ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП С ОПТИЧЕСКИМ СЧИТЫВАНИЕМ ПОЛОЖЕНИЯ ОСИ РОТОРА И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ОСИ РОТОРА Российский патент 2014 года по МПК G01C19/46 G01C19/24 

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации электростатических гироскопов со сферическим ротором и с оптическим считыванием положения оси ротора относительно корпуса.

Известен электростатический гироскоп с оптическим устройством считывания, в котором применен фазоимпульсный метод выделения угловой информации по сигналам оптических датчиков (Патент США №3313161). Для этого на поверхности ротора нанесен контрастный по отражению рисунок, состоящий из непересекающихся светопоглощающих полос, границы которых являются дугами большого круга (ортодромиями), наклоненными под одинаковым углом к экватору ротора. В любом широтном сечении сферы ротора полосы имеют одинаковую ширину, равную ширине промежутков между полосами. В корпусе такого гироскопа установлены три пары идентичных оптических датчиков, оси которых образуют прямоугольную систему координат. Выходы каждой пары противоположно расположенных датчиков соединены с соответствующими измерителями фазового сдвига, выходы которых подключены к вычислителю для обработки цифровой информации.

В процессе вращения ротора гироскопа оптические датчики выдают сигналы в виде импульсной последовательности за счет прерывания поглощающими полосами рисунка световых потоков при их отражении от ротора. Частота импульсной последовательности равна частоте вращения ротора, умноженной на число полос в рисунке. За счет наклона полос рисунка к экватору ротора при угловых перемещениях оси вращения ротора относительно осей датчиков возникают фазовые сдвиги их импульсных последовательностей. При этом фазовые сдвиги противоположных датчиков имеют противоположные знаки, разность фаз между сигналами данной пары датчиков является функцией от угла между их осью и экваториальной плоскостью ротора. Таким образом, в рассматриваемом гироскопе реализован способ определения угловой ориентации ротора относительно корпуса, который включает:

- облучение ротора шестью световыми потоками, осями которых формируется прямоугольная система координат, связанная с корпусом гироскопа;

- модуляцию интенсивности световых потоков при их отражении от вращающегося ротора, параметры которой (фазовые сдвиги) функционально связаны с угловой ориентацией оси вращения ротора относительно осей световых потоков;

- прием отраженных модулированных световых потоков;

- преобразование световых потоков в переменные электрические сигналы;

- измерение разности фаз электрических сигналов от противоположных световых потоков;

- вычисление по измеренным значениям разности фаз углового положения оси вращения ротора относительно каждой из осей прямоугольной системы координат, связанной с корпусом гироскопа.

Общим недостатком рассматриваемого гироскопа и реализованного в нем способа определения углового положения ротора является неопределенность (неоднозначность) получаемой угловой информации в широком диапазоне углов ±180° из-за того, что широкий диапазон рабочих углов состоит из нескольких более узких однозначных диапазонов. Это поясняется следующим. Коэффициент передачи между пространственным углом положения ротора и разностью фаз электрических сигналов противоположных датчиков зависит от геометрических параметров роторного рисунка:

$$\Delta \varphi =\frac{2N}{tgA}\cdot \alpha$$

где Δφ - разность фаз, N - число полос, A - угол наклона полос к экватору, α - пространственный угол. Для увеличения чувствительности число полос должно быть как можно больше, а угол наклона - как можно меньше. Поскольку функция разности фаз двух электрических сигналов определена на интервале 0-2π, то угловое перемещение ротора на угол, больший, чем

$${\alpha }_{\partial }=\frac{\pi \cdot tgA}{N}$$ ,

вызывает неоднозначность информации о пространственном угле с точностью до α_д. Так, при последовательном наклоне ротора от 0° до 50° разность фаз неоднократно повторяет свои значения. Следовательно, в данном угловом интервале укладывается несколько диапазонов величиной α_д. Для определения конкретного углового диапазона работы гироскопа требуются дополнительные средства, например устройство грубого определения угла по небалансу ротора, что усложняет конструкцию гироскопа и приводит к снижению его точности и надежности.

Кроме того, линии в виде ортодромий позволяют нанести рисунок лишь в ограниченном широтном диапазоне поверхности ротора. При этом существуют такие положения ротора ЭСГ, при которых датчики одного из оптических каналов облучают приполюсную часть поверхности ротора, где рисунок отсутствует, и модуляции светового потока не происходит. В этом случае данный канал не вырабатывает информацию о положении оси вращения ротора.

Наиболее близкими к предлагаемому электростатическому гироскопу и способу определения углового положения ротора является электростатический гироскоп и реализованный в нем способ определения углового положения ротора (Патент РФ №2104491), который принимаем за прототип.

Данный гироскоп содержит ротор с нанесенным на него рисунком из шестнадцати полос, наклоненных к экватору. Форма полос в любом широтном сечении ротора выполнена так, что ширина четырнадцати полос равна ширине промежутков между полосами, и только один из промежутков сужен по сравнению с остальными за счет увеличения ширины прилегающих к нему двух полос. Данный гироскоп также содержит шесть оптических датчиков, расположенных парами по трем ортогональным осям и подсоединенных соответственно к трем идентичным измерителям фазовых сдвигов с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), реализующих каналы точного отсчета углового положения ротора по известному фазоимпульсному методу. Кроме того, в каждый измеритель введены два устройства селекции по длительности импульсов каждого из пары датчиков, два формирователя опорных сигналов и дополнительный преобразователь фаза-код, совокупность которых реализует канал грубого отсчета углового положения ротора фазоимпульсным методом по разности фаз опорных сигналов противоположных датчиков. В каждый измеритель введен D-триггер, управляющий D-вход и синхронизирующий С-вход которого соответственно соединены с выходами формирователей опорных сигналов двух пространственно смежных датчиков, реализующий канал определения знака проекции вектора кинетического момента ротора, совпадающего или противоположного по направлению осям геометрической системы координат корпуса ЭСГ.

