Способ измерения абсолютной угловой скорости вращения основания гироскопа и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к гироскопической технике и может быть использовано в системах инерциального управления объектами. Цель изобретения - повышение точности измерений. В способе, включающем вращение ротора вибрационного гироскопа с частотой Ω и возбуждение автоколебаний ротора, сравнивают частоту атоколебаний f_a с частотой генератора опорных импульсов f_оп, деленной на n, где n целое число, изменяют скорость приводного вращения вала до обнуления результата сравнения, определяют разность периодов 1/f_a и A:(CnΩ), где C, A- полярный и экваториальный моменты инерции ротора, по разности периодов определяют составляющую абсолютной угловой скорости основания вокруг оси вала, а по разности фазы выходного сигнала генератора опорных импульсов и фазы вращения ротора, умноженной на (n·C):A определяют угол поворота основания в инерциальном пространстве вокруг оси вала. 1 ил.

Изобретение относится к гироскопической технике и может быть использовано в системах инерциального управления объектами.

Известен способ измерения абсолютной угловой скорости вращения основания гироскопа, включающий вращение вала роторно-вибрационного гироскопа с частотой Ω, возбуждение автоколебаний ротора, измерение средней величины отклонения ротора и изменения частот его автоколебаний и определение по ним составляющих его угловой скорости по трем взаимно ортогональным осям.

Недостатком известного способа является его малая точность, обусловленная погрешностями из-за вращения основания.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Цель достигается тем, что в известном способе дополнительно генерируют опорные импульсы с эталонной частотой, сравнивают частоты автоколебаний ротора гироскопа с опорной частотой, деленной на n, где n целое число, изменяют скорость вращения вала до уравнивания частоты автоколебаний с опорной частотой, деленной на n, определяют разность периода опорных импульсов и периода, равного где С, А полярный и экваториальный моменты инерции ротора соответственно, и по разности периодов определяют величину проекции абсолютной угловой скорости.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Условие динамической настройки гироскопа в известном способе при вращении основания имеет вид: K+I_ук- (Ω+)² 0 (1) где K коэффициент упругости торсионов подвеса ротора; I_xk, I_yk полярный и экваториальный моменты инерции кольца подвеса; Ω скорость вращения вала гироскопа; ω_xo угловая скорость вращения основания вокруг оси вала.

Из условия (1) видно, что угловая скорость ω_xo приводит к погрешностям измерения всех трех взаимно ортогональных составляющих угловой скорости ω_xo, ω_yo, ω_zo, поскольку в упругом подвесе гироскопа возникает нескомпенсированная упругость, коэффициент которой равен I_ук- 2+.

В отличие от известного способа в предлагаемом способе информация об угловой скорости вращения основания вокруг оси вала используется для стабилизации угловой скорости вала в инерциальном пространстве, в результате поддерживается условие Ω + ω_xo const (2) Поскольку скорость вала в инерционном пространстве постоянна, то условие (1) выполняется при любой скорости ω_xo, при этом нескомпенсированная упругость не возникает, что и обеспечивает повышение точности измерения взаимно ортогональных составляющих угловой скорости основания.

На чертеже представлено устройство, реализующее предложенный способ, где 1 ротор; 2 кольцо, 3 наружные торсионы; 4 внутренние торсионы; 5 вал, 6 подшипники, 7 основание; 8, 9 датчики угла (ДУ); 10, 11 датчики момента (ДМ), 12 статор приводного двигателя; 13 постоянные магниты (ПМ), 14 считывающая головка (СГ), 15 статический преобразователь (СП), 16 управляемый генератор частоты (УГЧ); 17 генератор опорных импульсов (ГОИ), 18, 19 фазовые дискриминаторы (ФД), 20 делитель; 21, 22 усилитель низкой частоты (УНЧ); 23 усилитель высокой частоты (УВЧ); 24 измеритель разности периодов (ИРП).

Вал 5 (вместе с ротором 1) приведен во вращение со скоростью Ω относительно основания от приводного двигателя, статор 12 которого получает питание с выхода СП15, синхронизированного по частоте от УГЧ 16, ПМ 13, проходя под СГ 14, генерирует в ней импульсы с частотой 10 Ω, которые поступают на первые входы ФД 19 с ИРП 24, на вторые входы которых подан выходной сигнал ГОИ 17, имеющий частоту ν 10, где Ω_o частота вращения вала в инерциальном пространстве вокруг оси X_o (в исходном положении при отсутствии вращения основания Ω_o Ω ). В исходном положении входные сигналы ФД 19 взаимно ортогональны (изменяются по зависимостям sin10t, cos10t), в результате выходной сигнал ФД 19 равен нулю. Поскольку частоты 10 Ω и 10 Ω_o входных сигналов ИРП 24 равны, то его выходной сигнал, пропорциональный разности периодов и также равен нулю.

