Способ определения номинальной частоты вращения ротора электростатического гироскопа

Авторы патента:

G01C19/24 - с использованием магнитного или электростатического поля

Владельцы патента RU 2269745:

Федеральное государственное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" (RU)

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации инерциальных навигационных систем на электростатических гироскопах. Сущность изобретения: по результатам изменений уходов ротора гироскопа на двух частотах вращения ротора при двух положениях ротора в вакуумной камере определяется номинальная частота вращения ротора, при которой он становится интегрально сферическим (номинальная частота вращения). Изобретение позволяет уменьшить влияние на уходы ротора электростатического гироскопа таких факторов, как нестабильность следящих систем подвеса, заряд ротора, погрешность следящих систем списывания углового положения, что повышает точность гироскопа. 1 ил.

Известен способ нахождения расчетным путем величины разности осей такого эллипсоида, чтобы при вращении с номинальной частотой форма его поверхности под действием центробежных сил стала сферической. Способ описан в статье Ю.Г.Мартыненко и В.В.Подалкова «Асферизация полого ротора электростатического гироскопа» (сборник «Гироскопия и навигация», выпуск 2, 1997 год).

Дальнейшая эксплуатация гироскопа проводится при расчетной частоте вращения ротора. Данный способ принят в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Недостатком такого способа является то, что расчет не учитывает ряд факторов, влияющих на точность определения частоты вращения ротора, при которой он нечувствителен к изменению пондеромоторных сил. К этим факторам следует отнести:

- разброс входящих в расчетные формулы параметров материала ротора (плотности, модуля упругости и др.);

- поле допусков при изготовлении ротора;

- влияние на точность ЭСГ высших гармоник формы поверхности ротора.

Все эти факторы снижают потенциальную точность ЭСГ, т.к. несовпадение формы поверхности ротора со сферой приводит к появлению момента от действия пондеромоторных сил, направленных по нормали к поверхности, и, следовательно, к возникновению уходов гироскопа.

Известно (монография Ю.Г.Мартыненко «Движение твердого тела в электрических и магнитных полях», Москва, «Наука», 1998 год), что при линейном смещении несферического ротора ЭСГ относительно электродов подвеса изменяется его скорость ухода вследствие перераспределения по поверхности пондеромоторных сил. Если при линейном смещении ротора изменения скорости ухода нет, следует считать, что ЭСГ инвариантен к изменению пондеромоторных сил, т.е. ротор такого ЭСГ интегрально сферический.

Задачей настоящего изобретения является определение частоты вращения ротора, при которой он становится интегрально сферическим (номинальной частоты вращения), что уменьшает уводящие моменты от пондеромоторных сил, а следовательно, повышает точность гироскопа.

Поставленная задача решается последовательностью операций:

1. ЭСГ устанавливают в прибор, позволяющий определять скорость ухода ротора (например, в гироориентатор), так, чтобы ось вращения ротора находилась в плоскости Земного экватора.

2. Ротор взвешивают в вакуумной камере при помощи пространственной системы подвеса и разгоняют до расчетной частоты вращения f₁.

3. Прибор, в который установлен ЭСГ, приводят в рабочий режим.

4. Определяют скорость ухода ротора n₁₁ по накопленному углу вплоскости Земного экватора.

5. Смещают ротор в вакуумной камере вдоль оси, расположенной по оси вращения ротора, введением дополнительного электрического напряжения на вход следящей системы координаты подвеса по этой оси.

6. Определяют скорость ухода ротора n₁₂.

7. Разгоняют ротор до частоты вращения f₂.

8. Определяют скорость ухода ротора n₂₁.

9. Снимают дополнительное электрическое напряжение.

10. Определяют скорость ухода ротора n₂₂.

11. Вычисляют номинальную частоту вращения ротора, при которой он становится интегрально сферическим, по формуле:

12. Доводят частоту вращения ротора до номинальной.

