СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВЕСОМ РОТОРА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА Российский патент 2018 года по МПК G01C19/24 

Изобретение относится к гироскопической технике, а именно к способам управления подвесом ротора электростатического гироскопа (далее ЭСГ), используемого для высокоточных измерений навигационных параметров подвижных объектов.

Известен резонансный способ управления подвесом ротора ЭСГ [1]. Элементами подвеса при этом является емкость силового электрода и индуктивность катушки, которые образуют последовательный резонансный контур. При этом подают на контур переменное синусоидальное напряжение с частотой, превышающей резонансную частоту резонансного контура. В случае увеличения расстояния от ротора до силового электрода уменьшается емкость силового электрода, возрастает резонансная частота контура, растет амплитуда переменного напряжения на силовом электроде, растет сила, действующая со стороны электрода на ротор, и ротор возвращается в первоначальное положение, таким образом подвес ротора осуществляется автоматически.

Недостатком такого способа является низкая точность поддержания положения ротора в подвесе, зависящая от величины добротности резонансного контура.

Известен способ управления подвесом ротора ЭСГ [1], согласно которому преобразуют смещение ротора из центра подвеса в постоянное напряжение; производят частотную коррекцию полученного напряжения для создания опережения по фазе; усиливают результат коррекции; затем складывают результат усиления с опорным напряжением. Результат сложения подают на один силовой электрод подвеса, также результат усиления вычитают из опорного и полученное напряжение подают на другой силовой электрод подвеса.

Недостатком такого способа является наличие операций сложения и вычитания высоковольтных напряжений, которые подают на силовые электроды. Данные напряжения составляют по величине 1-2 кВ, что трудно реализовать на современной электронике.

Известен способ управления подвесом ротора ЭСГ [2], взятый за прототип, согласно которому ротор с радиальным дисбалансом располагают в вакуумированном корпусе между электродами, установленными по его ортогональным осям попарно с противоположных сторон ротора. На электроды подают начальное напряжение. Затем измеряют смещение ротора из центра подвеса по каждой оси, измеренное смещение преобразуют в напряжение. Результат преобразования усиливают, получают приращение напряжения, на которое уменьшают начальное напряжение на электроде, к которому приближается ротор, и увеличивают начальное напряжение на противоположном электроде; при этом создают результирующую силу со стороны электродов, возвращающую ротор в центр подвеса. Раскручивают ротор до рабочей частоты вращения, при этом у напряжений, поданных на электроды, возникают за счет дисбаланса ротора переменные составляющие. Затем подвергают эти напряжения фазовой фильтрации на частоте, равной частоте вращения ротора. В результате создают момент сил, который стабилизирует скорость вращения ротора, ускоряет вращение ротора при снижении частоты вращения или тормозит ротор при повышении частоты вращения. Затем выделяют переменные составляющие в направлениях, пропорциональных смещению ротора. По соотношению амплитуд и фаз переменных составляющих рассчитывают ориентацию вектора кинетического момента ротора.

Недостатком способа является низкая точность гироскопа, обусловленная постоянным присутствием на электродах начального напряжения, которое создает результирующую силу, пропорциональную величине напряжения на электродах, удерживающую (возвращающую) ротор в центре подвеса. При ее воздействии на ротор возникает уводящий момент, обусловленный неидеальной формой ротора, который ухудшает точность гироскопа.

Заявляемое изобретение решает задачу совершенствования способа управления подвесом ротора ЭСГ с радиальным дисбалансом в условиях движения объекта, на котором установлен гироскоп в невесомости.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности гироскопа с электростатическим подвесом ротора, имеющего радиальный дисбаланс.

