СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВЕСОМ РОТОРА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ГИРОСКОПА Российский патент 2023 года по МПК G01C19/08 G01R21/06 

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

Известен способ построения подвеса ротора ЭСГ [1, стр. 36], согласно которому в кубической структуре электродов по каждой из ортогональных осей подвеса располагают с разных сторон от ротора по два электрода с одинаковой площадью, отделенных друг от друга. Для линеаризации системы управления подвесом на каждый электрод подают постоянное опорное напряжение U₀, причем на двух соседних электродах, расположенных с одной стороны от ротора, знаки опорного напряжения разные. При нахождении ротора в центре подвеса на нем со стороны электродов наводится напряжение, равное нулю:

где:

U_нр - наведенное напряжение;

ΔU_i - управляющие напряжения по осям X, Y, Z;

n=3 - число осей подвеса;

N - число электродов.

Нулевое наведенное напряжение на роторе способствует стабильности силовых характеристик подвеса. Недостатками данного способа является значительное число каналов (6 каналов) управления подвесом ротора, что снижает его надежность, а также неэффективное использование площади поверхности ротора для создания сил подвеса, так как наличие обязательного зазора между соседними электродами уменьшает суммарную площадь электродов, что пропорционально уменьшает создаваемую ими силу подвеса [1, стр. 36 рис. 2.9].

Известен способ построения подвеса ротора ЭСГ [1, стр. 34 рис. 2.8; стр. 67 рис. 3.25], согласно которому 8 электродов подвеса располагаются по сторонам октаэдра, образуя тем самым четыре оси подвеса. Площади электродов равны между собой. При этом на четыре электрода подают положительное опорное напряжение U₀, а на четыре других электрода подают отрицательное напряжение -U₀. В рабочем режиме подвеса со стороны электродов на ротор наводится нулевое напряжение, что способствует стабильности силовых характеристик подвеса.

Недостатками этого способа является неминимальное число осей подвеса (4 оси). Кроме того, оси подвеса неортогональны, при этом для создания режима астатизма подвеса (нулевой статической ошибки) требуется преобразовывать величины смещения ротора по четырем осям в смещение по трем ортогональным (виртуальным) осям, на их основе вырабатывать необходимые силовые воздействия (управляющие напряжения), которые затем обратно преобразовать на четыре физические оси. Такие дополнительные операции усложняют схему подвеса, снижают его точность и снижают надежность электростатического гироскопа (далее - гироскопа).

Известен способ организации подвеса ротора ЭСГ [1, стр. 34, рис 2.7], взятый за прототип. Согласно данному способу в кубической структуре подвеса на каждой из ортогональных осей применяют два одинаковых электрода по одному с каждой стороны ротора, на электроды двух осей подвеса подают опорное напряжение U₀ одного знака, а на электроды третьей оси подают опорное напряжение другого знака. При этом имеют минимально возможное число осей подвеса (3 оси), площади электродов по сравнению с другими структурами подвеса имеют максимальную величину, создавая максимально возможную силу подвеса.

Недостатком данного способа является ненулевое значение наведенного напряжения:

где

N=6 - число электродов подвеса,

ΔU_X, ΔU_Y, ΔU_Z - управляющие напряжения по осям X, Y, Z.

При опорном напряжении U₀=1000 В наведенное напряжение U_нр=333 В.

Кроме того, при взвешивании ротора, лежащего на заземленных упорах, им в момент отрыва захватывается электрический заряд, который создает на роторе зарядовое напряжение U_зр:

При опорном напряжении U₀=1000 В зарядовое напряжение U_зр=-333 В.

Таким образом, суммарное напряжение на роторе U_p (далее -суммарное напряжение) близко к нулю:

Однако в процессе работы гироскопа заряд на роторе начинает стекать на электроды, что приводит к появлению ненулевого суммарного напряжения на роторе, к изменению электростатических сил, воздействующих на ротор со стороны подвеса, и, в конечном итоге, к нестабильности дрейфа гироскопа.

Решаемая техническая проблема состоит в повышении стабильности подвеса ротора гироскопа, в снижении нестабильности дрейфа гироскопа.

Достигаемый технический результат - нулевое зарядовое напряжение на роторе гироскопа при его взвешивании и нулевое наведенное напряжение на роторе со стороны электродов подвеса в рабочем режиме подвеса, что минимизирует натекание заряда на ротор во время работы гироскопа.

Заявляемое изобретение решает задачу создания нулевого наведенного и зарядового напряжений на роторе ЭСГ с шестиэлектродной структурой силовых электродов, расположенных попарно по трем взаимно ортогональным осям вокруг ротора.