Особенность работы рассматриваемого ЭСГ заключается в многоотсчетном методе формирования информации об угловом положении ротора относительно корпуса гироскопа. В процессе вращения ротора ЭСГ оптические датчики выдают импульсную последовательность за счет прерывания поглощающими полосами рисунка световых потоков при их отражении от ротора. Частота импульсной последовательности равна частоте вращения ротора, умноженной на число полос в рисунке. При этом за один оборот ротора длительность одного светового импульса меньше длительности остальных. Частота следования таких «узких» импульсов равна частоте вращения ротора. Импульсная последовательность каждого датчика поступает на устройство ФАПЧ, которое формирует синхронную с входным сигналом импульсную последовательность с равной длительностью всех импульсов. За счет наклона полос рисунка к экватору ротора при угловых перемещениях оси вращения ротора относительно осей датчиков возникают фазовые сдвиги их импульсных последовательностей, а следовательно, такие же фазовые сдвиги возникают и на выходах устройств ФАПЧ. Разность фаз сигналов устройств ФАПЧ противоположных датчиков характеризует точное значение угловой ориентации ротора в одном из узких поддиапазонов α_д, из которых состоит широкий диапазон углов:

$$\Delta {\varphi }_{то}=\frac{2N}{tgA}\cdot \alpha$$

где Δφ_то - разность фаз сигналов канала точного отсчета.

Для определения номера рабочего поддиапазона импульсная последовательность каждого датчика поступает на устройство временной селекции импульсов по длительности, в котором имеется ждущий мультивибратор. Мультивибратор запускается задними фронтами каждого импульса датчика (как «широкого», так и «узкого») и генерирует собственный импульс. Параметры времязадающей цепи мультивибратора подобраны таким образом, что длительность его собственного импульса меньше временной паузы между импульсами датчика, но больше половины этой временной паузы. Импульсные последовательности датчика и мультивибратора логически умножают на схеме «И» и получают последовательность «узких» импульсов с частотой вращения ротора, по фронтам которых формируют опорный сигнал в виде меандра. За счет наклона полос рисунка к экватору ротора при угловых перемещениях оси вращения ротора относительно осей датчиков возникают фазовые сдвиги их импульсных последовательностей, а следовательно, возникают и фазовые сдвиги опорных сигналов. Фазовый сдвиг опорного сигнала в N раз меньше, чем фазовый сдвиг сигнала устройства ФАПЧ, поскольку в N раз меньше его частота. Разность фаз опорных сигналов противоположных датчиков характеризует грубое значение угловой ориентации ротора в широком диапазон углов:

$$\Delta {\varphi }_{го}=\frac{2}{tgA}\cdot \alpha$$

где Δφ_го - разность фаз сигналов канала грубого отсчета.

Опорные сигналы поступают на преобразователь фаза-код, старшие разряды которого в цифровом виде представляют номер рабочего углового поддиапазона. Для определения знака проекции вектора кинетического момента ротора на ось (например, Z) системы координат корпуса гироскопа, опорные сигналы двух смежных датчиков других осей (например, X1 и Y1) подают соответственно на управляющий вход и синхронизирующий вход D-триггера. Если ось вращения ротора перпендикулярна плоскости XY, то фазовый сдвиг опорного сигнала датчика Y1 относительно опорного сигнала датчика XI составляет либо 90°, либо 270° в зависимости от ориентации вектора кинетического момента ротора. Так при векторе кинетического момента, совпадающего с осью Z по направлению, в процессе вращения ротора полосы рисунка раньше пересекают поле зрения датчика XI, чем поле зрения датчика Y1, и фазовый сдвиг составляет 90°. При перевороте оси вращения ротора относительно корпуса на 180° вектор кинетического момента противоположен оси Z и полосы роторного рисунка пересекают поле зрения датчика Y1 раньше во времени, чем поле зрения датчика XI. Тогда фазовый сдвиг опорного сигнала датчика Y1 относительно опорного сигнала датчика XI составляет 270° (или минус 90°). Таким образом, при перевороте оси вращения ротора на 180° логический сигнал на выходе указанного триггера инвертируется.

Как следует из принципа работы рассматриваемого гироскопа, в нем реализован следующий способ определения угловой ориентации ротора относительно корпуса, который включает:

- подвешивание ротора в электростатическом поле;

- раскрутку и демпфирование ротора с помощью электромагнитного поля;

- облучение ротора шестью световыми потоками, осями которых формируется прямоугольная система координат, связанная с корпусом гироскопа;

- модуляцию интенсивности световых потоков при их отражении от вращающегося ротора, параметры которой (фазовые сдвиги) функционально связаны с угловой ориентацией оси вращения ротора относительно осей световых потоков;

- дополнительную модуляцию длительности световых импульсов таким образом, что за один оборот ротора длительность одного импульса меньше, чем интервал времени между импульсами, а длительность остальных импульсов равна этому интервалу;

- прием отраженных модулированных световых потоков;

- преобразование световых потоков в последовательности электрических импульсов;

- для каждого светового потока формирование основного сигнала на частоте следования импульсов;

- для каждого светового потока временная селекция электрических импульсов и выделение импульсов малой длительности;

- для каждого светового потока формирование опорного сигнала на частоте вращения ротора, синхронного с последовательностью импульсов малой длительности;

- определение грубого значения углового положения оси вращения ротора относительно каждой из осей прямоугольной системы координат корпуса гироскопа по разности фаз опорных сигналов от противоположных световых потоков;

- определение знака проекции вектора кинетического момента ротора на каждую из осей прямоугольной системы координат корпуса гироскопа по длительности интервала времени между фронтами опорных сигналов от смежных световых потоков двух других осей координат;

- определение точного значения углового положения оси вращения ротора относительно каждой из осей прямоугольной системы координат корпуса гироскопа по разности фаз основных сигналов от противоположных световых потоков.