Для решения поставленной задачи в способе управления подвесом ротора ЭСГ, согласно которому ротор с радиальным дисбалансом располагают в вакуумированном корпусе между электродами, установленными по его ортогональным осям попарно с противоположных сторон ротора; подают на электроды начальное напряжение; измеряют смещение ротора из центра подвеса по каждой оси; измеренное смещение преобразуют в напряжение; результат преобразования усиливают К₁ раз, получают приращение напряжения, на которое уменьшают начальное напряжение на электроде, к которому приближается ротор; увеличивают начальное напряжение на противоположном электроде; создают результирующую силу со стороны электродов, возвращающую ротор в центр подвеса; раскручивают ротор до рабочей частоты вращения, при этом у напряжений, поданных на электроды, создают за счет дисбаланса ротора переменные составляющие, затем подвергают эти напряжения фазовой фильтрации на частоте, равной частоте вращения ротора, в результате чего создают момент сил, который стабилизирует скорость вращения ротора, ускоряет вращение ротора при снижении частоты вращения или тормозит ротор при повышении частоты вращения, а сами переменные составляющие напряжения используют для определения направления вектора кинетического момента ротора в пространстве ортогональной системы координат электродов подвеса; дополнительно, после раскрутки ротора до рабочей частоты вращения, величину начального напряжения на электродах устанавливают равной нулю, а приращение напряжения подают только на электрод подвеса, от которого удаляется ротор, кроме того, для создания момента сил, стабилизирующих вращение ротора на рабочей частоте, значение коэффициента К₁, пропорционального смещению по осям подвеса, увеличивают на величину ΔK, равную:

где U₀ - начальное напряжение на электродах подвеса до раскрутки ротора (далее - начальное напряжение);

U_m - амплитуда переменной составляющей приращения напряжения до установки значения начального напряжения, равного нулю (далее - переменная составляющая).

Работа устройства по предлагаемому способу происходит следующим образом. Ротор с радиальным дисбалансом располагают в вакуумированном корпусе между электродами, установленными по его ортогональным осям, попарно с противоположных сторон ротора. Подают на электроды начальное напряжение U₀, величина которого определяется из условия надежного взвешивания ротора и предотвращения возможности касания упоров при его раскручивании. Измеряют смещение ротора из центра подвеса по каждой оси. Измеренное смещение преобразуют в напряжение. Результат преобразования усиливают в К₁ раз. Получают приращение напряжения ΔU (для каждой пары электродов свое приращение), на которое уменьшают начальное напряжение на электроде, к которому приближается ротор, и увеличивают начальное напряжение на противоположном электроде, в результате создают результирующую силу ΔF

где F₁, F₂ – силы, действующие со стороны противоположных электродов;

C_o - емкость электродов;

m - масса ротора;

δ - зазор между ротором и электродами.

Раскручивают ротор до рабочей частоты вращения. При этом у напряжений, поданных на электроды, создают за счет дисбаланса ротора переменные составляющие U_m. Подвергают переменные составляющие фазовой фильтрации на частоте, равной частоте вращения ротора. В результате чего создают силу F₃

которая создает момент, стабилизирующий скорость вращения ротора; ускоряет вращение ротора при снижении частоты вращения или тормозит ротор при повышении частоты вращения.

После раскрутки ротора величину начального напряжения U₀ на электродах устанавливают равной нулю. Увеличивают коэффициент усиления К₁ на величину ΔK.

Измеряют смещение ротора. В условиях отсутствия ускорения эти смещения определяются только периодическими смещениями ротора от действия его дисбаланса. При этом амплитуда переменной составляющей U_m2 по сравнению с переменной составляющей U_m возрастает в ΔK раз. Приращение напряжения подают только на электрод подвеса, от которого удаляется ротор. При этом со стороны подвеса на ротор действует сила F₄, образующая момент, стабилизирующий частоту вращения ротора, равная

Сами переменные составляющие напряжения используют для определения направления вектора кинетического момента ротора в пространстве ортогональной системы координат электродов подвеса.

Выражение ΔK получено после простейших преобразований из условия равенства сил F₄=F₃.

Форма напряжения на электроде после установления U₀ = 0 соответствует положительной полуволне синусоидального сигнала с амплитудой переменной составляющей U_m2. Со стороны электродов формируется возмущающая сила F₅, возвращающая ротор в центр подвеса

где Тр - длительность периода вращения ротора,

t - текущее время.

При наличии напряжения U₀ величина возмущающей силы со стороны электродов составляла бы

Из отношения

следует, что момент сил, приводящий к уходу гироскопа (с неидеальной формой ротора), при U₀ = 0 уменьшается, т.к. U_m2≤U₀.

Таким образом, по сравнению со способом-прототипом, точность гироскопа с ротором, имеющим радиальный дисбаланс и неидеальную форму, повышается. Повышение происходит за счет:

- увеличения амплитуды переменной составляющей U_m2, определяющей ориентацию ротора относительно корпуса;

- уменьшения момента возмущения от действия сил подвеса на ротор, имеющий неидеальную форму;

- сохранения условий стабильного вращения ротора на рабочей частоте.