Вывод формулы поясняется чертежом, где обозначено:

f₁ - расчетная частота вращения ротора;

f₂ - частота вращения ротора после разгона (торможения);

f_н - частота вращения ротора, при которой он становится интегрально сферичным;

A, B, C, D, E - вершины треугольников;

(n₁₂-n₁₁) - разность скоростей ухода ротора после и до линейного смещения на частоте вращения ротора f₁;

(n₂₂-n₂₁) - разность скоростей ухода ротора после и до линейного смещения на частоте вращения ротора f₂.

Из подобия треугольников ABD и АСЕ:

Решая эту пропорцию, получим вышеприведенную формулу.

На предприятии ЦНИИ «Электроприбор» предлагаемое техническое решение осуществлено.

ЭСГ устанавливается в двухосный гиростабилизатор, ротор ЭСГ взвешивается в вакуумной камере с помощью трехосной следящей системы, раскручивается до расчетной частоты вращения (f₁), определяемой конструкторской документацией, при помощи демпфирующей катушки ось ротора выставляется в плоскость Земного экватора. Затем включаются следящие системы кардановых колец, наблюдается движение ротора и определяется по накопленному углу скорость ухода на расчетной частоте вращения (n₁₁). Далее ротор смещается вдоль оси вращения, с помощью дополнительного электрического напряжения, вводимого в координату следящей системы подвеса ротора, управляющую его линейным перемещением вдоль оси вращения, и снова определяется скорость ухода на расчетной частоте вращения (n₁₂).

Следующей операцией ротор разгоняется до частоты вращения выше расчетной (f₂), проводится измерение скорости ухода ротора (n₂₁) на частоте выше расчетной, после чего дополнительное электрическое напряжение снимается и вновь определяется скорость ухода ротора (n₂₂).

По формуле (1) находится номинальная частота вращения ротора (f_н) и частота вращения ротора доводится до номинальной (f_н).

Реализация этого способа в ЦНИИ "Электроприбор" позволила повысить точность ЭСГ в 3-5 раз.

Технико-экономическая эффективность изобретения заключается в повышении точности ЭСГ.

В связи с отсутствием сведений о потребностях страны в количестве таких гироскопов экономический эффект изобретения подсчитать не представляется возможным.

Способ определения номинальной частоты вращения ротора электростатического гироскопа, содержащего тонкостенный ротор, внешняя поверхность которого выполнена в форме вытянутого к полюсам эллипсоида вращения с определенной расчетным путем величиной разности осей эллипсоида, заключающийся в том, что электростатический гироскоп устанавливают в прибор, позволяющий определять скорость ухода ротора, ось вращения ротора выставляют в плоскость Земного экватора, ротор взвешивают в вакуумной камере при помощи пространственной следящей системы подвеса, осуществляют разгон ротора до расчетной частоты вращения f₁, после приведения прибора, в котором установлен гироскоп, в рабочий режим определяют скорость ухода n₁₁ по накопленному углу в плоскости Земного экватора, отличающийся тем, что ротор смещают по направлению оси вращения введением дополнительного электрического напряжения на вход следящей системы координаты подвеса, расположенной вдоль оси вращения ротора, измеряют скорость ухода ротора n₁₂, разгоняют ротор до частоты вращения f₂, измеряют скорость ухода n₂₁, снимают дополнительное электрическое напряжение, измеряют скорость ухода ротора n₂₂, определяют номинальную частоту вращения ротора по формуле

и доводят частоту вращения ротора до номинальной.

Электростатический гироскоп // 2208764

Способ определения погрешности электростатического гироскопа // 2193162

Гирокамера электростатического гироскопа // 2193159

Демпфер для электромеханических устройств переменного тока // 2193122

Изобретение относится к области приборостроения и предназначено для использования в электромеханических устройствах на переменном токе для демпфирования поступательных и угловых колебаний тел, статическое или динамическое состояния которых заданы магнитным или электрическим полями соответственно электромагнитов или электродов, питаемых переменным током.

Способ приведения ротора электростатического гироскопа (эсг) в рабочий режим // 2187787

Изобретение относится к области точного приборостроения. .

