Гирокомпас "Гюйс"

Оглавление

 

ВВЕДЕНИЕ.

Данная дипломная работа выполнялась  в ОАО Пермская Научно-Производственная Приборостроительная Компания (ПНППК).

ПНППК имеет 45-летний опыт разработки и производства навигационных систем различного назначения и товаров народного потребления. Важнейшими направлениями ее деятельности являются: авиационное приборостроение, морская навигация, производство электроинструмента.

За последние годы на ПНППК были освоены технологии производства большинства  современных базовых элементов  навигационных систем. Это позволяет постоянно модернизировать существующее навигационное оборудование и разрабатывать новые изделия на основе традиционных базовых элементов с повышением точности и расширением возможностей основных объектов. Концентрация передовых производственных технологий способствовала появлению новых направлений в производстве для навигационных систем. С привлечением лучших научно-технических сил региона и России специалисты Компании на основе волоконно-оптических гироскопов и микромеханических датчиков разработали образцы современных систем, которые могут использоваться для навигации и стабилизации движущихся объектов во всех средах.

Созданный на базе авиационных технологий гирокомпас "Гюйс" (рис. 1.) для морских  и речных судов завоевал множество  наград не только на российском, но и на мировом рынке и послужил основой целого семейства приборов морской навигации: гирокомпаса "Гюйс-М" повышенной точности,

 

 

 

 

 

 гирокурсоуказателя ГКУ-5 и морской  интегрированной малогабаритной навигационной системы "Кама" для кораблей ВМФ, гирокомпаса "Scan-2000", выпускаемого совместно с датской фирмой Scan Steering, и разработанного совместно с английской фирмой "SGB" гирокомпаса "Меридиан" для судов различного класса.

Гирокомпас "Гюйс" предназначен для использования  на речных и морских судах различного класса, от катеров до быстроходных паромов и круизных лайнеров.

 Гирокомпас обеспечивает:

• курс относительно географического меридиана (при скорости судна до 90 узлов, широте до 75 градусов и максимальных углах дифферента и крена до 45 градусов);
• информацию о курсе для аналоговых, цифровых и шаговых потребителей;
• информацию о режиме работы и неисправностях.

В состав гирокомпаса “Гюйс” входит:

• ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРИБОР.(ЦП) Гирокомпас с коррекцией на базе динамически настраиваемого гироскопа помещен в цилиндрический корпус с курсовой шкалой вверху.
• БЛОК ЭЛЕКТРОННЫЙ.(БЭ) Вырабатывает корректирующие, управляющие сигналы и вторичные напряжения для гироскопа. Он также преобразует аналоговый курс в цифровой код (NMEA0183 RS232/422) и в шаговое напряжение (6 шаг/град, 24 В, диаграмма Sperry).
• ПУЛЬТ ОПЕРАТОРА.(ПО) Осуществляет функцию управления и отображает входные и выходные данные. Помещен в прямоугольный корпус с ручками управления, индикаторами готовности и неисправности и дисплеем на передней панели.

В основе гирокомпаса “Гюйс” лежит  динамически настраиваемый гироскоп. На сегодняшний день они применяются в большинстве высокоточных систем навигации. Важнейшей частью динамически настраиваемого гироскопа является гиромотор.

Данная дипломная работа посвящена  разработке платы питания гиромотора. От правильной работы гиромотора напрямую зависят выходные параметры и точность гироскопа, а, следовательно, и точность показаний навигационных приборов. Поэтому к плате питания гиромотора предъявляются особенного высокие требования по точности и надежности.

Работа проводилась в составе  плановых работ по усовершенствованию и увеличению надежности гирокомпаса “Гюйс”. В частности работы по замене применяемого на сегодняшний день гироскопа ГВК-6Г на более надежный и современный ГБ-23.

Цель данной разработки была продиктована следующими причинами:

1. Применяемая на сегодняшний  день плата питания гиромотора  для ГБ-23 имеет следующие недостатки:

• не обеспечивает требуемый уровень надежности;
• имеет очень низкий массогабаритный показатель (состоит из двух плат);
• выполнена на устаревшей элементной базе;
• не обеспечивает защиту от короткого замыкания и контроль работы гиромотора;
• по входным параметрам не подходит для гирокомпаса “Гюйс”.