Поставленная цель достигнута.

На предприятии предлагаемый способ проверен путем натурных испытаний в условиях действия силы земного притяжения и моделирования функционирования гироскопа в условиях невесомости. Испытания проведены для гироскопа с параметрами:

Fp=3000 Гц - рабочая частота вращения ротора;

C_o = 10^-11 Ф;

m = 10^-3 кг;

δ=30⋅10^-6 м;

Δδ=0,05⋅10^-6 м - перемещение ротора за счет радиального дисбаланса.

Результаты испытаний:

При U₀ = 200 В;

U_m = 25B;

При U₀ = 0 B:

U_m2 = 141 В.

ΔК=5,65.

При сравнении напряжений U_m и U_m2, для приведенного гироскопа при определении ориентации оси вращения ротора, видим возрастание полезного сигнала в 5,65 раз, что повышает точность определения положения оси ротора и соответственно точность гироскопа.

При сравнении сил F₅ и F₆, действующих со стороны подвеса на ротор приведенного гироскопа с неидеальной формой поверхности, следует, что момент сил, приводящий к уходу гироскопа в условиях его применения в невесомости, при U₀ = 0 уменьшается примерно в 8 раз.

В настоящее время разрабатывается техническая документация для использования предлагаемого способа при производстве гироскопа с электростатическим подвесом ротора, работающего в условиях невесомости.

Используемая литература

1. П.И. Малеев. Новые типы гироскопов. - //Л.: Судостроение, 1971, стр. 15, 17.

2. Некрасов Я.А., Фрезинский B.C. Активные электростатические подвесы. - //Л: ЦНИИ «Румб», 1987, стр. 104-107.

Изобретение относится к гироскопической технике, а именно к способам управления подвесами роторов электростатических гироскопов (ЭСГ). Сущность изобретения заключается в том, что способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа дополнительно содержит этапы, на которых после раскрутки ротора до рабочей частоты вращения величину начального напряжения на электродах устанавливают равной нулю, а приращение напряжения подают только на электрод подвеса, от которого удаляется ротор, кроме того, для создания момента сил, стабилизирующих вращение ротора на рабочей частоте, коэффициент усиления К₁ напряжения, пропорционального смещению по осям подвеса, увеличивают на величину ΔK

где ΔK - коэффициент увеличения коэффициента К₁;

U₀ - начальное напряжение на электродах подвеса до раскрутки ротора;

U_m - амплитуда переменной составляющей приращения напряжения до установки значения начального напряжения равного нулю. Технический результат – повышение точности ЭСГ.

Способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа, согласно которому ротор с радиальным дисбалансом располагают в вакуумированном корпусе между электродами, установленными по его ортогональным осям, попарно с противоположных сторон ротора, подают на электроды начальное напряжение, измеряют смещение ротора из центра подвеса по каждой оси, измеренное смещение преобразуют в напряжение, результат преобразования усиливают в К₁ раз, получают приращение напряжения, на которое уменьшают начальное напряжение на электроде, к которому приближается ротор, и увеличивают начальное напряжение на противоположном электроде, создают сумму сил со стороны электродов, возвращающих ротор в центр подвеса, раскручивают ротор до рабочей частоты вращения, при этом у напряжений, поданных на электроды, создают за счет дисбаланса ротора переменные составляющие, затем подвергают эти напряжения фазовой фильтрации на частоте, равной частоте вращения ротора, в результате чего создают момент сил, который стабилизирует скорость вращения ротора, ускоряет вращение ротора при снижении частоты вращения, тормозит ротор при повышении частоты вращения, а сами переменные составляющие напряжения используют для определения направления вектора кинетического момента ротора в пространстве ортогональной системы координат электродов подвеса, отличающийся тем, что после раскрутки ротора до рабочей частоты вращения величину начального напряжения на электродах устанавливают равной нулю, а приращение напряжения подают только на электрод подвеса, от которого удаляется ротор, кроме того, для создания момента сил, стабилизирующих вращение ротора на рабочей частоте, коэффициент усиления К₁ напряжения, пропорционального смещению по осям подвеса, увеличивают на величину ΔK

где ΔK - коэффициент увеличения коэффициента К₁;

U₀ - начальное напряжение на электродах подвеса до раскрутки ротора;

U_m - амплитуда переменной составляющей приращения напряжения до установки значения начального напряжения равного нулю.