Выходной сигнал ДУ 8 через УВЧ 23 поступает на второй вход ДМ 10, что обеспечивает возбуждение резонансных колебаний (автоколебаний) ротора на его собственной частоте Ω и поддержание постоянной амплитуды автоколебаний. Сигнал, имеющий частоту Ω, с выхода УВЧ 23 поступает на первый вход ФД 18, на второй вход которого подан сигнал ГОИ 17, частота 10 Ω_o с помощью делителя 20 снижена в 10 раз. Поскольку входные сигналы ФД 18 в исходном положении взаимно ортогональны и их частоты равны то в исходном положении выходной сигнал ФД 18 равен нулю. УГЧ 16, в отсутствие сигнала с выхода ФД 18, генерирует исходную частоту f, необходимую для обеспечения исходной скорости вращения вала.

При вращении основания с угловой скоростью , вокруг оси Х_о, параллельной оси вала, изменяется динамическая жесткость подвеса ротора на валу, что приводит к изменению резонансной частоты ротора и соответственно, частоты автоколебаний на величину Δ₁, в результате с выхода ФД 18 на вход УГЧ 16 поступает сигнал, изменяющий частоту f УГЧ и, как следствие, изменяющий частоту СП16 и скорость вращения Ω. Изменение скорости вращения происходит до обнуления Δ₁ и тем самым до обеспечения Ω+ω_xo=Ω_o.

Поскольку вал вращается со скоростью Ω=Ω_o-ω_xo, то на первый вход ФД 19 поступает сигнал, изменяющийся по закону sin10(Ω_o-)t а на второй вход ФД 19 сигнал, изменяющийся по закону cosνt cos10t. ФД 19 осуществляет перемножение входных сигналов и выделение низкочастотной составляющей произведения, поэтому выходной сигнал ФД 20: U_фд= Ssin10(Ω_o-)tcos10t sin10t (3) где S коэффициент пропорциональности, а фигурные скобки означают операцию выделения низкочастотной составляющей произведения.

При углах поворота основания α 10 10t ≪ 1, sin10 ≈ 10 из выражения (3) следует U_фд= 10
Таким образом, с выхода ФД 19 получаем информацию об угле поворота α основания вокруг оси Х_о в инерционном пространстве.

Выходные сигналы СГ 14 и ГОИ 17 поступают также на входы ИРП 24, определяющего разность периодов Т₁- Т₂ выходных сигналов:
T₁-T₂= r (4) где r коэффициент пропорциональности ( <<Ω_o).

Таким образом, с выхода ИРП 24 получаем информацию об абсолютной угловой скорости вращения основания вокруг оси вала.

При вращении основания с угловыми скоростями , векторы которых расположены в плоскости вращения ротора, с помощью ДУ 8, 9 определяют среднее отклонение ротора относительно основания.

Выходные сигналы ДУ 8, 9 через УНЧ 22, 21 поступают соответственно на ДМ 10, 11, которые прикладывают к ротору 1 моменты, парирующие среднее отклонение ротора. По величине токов с выхода УНИ 22, 21 получаем информацию о величине угловых скоростей .

Формула изобретения

1. Способ измерения абсолютной угловой скорости вращения основания гироскопа, включающий вращение вала роторно-вибрационного гироскопа с частотой Ω, возбужденийе автоколебаний ротора, измерение средней величины отклонения ротора и измерение частот его автоколебаний и определение по ним составляющих его угловой скорости по трем взаимно ортогональным осям, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, генерируют опорные импульсы с эталонной частотой, сравнивают частоты автоколебаний ротора гироскопа с опорной частотой, деленной на n, где n целое число, изменяют скорость вращения вала до уравнивания частоты автоколебаний с опорной частотой, деленной на n, определяют разность периода опорных импульсов и периода, равного где C, A полярный и экваториальный моменты инерции ротора соответственно, и по разности периодов определяют величину проекции абсолютной угловой скорости.

2. Устройство для измерения абсолютной угловой скорости вращения основания гироскопа, содержащее роторно- вибрационный гироскоп, включающий вал, установленный в подшипниках и снабженный электроприводом, ротор, укрепленный на валу с помощью упругого подвеса, статический преобразователь, считывающую головку, при этом ротор гироскопа снабжен двумя датчиками угла и двумя датчиками момента, между которыми включены усилители следящей системы, отличающееся тем, что в него введены размещенные на валу роторно-вибрационного гироскопа против считывающей головки n постоянных магнитов, генератор опорных импульсов, фазовый дискриминатор, управляемый генератор частоты, делитель и измеритель разности периодов, при этом первый выход генератора опорных импульсов через делитель, фазовый дискриминатор, управляемый генератор частоты и статический преобразователь подключен к управляемому входу электропривода вала роторно-вибрационного гироскопа, выход считывающей головки подключен к первому входу измерителя разности периодов, второй вход которого подключен к второму выходу генератораопорных импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1