Для решения поставленной задачи, в отличие от способа-прототипа, согласно которому по каждой из двух ортогональных осей подвеса на два противоположных силовых электрода подают постоянное опорное напряжение -U₀ одного знака, а на силовые электроды третьей оси подают опорное напряжение противоположного знака +U₀, изменено управление, когда на два противоположных силовых электрода третьей оси подают удвоенное постоянное опорное напряжение +2U₀ противоположного знака.

Функционирование (управление) по предлагаемому способу осуществляется следующим образом. Перед взвешиванием ротора одну ось подвеса, например, третью, ориентируют вертикально. Ротор при этом лежит на заземленных упорах близко к центральному положению ротора в подвесе. При включении гироскопа на силовые электроды (далее - электроды) подвеса первой и второй осей подают опорные напряжения, например, -U₀, а на электроды третьей оси подают опорное напряжение +2U₀. Сила тяжести действует только вдоль третьей оси, поэтому на ее верхнем электроде за счет обратной связи подвеса возникает напряжение 2U₀+ΔU, а на нижнем электроде появляется напряжение 2U₀-ΔU, что создает в сумме подъемную силу, которая компенсирует внешнее ускорение 1g. На электродах первой и второй оси остаются напряжения -U₀. При этом между ротором и электродами возникают электростатические силовые линии, плотность которых пропорциональна напряжениям на электродах. Силовые линии индуцируют на роторе заряды, знак которых противоположен знаку напряжения на электродах. При отрыве ротора от упоров под действием сил подвеса третьей оси на роторе остается сумма индуцированных зарядов, и при равенстве емкостей всех электродов на роторе возникает зарядовое напряжение, равное нулю:

При опорном напряжении U_О=1000 В зарядовое напряжение U_зр=0 В.

Также в рабочем режиме гироскопа при нахождении ротора в центре подвеса между электродами с их стороны на ротор наводится нулевое наведенное напряжение:

При опорном напряжении U_О=1000 В наведенное напряжение U_нp=0 В.

Суммарное напряжение на роторе также будет равно нулю:

U_р=U_зр+U_нр=0.

Аналогично, при наличии на электродах подвеса первой и второй осей опорных напряжений +U_О, а на электродах третьей оси опорного напряжения -2U_О, суммарное напряжение на роторе составит U_p=U_зр+U_нр=0+0=0 В. Причем это нулевое напряжение характеризуется отсутствием заряда на роторе, что исключает возможность его стекания на электроды подвеса, обеспечивая стабильность нулевого суммарного напряжения на роторе.

Стабильное напряжение на роторе повышает стабильность силовых воздействий на ротор со стороны подвеса и уменьшает нестабильность дрейфа гироскопа.

Способ реализован при изготовлении гироскопа повышенной точности.

Таким образом заявленный результат достигнут.

Литература

1. А.Я. Некрасов, B.C. Фрезинский. Активные электростатические подвесы // Центральный научно-исследовательский институт «РУМБ», 1987, С. 117.

Изобретение относится к гироскопической технике, а именно к способам управления подвесом ротора электростатического гироскопа. Сущность заявленного способа заключается в том, что в способ, согласно которому подают по каждой из двух ортогональных осей подвеса на два противоположных электрода опорное напряжение U₀ одного знака, введена операция, согласно которой по третьей ортогональной оси подвеса на два противоположных электрода подают опорное напряжение 2U₀ другого знака. При этом при взвешивании ротора на нем не образуется заряд, а в рабочем режиме сумма наведенных напряжений на роторе со стороны электродов подвеса равна нулю, обеспечивая нулевое суммарное напряжение на роторе. Техническим результатом заявленного изобретения является снижение зарядового напряжения на роторе, возникающего в процессе начального взвешивания, и снижение наведенного напряжения на роторе со стороны напряжений на электродах в процессе работы подвеса, что способствует уменьшению нестабильности дрейфа гироскопа, повышению точности его работы, а также уменьшению погрешности навигации подвижных тел.

Способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа с шестиэлектродной структурой силовых электродов, расположенных попарно по трем взаимно ортогональным осям вокруг ротора, заключающийся в подаче на силовые электроды, расположенные по двум осям, постоянного опорного напряжения одного знака, а на электроды, расположенные по третьей оси, постоянного опорного напряжения противоположного знака, отличающийся тем, что на силовые электроды, расположенные по вертикально ориентированной третьей оси, подается вдвое большее по величине постоянное опорное напряжение, чем на другие электроды.