pulse-width modulator formed by a second timer (T2), and a comparator, the input of the microcontroller is the first input of the ADC, the second input of the ADC is connected to a stabilized voltage source, the input of the frequency multiplier is connected to the output of an external generator, q the frequency multiplier is connected to the third input of the ADC, the second input of the central computer, the input T1 and the first input T2; the first output of the central computer is connected to the fourth input of the ADC, and the output of the ADC is connected to the first input of the central computer; the first output T1 is connected to the third input of the central computer and the second input T2; the output T2 is connected to the first input of the comparing device, the second output of the central calculator is connected to the second input of the comparing device and is the output of the microcontroller, which digitally gives information about the measured linear acceleration; the second output T1 is connected to the excitation winding of the accelerometer angle sensor; the output of the comparing device generating the voltage pulses is connected to the input of the power amplifier.

Литература:Literature:

1. Коновалов С.Ф. Теория виброустойчивости акселерометров. - М.: Машиностроение, 1991 г.1. Konovalov S.F. Theory of vibration resistance of accelerometers. - M.: Engineering, 1991

2. С.М. Федоров, А.П. Литвинов. Автоматические системы с цифровыми управляющими машинами. – М., Л.: Энергия, 1965.2. S.M. Fedorov, A.P. Litvinov. Automatic systems with digital control machines. - M., L .: Energy, 1965.

3. Бессекерский В.А, Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. – М.: Наука, 1966.3. Bessekersky V.A., Popov E.P. Theory of automatic control systems. - M .: Nauka, 1966.

Claims

1. A method of ensuring the vibration resistance of a pendulum accelerometer of linear acceleration with digital feedback, which consists in using a pendulum accelerometer, in the digital feedback of which the values of the sampling period T ₀ of the pulse width modulator (PWM), the pendulum of the accelerometer, damping coefficient, coefficient are used the transmission of the regulator K _reg , providing the minimum dynamic error of the accelerometer under the action of vibrations with a maximum specified value of the linear amplitude Nogo acceleration, characterized in that the measured voltage U _yn at the ADC input at the digital amplifier element deviates to the stop, is written in the controller's memory of the threshold voltage U _thresh: U = U _thresh _Yn / k _app, where _zap - a safety factor; the value of the regulator transmission coefficient K _peg ^max , at which, with the selected parameters, the system is stable with the minimum margin in amplitude and phase, the digital code of the signal level at the PWM input is U ^* _max , at which the pulse duration is τ (nT ₀ ), where n is an integer numbers equal to the sampling period T _0, the value of the coefficient K ^* K correction value controller _reg transfer coefficient, the operation of the accelerometer values provide a change in the microcontroller of the controller gain K to K _D _reg ^max according to the law

why at each sampling step, they measure and compare in the microcontroller the voltage U (nT ₀ ) at the input of the ADC of the amplifier with the value of U _pop ; when the voltage values U (nT ₀ ) are less than or equal to U _pop , for the PWM organized inside the microcontroller, a digital input signal U * (nT ₀ ) corresponding to the current voltage U (nT ₀ ) at the regulator transmission coefficient K _{reg is} generated in the microcontroller; provide the formation of a PWM sequence of pulses of constant amplitude and duration τ (nT ₀ ) = [U * (nT ₀ ) / U ^* _max ] ⋅ T ₀ ; the sampling step is determined in the microcontroller at which U (nT ₀ ) is greater than U _pop ; at the subsequent sampling steps, the increased digital signal U * (nT ₀ ) ^uv is generated in the microcontroller for the PWM corresponding to the value of the transmission coefficient K _reg + (| U ( nT ₀ ) | -U _pop ) ⋅К ^* , which provides an increase in the pulse width at the PWM output to the value τ (nT ₀ ) ^uV = [U * (nT ₀ ) ^uV / U ^* _max ] ⋅T ₀ ; provide a corresponding increase in the duration of the open state, determined by the value of τ (nT ₀ ) ^uv , of the current switch of the power amplifier, which ensures that a sequence of stabilized amplitude and increased pulse current pulses from the output of the power amplifier to the winding of the accelerometer moment sensor determines the sampling step at which ADC input voltage U (nT ₀₎ is less than or equal to U _thresh then provide feedback system returns to an operating mode with coefficient value before the Chi equal to the _reg.

2. Vibration-resistant pendulum accelerometer with digital feedback, including a pendulum sensing element, a capacitive angle sensor, a magnetoelectric moment sensor, a digital feedback amplifier, including a pre-amplifier, a voltage-time interval converter, an external generator and a power amplifier, including a current switch and a current stabilizer wherein the angle sensor, the digital feedback amplifier and the torque sensor are connected in series, characterized in that the voltage converter - - the time interval is made in the form of a microcontroller, in which an ADC, a central computer, a frequency multiplier, a first timer (T1) that generates a clock frequency, a pulse-width modulator formed by a second timer (T2) and a comparison device are used, while the input of the microcontroller is the first input of the ADC, the second input of the ADC is connected to a stabilized voltage source, the input of the frequency multiplier is connected to the output of an external generator, the output of the frequency multiplier is connected to the third input of the ADC, the second input of the central ny computer, the input of T1 and the first input of T2; the first output of the central computer is connected to the fourth input of the ADC, and the output of the ADC is connected to the first input of the central computer; the first output T1 is connected to the third input of the central computer and the second input T2; the output T2 is connected to the first input of the comparing device, the second output of the central calculator is connected to the second input of the comparing device and is the output of the microcontroller, which digitally gives information about the measured linear acceleration; the second output T1 is connected to the excitation winding of the accelerometer angle sensor; the output of the comparing device generating the voltage pulses is connected to the input of the power amplifier.