Недостатком рассматриваемого электростатического гироскопа с оптическим считыванием является зависимость точности работы канала грубого отсчета от частоты вращения ротора из-за наличия ждущего мультивибратора в схеме временной селекции импульсов. Поскольку постоянная времени мультивибратора подобрана так, что длительность генерируемого им импульса имеет строго определенную величину (больше половины паузы и меньше паузы между импульсами датчика на определенной частоте вращения ротора), то изменение частоты вращения ротора в больших пределах приводит к информационному сбою канала грубого отсчета. Так, например, если понизить частоту вращения ротора вдвое, то указанное соотношение длительности импульса мультивибратора с длительностью временной паузы между импульсами датчика нарушается. При этом «узкие» импульсы, требующиеся для формирования опорного сигнала, не выделяются, и информация, вырабатываемая преобразователем фаза-код канала грубого отсчета, является недействительной. Следует отметить, что работа гироскопа включает такие режимы, когда частота вращения ротора отлична от номинальной. В режиме раскрутки и демпфирования ротора частота меняется от нуля до определенного рабочего значения. В режиме управления пространственным положением оси демпфирования ротора частота его вращения имеет пониженное значение, поскольку данное управление сопровождается торможением ротора. Также существуют технологические режимы проверки и испытаний гироскопа на стендовом оборудовании, при которых раскрутка ротора производится до частоты значительно меньше номинальной. Таким образом, в указанных режимах работы канал грубого отсчета рассматриваемого гироскопа выдает ошибочную информацию об угловой ориентации ротора.

Второй недостаток относится как к устройству рассматриваемого электростатического гироскопа с оптическим считыванием, так и к реализованному в нем способу определения угловой ориентации ротора и заключается в низкой помехозащищенности информации о положении ротора по каналу грубого отсчета из-за временной селекции «узких» импульсов и формирования опорных сигналов по импульсам малой длительности. Производственный опыт изготовления и испытаний гироскопов с оптическими датчиками показывает, что на поверхности ротора помимо поглощающих полос рисунка имеются контрастные по отражению дефекты (пятна, царапины и т.п.), возникающие при технологических операциях обработки ротора. Эти дефекты имеют малые размеры и не вносят ухудшения в свойства ротора по небалансу масс, по форме и электропроводности его поверхности. Однако отражательный контраст этих дефектов достаточен для паразитной модуляции световых потоков, и за счет высокой чувствительности оптических датчиков на их выходе возникают импульсные помехи малой длительности. Так, например, если на фоне светопоглощающей полосы роторного рисунка имеется светлая царапина, то паразитный импульс от нее на выходе датчика может также запускать ждущий мультивибратор. При этом нарушается правильность фазовых соотношений формируемых опорных сигналов, что приводит к ошибке считывания углового положения ротора по каналу грубого отсчета.

Третий недостаток относится к реализованному способу определения углового положения ротора и заключается в обогащении спектрального состава сигнала оптического датчика за счет указанного вида дополнительной модуляции световых импульсов по длительности. Из радиотехники известно, что:

- сигналы с широтно-импульсной модуляцией имеют большое количество гармонических составляющих частотного спектра;

- погрешность известных фазометров (в том числе и измерителя фазовых сдвигов на основе преобразователя фаза-код со схемой ФАПЧ) зависит от коэффициентов гармоник входных сигналов: чем больше гармоник (т.е. чем больше спектр сигналов датчиков), тем больше погрешность измерения их фазовых сдвигов.

Дополнительная модуляция световых импульсов в виде последовательности одного «узкого» и пятнадцати «широких» импульсов приводит к увеличению числа гармоник модулированных сигналов и, следовательно, к увеличению погрешности канала точного отсчета при определении угловой ориентации ротора по фазовым сдвигам этих сигналов.

Достигаемым техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности и надежности определения информации об угловом положении ротора относительно корпуса электростатического гироскопа с оптико-электронным устройством съема за счет решения задачи - исключения влияния частоты вращения ротора и технологических дефектов роторного рисунка на работу канала грубого отсчета, а также за счет снижения влияния спектрального состава дополнительно модулированных световых потоков на работу канала точного отсчета.

Поставленная задача достигается изменением формы роторного рисунка и введением дополнительной модуляции световых потоков, а также благодаря выделению отдельных гармонических составляющих модулированных сигналов и однотипному методу определения углового положения ротора по фазовым соотношениям соответствующих гармонических составляющих, как для точного, так и для грубого отсчетов.

Для этого в известном электростатическом гироскопе, содержащем ротор с нанесенным на него рисунком из четного количества одинаково наклоненных к экватору светопоглощающих полос, форма полос выполнена так, что в любом широтном сечении ротора они равноотстоят друг от друга по своим центрам и составляют последовательность двух чередующихся групп с одинаковым четным количеством полос в группе. При этом ширина полос в каждой группе отличается от ширины полос соседней рядом расположенной группы и равна ширине промежутков между полосами соседней группы, а в пределах одной группы ширина полос одинакова. Кроме того, в способе определения углового положения ротора электростатического гироскопа за счет раскрутки ротора с рисунком указанной формы дополнительная модуляция шести световых потоков, оси которых образуют прямоугольную систему координат, осуществляется так, что каждый модулированный световой поток представляет последовательность чередующихся групп световых импульсов с большой и малой длительностями, а между центрами пауз всех импульсов на оси времени лежат равные интервалы. Причем в группе импульсов с большой длительностью все импульсы кроме крайних равны по длительности интервалу времени паузы между импульсами группы импульсов малой длительности, а в группе импульсов с малой длительностью все импульсы кроме крайних равны по длительности интервалу времени паузы между импульсами группы импульсов большой длительности. Кроме того, в способе определения углового положения ротора для каждого модулированного сигнала введено выделение низкочастотной гармонической составляющей на частоте вращения ротора, умноженной на количество групп широких импульсов за один оборот ротора, и высокочастотной гармонической составляющей на частоте вращения ротора, умноженной на количество всех импульсов за один оборот ротора, а определение углового положения ротора производится многоотсчетным методом по разностям фаз соответствующих гармонических составляющих. Причем по разности фаз двух низкочастотных составляющих, соответствующих пространственно смежным световым потокам, определяют знак проекции вектора кинетического момента ротора на перпендикулярную этим потокам координатную ось, по разности фаз двух низкочастотных составляющих, соответствующих пространственно противоположным световым потокам, определяют грубое значение угла между осью вращения ротора и координатной осью этих потоков, а по разности фаз двух высокочастотных составляющих, соответствующих пространственно противоположным световым потокам, определяют точное значение угла между осью вращения ротора и координатной осью этих потоков.