Измеритель перемещения тела // 2175114

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения перемещения измерительного центра инерционной массы чувствительного элемента приборов, в которых используется магнитный или электростатический подвес тела.

Электростатический гироскоп // 2173446

Изобретение относится к гироскопическим устройствам и может быть применено в навигации и ориентации различных объектов, а также в других областях, где необходимо обеспечить управление подвижной массой при энергетических и временных ограничениях.

Электростатический гироскоп // 2167396

Гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора // 2158903

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, навигации и управления таких подвижных объектов, как самолет, корабль, автомобиль, микроробот и другие, где требуется информация об угловых скоростях и кажущихся ускорениях.

Трехосный гиромотор // 2275601

Изобретение относится к гироскопическим устройствам и может быть применено в тех областях, где необходимо обеспечить не только вращение сферического электро- и магнитопроводящего ротора вокруг оси, расположенной в любом заданном положении в пространстве, но и измерение этого положения

Способ автокомпенсации уходов электростатического гироскопа // 2296298

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации инерциальных систем на электростатических гироскопах

Способ ориентации полярного электростатического гироскопа корабельной навигационной системы // 2308004

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано в составе навигационных комплексов

Способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа // 2327954

Изобретение относится к гироскопической технике, а именно, к способам управления подвесами роторов электростатических гироскопов (ЭСГ), которые используются для высокоточного измерения навигационных параметров движущихся объектов

Способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа // 2338999

Изобретение относится к гироскопической технике, а именно к способам управления подвесами роторов электростатических гироскопов (ЭСГ), которые используются для высокоточного измерения навигационных параметров движущихся объектов

Способ коррекции программного движения полярного электростатического гироскопа корабельной навигационной системы // 2386106

Электростатический гироскоп с оптическим считыванием положения оси ротора и способ определения углового положения оси ротора // 2531060

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.

Неконтактный подвес ротора // 2545310

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в неконтактных гироскопах, акселерометрах и магнитных подшипниках. Предложенный неконтактный подвес ротора содержит пары диаметрально противоположно расположенных поддерживающих ротор элементов в виде электромагнитов или электродов, подключенных к выходам фазоинвертора, вход которого соединен с источником переменного напряжения, и один общий настроечный элемент в виде конденсатора или катушки индуктивности, примененный для каждой пары поддерживающих элементов и включенный между общей точкой соединения пары поддерживающих элементов и общей точкой фазоинвертора. Использование одного общего настроечного элемента позволяет упростить схему предложенного подвеса, обеспечить линейность тяговой характеристики и стабильность нулевого положения ротора, благодаря исключению относительного изменения величин двух настроечных элементов традиционного резонансного подвеса. 4 ил.

Гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора и полной первичной информацией // 2568147

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, навигации и управления подвижными объектами (ПО). Гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора и полной первичной информацией дополнительно содержит измерительные цепочки, электроды, фазочувствительные выпрямители (ФЧВ), сумматоры, масштабирующие элементы. Технический результат - определение трех углов ориентации и трех координат местоположения подвижного объекта. 7 ил.

Электростатический гироскоп // 2579156

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, навигации и управления различных подвижных объектов. Предложенный электростатический гироскоп содержит ротор, основной статор с поддерживающими электродами на цилиндрической рабочей поверхности, два дополнительных статора с электродами и привод вращения ротора, ротор выполнен в виде кольца со сферической наружной (внешней) поверхностью, дополнительные статоры, прилегающие к основному центральному статору, выполнены с электродами на сферических рабочих поверхностях или на конических поверхностях, касательных к сферической поверхности ротора, а привод вращения ротора выполнен в виде обращенного статора с обмотками и внешней рабочей поверхностью, расположенной напротив внутренней цилиндрической поверхности кольца ротора. Кольцо ротора может быть выполнено с шириной В, удовлетворяющей условию А>В>С, где А - толщина пакета из трех статоров, С - толщина основного статора. Технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в повышении точности и перегрузочной способности микромеханического электростатического гироскопа с непрерывно вращающимся ротором. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.