2. На сегодняшний день ведется  разработка нового малогабаритного  навигационного прибора для судов среднего и легкого класса с применением нового миниатюрного гироскопа КИНД-05-081 (рис.2.), где также планируется применение разрабатываемой платы. Это накладывает дополнительные требования к плате питания гиромотора:

• высокая точность выходных параметров
• низкие габариты

3. Необходимость создания универсальной  платы питания для широкой номенклатуры гироскопов, что стало возможным с появлением программируемых устройств, таких как микроконтроллеры (для каждого гироскопа своя программа).

 

 

 

 

 

 

1. РАЗРАБОТКА  АППАРАТНОЙ ЧАСТИ.

В рамках данного раздела представлен  текст технического задания на разработку, разработка структурной и электрической принципиальной схем исходя из технического задания, обоснование выбора элементной базы,  расчет узлов схемы и разработка печатной платы.

1.1. Текст технического задания.

1. ЦЕЛЬ ВЫПОЛНЕНИЯ ДАННОЙ РАБОТЫ 

Целью разработки является создание устройства, обеспечивающего необходимые условия для работы гиромотора и контроля его параметров. Устройство должно быть гибким, универсальным и обеспечивать оперативное изменение выходных параметров.

 

2. НАИМЕНОВАНИЕ ОБРАЗЦА– ПГМ-1

 

3. ТАКТИКО–ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ  К ОБРАЗЦУ

3.1 Требования по назначению  и технические характеристики

Назначением изделия является обеспечение следующих  параметров:

3.1.1 Встроенное внутреннее тестирование  устройства с индикацией неисправности.

3.1.2 Устройство должно обеспечивать  выдачу трехфазного напряжения прямоугольной формы в следующих режимах:

В режиме “ФОРСАЖ”:

а) длительность 30±1 с.

   частота f=400±0,02 Гц

   напряжение U=35±1 В

 

б) длительность 20-30 с.

    частота f=f₀¹±0,25 Гц

    напряжение U=35±1 В

в) длительность 10 с.

    частота f=500±0,1 Гц

    напряжение U=30±1 В

В режиме “РАБОТА”:

а) частота f=400±0,02 Гц

    напряжение U=17,5±0,2 В

б) частота f=f₀±0,25 Гц

    напряжение U=17,5±0,2 В

в) частота f=500±0,1 Гц

    напряжение U=14±0,4 В

В режиме “ЦИКЛИЧЕСКОЕ ПЕРЕВОЗБУЖДЕНИЕ  ”:

а, б) длительность импульсов 8-12 мс через  каждые 10 с

        напряжение  U= U=35±1 В

в) длительность импульсов 150-170 мкс, через каждые 0,1 с

    напряжение U=25-30 В

3.1.3 Мощность источника не менее  50 Вт.

3.1.4 Защита от короткого замыкания  с индикацией о неисправности.

3.1.5 Контроль угла рассогласования  (q<60°) с целью обеспечения синхронизма. Индикация “авария” при срыве синхронизма.

 

3.2 Требования по радиоэлектронной защите

3.2.1 Изделие не должно создавать  помех, мешающих работе навигационного оборудования и радиосвязи.

3.2.2 Электромагнитная совместимость  изделия с установленными в  гирокомпасе “Гюйс” электронными  платами должна обеспечиваться при совместной их работе.

 

3.3 Требования по живучести и  стойкости к внешним воздействующим  факторам

3.3.1 Изделие должно использоваться  в условиях:

• воздействия температуры окружающей среды от -15 до +55°С;
• относительной влажности окружающего воздуха до 98% при температуре +40°С;
• воздействия синусоидальной вибрации в диапазоне:

• от 2 Гц до 13,2 Гц с амплитудой виброперемещения от -1 до +1 мм,
• от 13,2 Гц до 100 Гц с максимальным ускорением 7,0 м/с²;

3.3.2 Изделие должно функционировать и сохранять свои параметры после воздействия следующих внешних факторов окружающей среды (при отключенном питании):

• пониженной предельной температуры окружающей среды до минус 60°С;
• повышенной предельной температуры окружающей среды до 80°С;
• механического удара с пиковым ускорением до 100 м/с² и длительностью импульса от 10 до 15 мс.