Предлагаемое устройство и способ поясняется чертежами, представленными на фиг.1-4.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства;

на фиг.2 - меркарторская проекция рисунка, нанесенного на сферическую поверхность ротора гироскопа;

на фиг.3 - схема построения блока аналого-цифрового преобразования сигналов оптических датчиков гироскопа;

на фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие работу предлагаемого гироскопа и предлагаемый способ определения углового положения ротора.

Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит чувствительный элемент 1, блок 2 подвеса ротора, блок 3 раскрутки и демпфирования ротора и блок 4 аналого-цифрового преобразования сигналов оптических датчиков. Чувствительный элемент 1, в свою очередь, содержит сферический ротор 5, с нанесенным на него контрастным по отражению рисунком 6. В корпусе чувствительного элемента 1 расположены электроды (на рисунке не показаны) подвеса ротора 5, к которым подсоединены выходы блока 2 подвеса. Также в корпусе гироскопа расположены обмотки (на рисунке не показаны) электромагнитных катушек, к которым подсоединены выходы блока 3 раскрутки и демпфирования ротора 5. Кроме того, в корпусе гироскопа расположены шесть оптических датчиков по трем взаимно ортогональным осям: ось расположения диаметрально противоположных датчиков 7 и 8 образует ось X, ось датчиков 9 и 10 образует ось Y, а ось датчиков 11 и 12 образует ось Z прямоугольной системы координат. Выходы оптических датчиков подсоединены к входам блока 4 аналого-цифрового преобразования, при этом порядок расположения выходов датчиков определяет направление координатной оси: выход x1 соответствует датчику 7, выход x2 - датчику 8, выход y1 - датчику 9, выход y2 - датчику 10, выход z1 - датчику 11 и выход z2 - датчику 12.

На фиг.2 изображена развертка контрастного роторного рисунка (растра) в виде плоского изображения в прямоугольной системе координат: по оси абсцисс отложены значения углов долготы, а по оси ординат - значения углов широты. Растр нанесен на сферическую поверхность по всему периметру ротора в области не менее ±45° по углу широты (например, в широтной области ±50°). Растр имеет четное количество пар темных полос (на фиг.2, для примера, изображен растр, имеющий N=8 таких полос), одинаково наклоненных под углом A (для примера A=45°) к экваториальной окружности ротора (к оси абсцисс развертки). Центры темных полос растра на любой широтной окружности ротора отстоят друг от друга на равном расстоянии (в приведенном примере интервал угла долготы между центрами темных полос составляет 45°). Темные полосы в растре образуют последовательно чередующиеся группы широких и узких полос. В каждой группе содержится четное количество полос (например, по четыре полосы в каждой из двух групп) с одинаковой шириной в пределах группы, но отличной от ширины полос соседней группы. При этом ширина широких полос равна ширине промежутков между узкими полосами, а ширина узких полос равна ширине промежутков между широкими полосами.

На фиг.3 приведена структурная схема блока 4 аналого-цифрового преобразования для реализации предлагаемого способа определения углового положения ротора 5 относительно корпуса гироскопа 1. Блок 4 состоит из трех идентичных измерителей фазовых сдвигов (ИФС) 13, 14 и 15, к входам которых подсоединены выходы соответствующих пар оптических датчиков. Каждый ИФС состоит из идентичных по исполнению устройств ФАПЧ 16, 17, 18, 19 и идентичных преобразователей фаза-код (ПФК) 20, 21 и 22. Пара устройств ФАПЧ 16, 17 имеет значение частоты автоподстройки f - в N раз больше, чем значение частоты автоподстройки пары устройств ФАПЧ 18,19:

f_16,17=N·f_18,19,

где N - число полос растра, например, для устройств ФАПЧ 16, 17 частота автоподстройки составляет 24 кГц, а для устройств ФАПЧ 18, 19 частота автоподстройки составляет 3 кГц. В каждом ИФС выходы первой пары устройств ФАПЧ подсоединены к входам первого ПФК, а выходы второй пары устройств ФАПЧ подсоединены к входам второго ПФК. Кроме того, к входам третьего ПФК подсоединены выходы первых устройств ФАПЧ из вторых пар соседних ИФС так, что пару входных сигналов составляют сигналы, проходящие через соответствующие устройства ФАПЧ от смежных оптических датчиков: x1^*y1^*, y1^*z1^* и z1^*x1^* Выход первого ПФК является выходом канала точного отсчета, выход второго ПФК является выходом канала грубого отсчета углового положения ротора 5, а выход третьего ПФК является выходом канала определения знака проекции вектора кинетического момента на соответствующую координатную ось.

Работа предлагаемого устройства заключается в следующем. С блока 2 (фиг.1) подвеса ротора 5 на электроды чувствительного элемента 1 поступают высоковольтные постоянные напряжения, которые создают электростатическое поле и обеспечивают подвес ротора 5 без механического контакта с корпусом за счет электрических сил притяжения. С блока 3 в обмотки катушек раскрутки и демпфирования поступают электрические токи, которые обеспечивают раскрутку ротора 5 до рабочей частоты вращения, например f_p=3 кГц, и гашение его нутационных колебаний. После раскрутки и демпфирования ротора 5 катушки обесточиваются, и чувствительный элемент 1 работает в режиме свободного вращения ротора 5 за счет инерции. В данном состоянии ротор 5 обладает кинетическим моментом, направление вектора которого совпадает с осью вращения и сохраняется в инерциальном пространстве постоянным. В процессе работы угловая ориентация вектора кинетического момента $$\overline{H}$$ ротора относительно корпуса гироскопа 1 меняется, т.к. корпус установлен непосредственно на объекте-носителе и меняет свою угловую ориентацию в инерциальном пространстве при движении объекта. Данная ориентация характеризуется тремя направляющими косинусами или тремя углами α, β и γ относительно осей прямоугольной системы координат корпуса гироскопа, сформированной оптическими датчиками (на фиг.1 показана произвольная ориентация вектора $$\overline{H}$$ кинетического момента относительно системы координат XYZ). Устройство съема гироскопа вырабатывает цифровые коды, несущие информацию об указанных углах, которые далее поступают в вычислитель (на рисунке не показан). В вычислителе коды обрабатываются по заданной программе с целью определения угловой ориентации ротора в системе координат, связанной с корпусом гироскопа. Как правило, угловую ориентацию ротора 5 представляют в виде трех направляющих косинусов в системе координат корпуса гироскопа, которые используются в алгоритмах решения навигационной задачи.

Работа устройства системы съема состоит в следующем. Оптические датчики 7-12 облучают ротор 5 и принимают отраженные от ротора 5 световые потоки. В процессе вращения ротора 5 темные полосы растра 6 пересекают световые потоки тех датчиков, которые расположены напротив участков поверхности ротора 5 с растром, и модулируют интенсивность отражения этих световых потоков. В приведенном примере при γ<45° это датчики 7, 8, 9 и 10, световые потоки датчиков 11 и 12 не модулируются, т.к. расположены вне зоны растра. Отраженные световые потоки преобразуются датчиками в электрические напряжения пропорционально их интенсивности, которые поступают в блок 4 аналого-цифрового преобразования. Эти электрические напряжения представляют собой последовательности импульсов с частотой следования f_и=f_р×N, длительность которых определяется шириной промежутков между темными полосами в растре. Ширина темных полос растра определяет интервалы временных пауз между импульсами. На фиг.4а представлена временная диаграмма U₇ электрического напряжения, вырабатываемого датчиком 7. Следует отметить, что поскольку геометрические соотношения между шириной темных полос и шириной промежутков идентичны в любом широтном сечении растра, то электрические напряжения всех датчиков одинаковы по форме импульсов и отличаются лишь по сдвигу импульсной последовательности на оси времени. Временной сдвиг импульсной последовательности на выходе датчика зависит от широты сканируемой датчиком окружности на поверхности ротора в процессе его вращения, а значение угла широты данной окружности в свою очередь зависит от величины угла между осью вращения ротора и осью расположения данного датчика. В качестве примера рассмотрим произвольное значение угла α между осью вращения ротора 5 и осью X. На фиг.2 показаны пунктирными линиями широтные окружности, которые сканируются датчиками 7 и 8 при значении угла, например, α=65°. В этом случае датчик 7 сканирует широтную окружность в северной полусфере со значением угла широты +25°, а датчик 8 сканирует широтную окружность в южной полусфере со значением широтного угла -25°. Как видно из геометрических соотношений рисунка, эти датчики вырабатывают одинаковые по форме импульсные последовательности, которые сдвинуты на оси времени (U₈ относительно U₇) на величину:

$$\Delta t=\frac{\Delta {\lambda }_8+\Delta {\lambda }_7}{{360}^{\circ }}\cdot T$$ ,

где T - период вращения ротора.

Учитывая, что Δλ₈=180°+Δλ₇ и Δλ₇=(90°-α)/tgA, получим зависимость интервала временного сдвига между импульсными последовательностями противоположных датчиков от угла между осью этих датчиков и осью вращения ротора (в примере A=45°):

$$\Delta (\alpha )=T-\frac{2\alpha }{360}\cdot T$$ .

Так, если угол α=90°, т.е. ось вращения перпендикулярна оси X, то датчики 7 и 8 сканируют одну и ту же экваториальную окружность, а временной сдвиг между их импульсными последовательностями составляет Δt=T/2, т.е. половину оборота ротора. При диапазоне рабочих углов φ=45°÷135° диапазон временных сдвигов составляет соответственно Δt=3T/4÷T/4.

Следующей важной особенностью принципа работы устройства съема является вид широтно-импульсной модуляции выходных электрических напряжений оптических датчиков. При модулированных сигналах в виде чередующихся групп «широких» и «узких» импульсов, длительности которых соответствуют вышеуказанным соотношениям, в спектральном составе этих сигналов имеются две частотные гармоники, существенно преобладающие по величине над остальными. На фиг.4б приведена диаграмма спектра выходного сигнала оптического датчика, рассчитанная для приведенного примера растра. На данной диаграмме приведены значения амплитуд спектральных составляющих в относительных единицах: величина амплитуды основной (наибольшей) гармоники принята за 100%. При этом, для примера, было принято соотношение ширины узких полос растра к ширине широких полос один к двум. Как видно из диаграммы, указанный вид широтно-импульсной модуляции обеспечивает наличие в выходном сигнале датчика ярко выраженных низкочастотной и высокочастотной составляющих. Частота высокочастотной составляющей равна частоте следования импульсов f_ВЧ=f_p×N. А частота низкочастотной составляющей равна частоте следования групп широких импульсов (в нашем примере - частоте вращения ротора) f_НЧ=f_p. При этом данные составляющие сфазированы (фиг.4а) с импульсной последовательностью выходного сигнала датчика и при угловых перемещениях ротора относительно оси датчика синхронно сдвигаются на один и тот же интервал временного сдвига Δt. Фазовый сдвиг периодического синусоидального сигнала определяется как:

$$\Delta \varphi =\frac{\Delta t}{T_c}\cdot {360}^{\circ }$$ ,

где T_c - период сигнала.

Поскольку из-за различия частот указанных составляющих их периоды отличны Т_НЧ=Т и Т_ВЧ=Т/N, то фазовые сдвиги этих составляющих будут отличаться в N раз. Подставляя в последнее выражение полученную зависимость для Δt(α), получим зависимости для разностей фаз высокочастотной и низкочастотной составляющих сигналов противоположных оптических датчиков от угловой ориентации оси вращения ротора относительно оси этих датчиков:

Δφ_ВЧ=360°·N-2Nα=-2Nα

Δφ_НЧ=360°-2α=-2α

Таким образом, коэффициент пропорциональности между разностью фаз и угловым положением ротора для высокочастотных составляющих в N раз больше и обеспечивает более высокую разрешающую способность при определении угла α по разности фаз Δφ_ВЧ. Поэтому высокочастотные составляющие используются для точного отсчета углового положения ротора. Однако точный отсчет неоднозначен, поскольку в рабочий диапазон углов α=45°÷135° укладывается несколько угловых диапазонов α_д=360°/2N (для приведенного примера α_д=22,5°), в которых разность фаз меняет свои значения от 0° до 360°. На фиг.4в приведены передаточные характеристики каналов точного и грубого отсчета, из которых видно, что в нашем примере в рабочий диапазон углов укладывается четыре поддиапазона α_д точного отсчета. Низкочастотные составляющие используются для грубого отсчета углового положения ротора. Вследствие низкой разрешающей способности непосредственное определение угла по разности фаз низкочастотных составляющих не осуществляется, а производится лишь определение порядкового номера k рабочего поддиапазона:

$$k=\left\{\frac{\Delta {\varphi }_{НЧ}}{2{\alpha }_{д}}\right\}$$ ,

где фигурные скобки означают округление до большего целого. Полное значение угла определяется как совокупность результатов грубого и точного отсчетов:

$$\alpha =\left(k-1\right)\cdot {\alpha }_{д}+\frac{\Delta {\varphi }_{ВЧ}}{2N}$$

Так, в приведенном примере растра с N=8 при угле между осью вращения и осью X α=65° значения разностей фаз высокочастотных и низкочастотных составляющих сигналов датчиков 7 и 8 составят Δφ_ВЧ=320° и Δφ_НЧ=135°. Тогда порядковый номер поддиапазона k={2,7}=3, а полное значение угла определяется как сумма грубого и точного отсчета: α=(3-1)×22,5°+320°/16.

Кроме того, рабочим диапазоном углов для пары датчиков 7 и 8 является лишь диапазон α=45°÷135°, поскольку вне этого диапазона датчики 7 и 8, сканируют широтные окружности, где физически отсутствует роторный рисунок. В этом случае информация, вырабатываемая датчиками 7 и 8, не используется для определения угла α. В диапазоне 0°<α<45° и 135°<α<180° рабочими являются датчики, расположенные по осям Y и Z. При такой ориентации ротора по сигналам датчиков 9 и 10 определяется угол р между осью вращения ротора и осью Y аналогично выше рассмотренному, по сигналам датчиков 11 и 12 определяется угол γ между осью вращения ротора и осью Z, а угол α определяется из известного соотношения для направляющих косинусов:

cos²α+cos²β+cos²γ=1.

Однако последнее выражение позволяет определить лишь абсолютное значение направляющего косинуса между осью вращения и осью X и не обеспечивает определение его знака, т.е. информация нерабочего канала восстанавливается неоднозначно. Во всем диапазоне углов 0°<α<180° имеется два поддиапазона 0°<α<90° и 90°<α<180°, где направляющие косинусы могут быть равны по величине и противоположны по знаку. Т.е. последнее выражение позволяет определить значение направляющего косинуса cosα в диапазоне 0°<α<45°, но не позволяет отличить его от такого же значения направляющего косинуса в диапазоне 135°<α<180°. Для исключения такой неоднозначности определяется знак проекции вектора кинетического момента на ось нерабочего канала (т.е. знак направляющего косинуса) по разности фаз низкочастотных составляющих сигналов смежных датчиков рабочих каналов. Если 0°<α<45°, то используются низкочастотные составляющие сигналов датчиков 9 и 11 следующим образом. Из геометрических соотношений роторного рисунка следует, что для этих датчиков справедливо соотношение:

$$\Delta {\varphi }_{YZ}={90}^{\circ }-\frac{{90}^{\circ }-\beta }{tgA}-\frac{{90}^{\circ }-\gamma }{tgA}$$ для 0°<α<45°

$$\Delta {\varphi }_{YZ}={270}^{\circ }-\frac{{90}^{\circ }-\beta }{tgA}-\frac{{90}^{\circ }-\gamma }{tgA}$$ для 135°<α<180°

где Δφ_YZ - фазовый сдвиг низкочастотной составляющей сигнала датчика 11 относительно низкочастотной составляющей сигнала датчика 9.

При любых значениях β и γ в указанных нерабочих диапазонах α разность фаз Δφ_YZ будет либо меньше 180° (для 0°<α<45°), либо больше 180° (для 135°<α<180°) и для приведенного примера растра лежит в пределах соответственно 30°÷150° и 210°÷330°. Таким образом, если указанная разность фаз меньше 180°, то направляющий косинус нерабочего канала X положителен. И наоборот, если указанная разность фаз больше 180°, то направляющий косинус нерабочего канала X отрицателен.

Таким образом, для реализации предлагаемого способа определения углового положения ротора ЭСГ после получения электрических модулированных сигналов оптических датчиков в блоке 4 производится аналого-цифровое преобразование этих сигналов с целью представления в цифровом виде информации о разностях фаз соответствующих высоко- и низкочастотных составляющих сигналов. Затем данная информация поступает в вычислитель, где по вышеописанным алгоритмам осуществляется вычисление углов положения оси вращения ротора относительно системы координат корпуса гироскопа и соответствующих направляющих косинусов. Принцип работы блока 4 аналого-цифрового преобразования зависит от его конкретного схемотехнического исполнения, для которого могут быть использованы различные известные технические решения. На фиг.3 показан блок 4, выполненный в виде трех идентичных ИФС 13, 14 и 15. Переменные электрические напряжения противоположных оптических датчиков поступают на устройства ФАПЧ: для ИФС 13 от датчика 7 - на устройство ФАПЧ 16 и 18, от датчика 8 - на устройство ФАПЧ 17 и 19. Устройства ФАПЧ 16 и 17 преобразуют аналоговые сигналы датчиков в импульсные цифровые сигналы в виде меандров, совпадающие по частоте с высокочастотными составляющими и сфазированные с ними. Данные сигналы поступают на входы ПФК 20, который преобразует разность фаз полученных цифровых сигналов в двоичный n-разрядный цифровой код. Данный код представляет собой результат точного отсчета, и его значение QXT меняется от 0 до 2ⁿ пропорционально величине угла в узком поддиапазоне α_д. Устройства ФАПЧ 18 и 19 преобразуют аналоговые сигналы датчиков в импульсные цифровые сигналы в виде меандров, совпадающие по частоте с низкочастотными составляющими и сфазированные с ними. Данные сигналы поступают на входы ПФК 21, который преобразует разность фаз полученных цифровых сигналов в двоичный цифровой код. Старшие s разрядов данного кода представляют номер рабочего поддиапазона α_д и являются результатом грубого отсчета. Их значение Q_ХГ меняется от 0 до 2^s пропорционально величине угла в широком рабочем диапазоне углов (в приведенном примере растра s=3). На ПФК 22 поступают импульсные цифровые сигналы с выходов устройств ФАПЧ, аналогичных 18 и входящих в состав ИФС 14 и 15 (первые из вторых групп устройств ФАПЧ), где их разность фаз преобразуется в двоичный цифровой код. Значение Q_YZ старшего разряда данного кода однозначно представляет собой результат отсчета знака проекции вектора кинетического момента ротора на ось X. При положительном значении этой проекции разность фаз сигналов, поступающих на ПФК 22, будет меньше 180° и значение этого разряда Q_YZ=0. При противоположном направлении вектора кинетического момента разность фаз будет больше 180° и значение этого разряда Q_YZ=1. Таким образом, на выходе трех ИФС блока 4 имеется три двоичных числа, представленные (т+s+1) -разрядными кодами, которые характеризуют соответствующие значения разностей фаз. Данные двоичные числа вводятся в вычислитель (на фигурах не показан), где по вышеописанным алгоритмам вычисляются значения углов ориентации и/или направляющих косинусов оси вращения ротора в системе координат корпуса гироскопа.

Положительный эффект предлагаемых технических решений заключается в исключении влияния частоты вращения ротора на точность и надежность определения углового положения ротора по грубому отсчету и знаку проекции вектора кинетического момента, в повышении точности, надежности информации об угловом положении ротора за счет уменьшения влияния дефектов контрастного рисунка поверхности ротора на результат определения значений грубого отсчета и знака проекции вектора кинетического момента, а также в снижении погрешности определения углового положения ротора по точному отсчету за счет уменьшения количества гармоник модулированных сигналов.

Положительный эффект предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом достигнут тем, что операции временной селекции импульсов малой длительности и формирования по ним опорных сигналов для определения значений грубого отсчета углового положения ротора заменены в предлагаемом способе на выделение низкочастотных составляющих сигналов датчиков. Это стало возможным благодаря изменению вида дополнительной модуляции световых потоков по длительности световых импульсов. В результате этого в блоке аналого-цифрового преобразования предлагаемого устройства исключена необходимость каких-либо времязадающих узлов типа ждущего мультивибратора, ограничивающих работоспособность каналов грубого отсчета режимом номинальной скорости вращения ротора. В предлагаемом техническом решении каналы грубого отсчета и определения знака проекций вектора кинетического момента выполняют свои функции при любом значении скорости вращения ротора. Следовательно, в отличие от прототипа, устройство съема предлагаемого гироскопа может устойчиво без сбоев вырабатывать информацию об угловом положении ротора в любых режимах работы гироскопа, в т.ч. при пониженной скорости вращения ротора: в режиме раскрутки и демпфирования сразу после включения гироскопа, в режиме управления пространственным положением оси демпфирования, в режиме торможения ротора, в технологических режимах проверки и испытаний гироскопа на контрольно-стендовом оборудовании. Во-вторых, тем, что определение значения грубого отсчета углового положения ротора и знака проекции вектора кинетического момента осуществляется по разности фаз низкочастотных составляющих сигналов датчиков. Малоразмерные контрастные дефекты на поверхности ротора, вызывающие паразитную модуляцию световых потоков, создают импульсные помехи малой длительности на выходе оптических датчиков. Спектр «узких» импульсов лежит в широкой частотной полосе, поэтому амплитуда гармоники импульсной помехи, совпадающей по частоте с низкочастотной составляющей рабочего сигнала, составляет незначительную величину и незначительно влияет на фазовые сдвиги низкочастотных составляющих сигналов. Следовательно, в отличие от прототипа, предлагаемое техническое решение обладает повышенной помехозащищенностью и позволяет существенно снизить требования к качеству выполнения отражающей поверхности ротора и светоконтрастного рисунка. И, наконец, в третьих, тем, что дополнительная модуляция световых импульсов по длительности в виде чередующихся последовательностей «широких» и «узких» импульсов равного количества обеспечивает наличие в спектральном составе двух рабочих гармоник (грубого отсчета и точного отсчета), которые существенно преобладают по величине над другими нерабочими спектральными составляющими. На фиг.4б для сравнения приведены расчетные спектры сигналов предлагаемого технического решения (диаграмма I) и прототипа с одной «узкой» полосой в растре (диаграмма II) при одинаковом соотношении один к двум между длительностями «узких» и «широких» импульсов. При расчете были приняты: диаметр ротора 10 мм, частота вращения 3 кГц, число полос N=8, угол наклона A=45°, диаметры световых потоков 1.2 мм. В отличие от прототипа, предлагаемое техническое решение обладает пониженным количеством нерабочих гармоник в спектре. Вследствие этого снижаются коэффициенты гармоник входных сигналов блока аналого-цифрового преобразования, а следовательно, и погрешность измерения фазовых соотношений высокочастотных составляющих сигналов датчиков по каналу точного отсчета углового положения ротора.

В настоящее время предлагаемое устройство и способ реализованы, получены положительные результаты, разрабатывается техническая документация для их внедрения в серийное производство.

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации электростатических гироскопов со сферическим ротором и оптической системой съема информации об угловом положении оси ротора относительно корпуса. Достигаемым техническим результатом является повышение точности определения информации об угловом положении ротора относительно корпуса электростатического гироскопа в различных режимах работы. Технический результат достигается изменением формы роторного рисунка и введением специального вида дополнительной модуляции световых потоков, а также благодаря выделению отдельных гармонических составляющих модулированных сигналов и однотипному методу определения углового положения ротора по фазовым соотношениям соответствующих гармонических составляющих как для точного, так и для грубого отсчетов. Для этого в известном электростатическом гироскопе, содержащем ротор с нанесенным на него рисунком из четного количества одинаково наклоненных к экватору светопоглощающих полос, форма полос выполнена так, что в любом широтном сечении ротора они равноотстоят друг от друга по своим центрам и составляют последовательность двух чередующихся групп с одинаковым четным количеством полос в группе. При этом ширина полос в каждой группе отличается от ширины полос соседней рядом расположенной группы и равна ширине промежутков между полосами соседней группы, а в пределах одной группы ширина полос одинакова. Кроме того, в способе определения углового положения ротора электростатического гироскопа за счет раскрутки ротора с рисунком указанной формы дополнительная модуляция шести световых потоков, оси которых образуют прямоугольную систему координат, осуществляется так, что каждый модулированный световой поток представляет последовательность чередующихся групп световых импульсов с большой и малой длительностями, а между центрами пауз всех импульсов на оси времени лежат равные интервалы. Причем в группе импульсов с большой длительностью все импульсы, кроме крайних, равны по длительности интервалу времени паузы между импульсами группы импульсов малой длительности, а в группе импульсов с малой длительностью все импульсы кроме крайних равны по длительности интервалу времени паузы между импульсами группы импульсов большой длительности. Кроме того, в способе определения углового положения ротора для каждого модулированного сигнала введено выделение низкочастотной гармонической составляющей на частоте вращения ротора, умноженной на количество групп широких импульсов за один оборот ротора, и высокочастотной гармонической составляющей на частоте вращения ротора, умноженной на количество всех импульсов за один оборот ротора, а определение углового положения ротора производится многоотсчетным методом по разностям фаз соответствующих гармонических составляющих. Причем по разности фаз двух низкочастотных составляющих, соответствующих пространственно смежным световым потокам, определяют знак проекции вектора кинетического момента ротора на перпендикулярную этим потокам координатную ось, по разности фаз двух низкочастотных составляющих, соответствующих пространственно противоположным световым потокам, определяют грубое значение угла между осью вращения ротора и координатной осью этих потоков, а по разности фаз двух высокочастотных составляющих, соответствующих пространственно противоположным световым потокам, определяют точное значение угла между осью вращения ротора и координатной осью этих потоков. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электростатический гироскоп с оптическим считыванием положения оси ротора, содержащий сферический ротор с рисунком в виде четного количества наклоненных к экватору ротора полос, систему подвеса ротора, систему раскрутки и демпфирования ротора, три пары оптических датчиков, расположенных в корпусе гироскопа по трем взаимно ортогональным осям и соединенных с блоком аналого-цифрового преобразования, отличающийся тем, что полосы роторного рисунка в любом широтном сечении ротора являются равноотстоящими по центрам геометрической симметрии и составляют последовательно чередующиеся группы одинакового четного количества полос, ширина которых отличается от ширины полос соседней группы, причем в пределах каждой группы ширина полос одинакова и равна ширине промежутков между полосами смежной соседней группы.

2. Способ определения углового положения ротора электростатического гироскопа с оптическим считыванием положения оси ротора, включающий подвешивание ротора в электростатическом поле, раскрутку и демпфирование ротора с помощью электромагнитного поля, облучение ротора шестью световыми потоками, осями которых формируется прямоугольная система координат, модуляцию интенсивности световых потоков при их отражении от вращающегося ротора, дополнительную модуляцию световых импульсов по длительности, прием отраженных световых потоков, преобразование световых потоков в электрические сигналы и их аналого-цифровую обработку, отличающийся тем, что при отражении каждого светового потока от вращающегося ротора дополнительная модуляция осуществляется так, что модулированный световой поток представляет собой последовательность чередующихся групп равного количества импульсов с малой и большой длительностью, причем в пределах каждой группы длительности импульсов одинаковы и равны длительности пауз между импульсами соседней группы, а аналого-цифровая обработка включает выделение низкочастотной и высокочастотной гармонических составляющих каждого из электрических сигналов, по разности фаз которых определяется угловое положение ротора многоотсчетным методом, причем по разности фаз двух низкочастотных сигналов, соответствующих двум пространственно смежным световым потокам, определяют знак проекции вектора кинетического момента ротора на перпендикулярную этим потокам координатную ось, по разности фаз двух низкочастотных сигналов, соответствующих двум пространственно противоположным световым потокам, определяют грубое значение угла между вектором кинетического момента и координатной осью этих потоков, а по разности фаз двух высокочастотных сигналов, соответствующих двум пространственно противоположным световым потокам, определяют точное значение угла между вектором кинетического момента и координатной осью этих потоков.