 

3.4 Требования по надёжности

Изделие должно соответствовать следующим  требованиям:

• наработка на отказ – не менее 25 000 часов;
• время непрерывной работы – неограниченно;
• средний ресурс изделия – 50 000 часов;
• срок службы изделия – не менее 12 лет.

 

3.5 Требования по безопасности

Изделие должно быть сконструировано  таким образом, чтобы в максимальной степени исключить опасность аварии, пожара, появления дыма или ядовитых запахов при его использовании, а также при возможных отказах и неисправностях.

 

3.6 Требования по стандартизации  и унификации

3.6.1 В конструкции изделия должна  быть предусмотрена применяемость стандартных и заимствованных деталей и узлов.

3.6.2 Материалы, применяемые в изделии, должны соответствовать государственным и отраслевым стандартам и техническим условиям.

Номенклатура должна быть минимальной.

 

3.7 Требования по технологичности

Конструкция изделия должна обеспечивать серийное производство, технологичность сборки.

 

3.8 Конструктивные требования

Приборы изделия должны иметь минимально возможные весогабаритные параметры.

 

4. ТЕХНИКО–ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ

4.1 На этапе разработки должен  быть выполнен ориентировочный  расчёт себестоимости изделия и сравнительные технико-экономические характеристики по отношению к имеющимся аналогам.

 

 

 

5. ТРЕБОВАНИЯ ПО ВИДАМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ

5.1 Требования по метрологическому  обеспечению

5.1.1 Правила и нормы метрологического  обеспечения должны отвечать требованиям стандартов Государственной системы обеспечения единства измерений и действующей НТД.

5.1.2 Методы измерений и контроля  должны обеспечивать единство  измерений с заданной точностью. Используемое оборудование должно быть унифицировано и должно обеспечивать проведение всех видов испытаний в режимах с заданными допусками.

5.2 Требования к математическому  и программному обеспечению

Для разработки функционального программного и математического обеспечения  изделия должны быть использованы или  разработаны программно-аппаратные средства на базе современных персональных компьютеров.

 

6. ТРЕБОВАНИЯ К МАТЕРИАЛАМ И  КОМПЛЕКТУЮЩИМ

6.1 Материалы, полуфабрикаты и  комплектующие изделия должны  удовлетворять требованиям действующих  государственных и отраслевых  стандартов и технических условий, и должны быть разрешены к применению в перспективных разработках.

6.2 Изделие должно быть разработано  с применением высокоэффективной отечественной и зарубежной элементной базы и комплектующих.

 

1.2. Разработка  структурной схемы

Анализируя текст технического задания, можно прийти к выводу, что для реализации устройства необходимы три основных элемента – это преобразователь напряжения, формирователь трехфазного напряжения заданной частоты и устройство управления (рис.1.1). Остановимся на каждом из них поподробнее.

Преобразователь напряжения необходим для формирования заданных уровней напряжения в различных  режимах с требуемой точностью. В системе имеется источник питания, который выдает стабилизированное напряжение +27В, +24В, ±15В и +5В. В разрабатываемом устройстве для питания преобразователя наиболее целесообразно использовать напряжение +24В. Это объясняется следующими причинами:

• напряжение +27В без преобразования недостаточно для обеспечения режима “ФОРСАЖ”, а требуемый уровень напряжения в режиме “РАБОТА” (который является основным), проще получить преобразованием +24В;
• напряжение ±15В и +5В недостаточно без преобразования даже для обеспечения режима “РАБОТА”, а повышающий преобразователь постоянного напряжения более сложен в реализации, чем понижающий.

На сегодняшний день существует два основных типа преобразователей (стабилизаторов), применяемых в  источниках питания и имеющих  возможность регулирования выходного напряжения – это регулируемые линейные стабилизаторы напряжения и импульсные стабилизаторы напряжения. Те и другие имеют свои достоинства и недостатки. Сравнительные данные представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

	Линейные стабилизаторы	Импульсные стабилизаторы
Достоинства	Малые габариты Не создают помех при работе Дешевизна	Очень высокий КПД Возможность управления от цифровых схем с помощью ШИМ Выходное напряжение может быть больше входного
Недостатки	Низкий КПД Аналоговое управление Выходное напряжение не может быть больше входного	Создают помехи при работе

 

Анализируя  данные, приведенные в таблице 1.1 можно сделать вывод, что применение импульсного стабилизатора напряжения в данном случае является наиболее целесообразным, потому что: