Способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа

Авторы патента:

G01C19/24 - с использованием магнитного или электростатического поля

Владельцы патента RU 2327954:

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

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 заключается в том, что вдоль каждой из осей подвеса преобразуют смещение ротора из центра подвеса в постоянное напряжение, которое подвергают частотной коррекции, результат которой складывают или вычитают из постоянного опорного напряжения, затем усиливают два напряжения и подают их на соответствующие силовые электроды подвеса. При этом результат сложения инвертируют и периодически производят операцию усиления то с результатом сложения, то с его инвертированным значением, аналогично результат вычитания инвертируют и периодически, синхронно с результатом сложения производят операцию усиления то с результатом вычитания, то с его инвертированным значением. Изобретение позволяет исключить влияние заряда ротора гироскопа на точность работы гироскопа.

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

Известен резонансный способ управления подвесом ротора ЭСГ (см. П.И.Малеев. Новые типы гироскопов, Л.: Судостроение, 1971 г., стр.17). Элементами подвеса при этом является емкость силового электрода и индуктивность катушки, которые образуют последовательный резонансный контур. При этом запитывается контур переменным синусоидальным напряжением с частотой, лежащей выше резонансной частоты 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.

Известен способ управления подвесом ротора ЭСГ (см. там же, стр.15), взятый за прототип, 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 напряжения и результат вычитания подают на другой силовой электрод подвеса.

Недостатком перечисленных способов является отсутствие возможности уменьшения влияния на точность гироскопа заряда ротора.

Известно, что один из параметров, влияющих на величину скорости ухода ротора ЭСГ - потенциал ротора (см. журнал «Гироскопия и навигация», 1994 г., №2, стр.7-10; 2003 г., №3, стр.37-40). Составляющим потенциала ротора является напряжение от заряда, возникающего при взвешивании ротора, а также в результате натекания (или утечки) электронов из-за несовершенства вакуумного зазора, посторонних частиц и т.д. Нестабильность заряда ротора служит источником случайной составляющей скорости ухода ротора ЭСГ.

Предлагаемое изобретение позволяет уменьшить влияние заряда ротора на точность гироскопа.

Для решения поставленной задачи в способ управления подвесом ЭСГ, согласно которому вдоль каждой из осей подвеса преобразуют смещение ротора из центра подвеса в постоянное напряжение, которое подвергают частотной коррекции, результат которой складывают или вычитают из постоянного опорного напряжения, затем усиливают два напряжения и подают их на соответствующие силовые электроды подвеса, введена последовательность действий, согласно которой результат сложения инвертируют и периодически производят операцию усиления то с результатом сложения, то с его инвертированным значением, аналогично результат вычитания инвертируют и периодически, синхронно с результатом сложения производят операцию усиления то с результатом вычитания, то с его инвертированным значением.

Техническим результатом заявляемого изобретения является снижение влияния заряда ротора на точность гироскопа.

Работа по предложенному способу происходит следующим образом.

Вначале по каждой оси подвеса определяют в виде постоянного напряжения величину смещения ротора из среднего положения между силовыми электродами подвеса, причем знак полученного напряжения определяет смещение ротора в направлении оси или против нее. Затем полученное напряжение подвергают частотной коррекции, при этом проводят операцию дифференцирования для создания опережения по фазе, что обеспечивает устойчивость системе управления подвесом. Кроме того, производят операцию интегрирования для создания режима астатизма, когда постоянные внешние ускорения, действующие на гироскоп, не смещают ротор из центра зазора. Интегрирование производят на частотах на порядок меньших, чем при операции дифференцирования, для исключения их взаимовлияния.

После чего результат коррекции складывают с опорным напряжением, величина которого больше максимально возможного значения напряжения коррекции. Затем результат сложения подвергают операции инвертирования, т.е. меняют знак напряжения. После чего усиливают результат сложения или его инвертированное значение, периодически меняя во времени эти операции. Полученное высоковольтное напряжение подают на силовой электрод подвеса.

Кроме того, результат коррекции вычитают из опорного напряжения. Затем результат вычитания аналогично подвергается операции инвертирования, после чего усиливают результат вычитания или его инвертированное значение, периодически меняя во времени эти операции синхронно с операциями по переключению результатов сложения.

Полученное усиленное напряжение подают на другой силовой электрод подвеса.

При этом замыкается отрицательная обратная связь в подвесе, когда при смещении ротора в положительном направлении оси создают силовые напряжения на электродах подвеса, которые возвращают ротор в центр подвеса. При нахождении ротора в центре подвеса напряжения на силовых электродах равны между собой при условии отсутствия внешнего ускорения, действующего вдоль этой оси подвеса.

Обычно подвес ротора имеет три ортогональные оси, причем по первой оси подвеса силовые электроды имеют площадь в два раза большую, чем по двум другим осям. При этом в один и тот же момент времени на первой оси подвеса знак опорного напряжения устанавливают противоположным знаку опорных напряжений на двух других осях подвеса. При взвешивании ротора, в момент отрыва ротора от упоров подвеса, ротор приобретает заряд, близкий к нулевому. Однако в процессе взвешивания ротор может коснуться других упоров подвеса, приобретая значительный заряд, создающий напряжение на роторе. Напряжение на роторе ухудшает свойства подвеса и гироскопа.

Так при отсутствии напряжения на роторе обычный подвес создает ускорение согласно выражению:

Ап=B[(U₀+ΔU)²-(U₀-ΔU)²]=4BU₀ΔU,

где В - постоянная;

U₀ - опорное напряжение;

ΔU - напряжение коррекции.

При наличии напряжения на роторе имеем:

Ап=В{[(U₀+ΔU)+Up]²-[(U₀-ΔU)+Up]²}=4BΔU(U₀+Up),

где Up - напряжение на роторе.

Данное выражение показывает, что произошло изменение опорного подвеса на величину напряжения на роторе. Напряжение на роторе является нестабильной величиной, в результате чего опорное напряжение подвеса становится нестабильным, изменяются во времени напряжения на силовых электродах при постоянном внешнем ускорении, создаются дополнительные уводящие моменты, действующие на ротор. При этом ухудшается точность гироскопа.

При организации подвеса ротора согласно предлагаемого способа имеем:

Ап=B{[±(U₀+ΔU)+Up]²-[±(U₀-ΔU)+Up]²}=4BΔU(U₀±Up)

Среднее значение ускорения, создаваемое подвесом по отношению к ротору, составит:

Ап=4BΔUU₀

Из выражения видно, что заряд ротора не меняет среднего значения опорного напряжения и параметры гироскопа остаются стабильными во времени, что способствует повышению точности гироскопа.

Способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа, согласно которому вдоль каждой из осей подвеса преобразуют величину смещения ротора из центра подвеса в эквивалентную величину электрического напряжения, которое подвергают частотной коррекции, при этом величину результата частотной коррекции складывают с величиной постоянного опорного напряжения и вычитают из величины постоянного опорного напряжения, затем усиливают величины полученных результатов сложения и вычитания, отличающийся тем, что полученный результат сложения инвертируют и усиливают, периодически меняя во времени операции усиления результата сложения и его инвертированного значения, и полученное высоковольтное напряжение подают на силовой электрод подвеса, аналогично инвертируют и усиливают полученный результат вычитания, периодически меняя во времени операции усиления результата вычитания и его инвертированного значения, и полученное напряжение подают на другой силовой электрод подвеса.

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

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.

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 определения номинальной частоты вращения ротора электростатического гироскопа // 2269745

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

Система демпфирования сферического ротора электростатического гироскопа // 2235293

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. .

Способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа // 2338999

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.

Электромагнитный гироскоп // 2589939

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации и навигации подвижных объектов (самолет, корабль, автомобиль), в инклинометрах (для подземной навигации) и других устройствах, где требуется информация об угловых скоростях, получаемая с помощью микромеханического гироскопа. Электромагнитный гироскоп содержит ферромагнитный ротор в виде кольца со сферической наружной и цилиндрической внутренней поверхностями, верхний, центральный и нижний статоры электромагнитного подвеса ротора, при этом статор вращения ротора выполнен обращенным и помещен внутри кольца ротора, при этом кольцо ротора выполнено с шириной В, удовлетворяющей условию А>В>С, где А - толщина пакета из трех статоров, С - толщина центрального статора. Технический результат - упрощение конструкции электромагнитного гироскопа, повышение перегрузочной способности и предотвращение аварийного обката ротора при внешних возмущениях, превышающих заданные значения. 5 ил.

Способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа // 2626572

Изобретение относится к гироскопической технике, а именно к способам управления подвесами роторов электростатических гироскопов (ЭСГ). Способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа, согласно которому в начале процесса взвешивания создают временную паузу, преобразуют величину смещения ротора из центра подвеса вдоль каждой из его осей в эквивалентную величину электрического напряжения, которое подвергают частотной коррекции, результат коррекции складывают с опорным напряжением, результат сложения усиливают, полученное высоковольтное напряжение подают на силовой электрод подвеса, одновременно результат коррекции вычитают из опорного напряжения, результат вычитания усиливают, полученное высоковольтное напряжение подают на другой силовой электрод подвеса, введены операции, согласно которым перед взвешиванием ротора гироскоп ориентируют в положение, при котором одна из ортогональных осей подвеса вертикальна, а в течение временной паузы на силовые электроды подвеса подают только опорные напряжения, в результате чего прижимают ротор к упорам, расположенным вокруг нижнего силового электрода, центрируя его в зазоре между силовыми электродами, оси которых расположены в горизонтальной плоскости. Технический результат – обеспечение взвешивания ротора без возбуждения подвеса и повышение точности ЭСГ.

Способ управления подвесом ротора электростатического гироскопа // 2640967

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

Криогенный гироскоп // 2643942

Использование: для производства криогенных гироскопов со сферическим ротором. Сущность изобретения заключается в том, что криогенный гироскоп содержит герметичный корпус, сферический ротор, выполненный из сверхпроводящего материала, комбинированный подвес ротора, включающий систему сверхпроводящих экранов, установленных в корпусе попарно вдоль осей подвеса с противоположных сторон ротора и формирующих магнитное поле в рабочем зазоре подвеса, рабочая поверхность каждого из сверхпроводящих формирующих экранов, обращенная к ротору, выполнена в виде профилированной части сферы и образует со сферической поверхностью ротора переменный рабочий зазор, обеспечивающий равномерную плотность магнитного потока в зазоре, катушки возбуждения магнитного подвеса, установленные над экранами, схему управления магнитным подвесом, формирующую токи, протекающие в катушках возбуждения, схему управления электростатическим подвесом, формирующую электрический потенциал на поверхности сверхпроводящих формирующих экранов, на профилированную рабочую поверхность каждого сверхпроводящего формирующего экрана установлен дополнительный экран, имеющий электрический контакт со сверхпроводящим формирующим экраном из материала, не обладающего сверхпроводящими свойствами, рабочая поверхность которого выполнена в виде части сферы и образует со сферической поверхностью ротора равномерный зазор, что обеспечивает равномерность плотности электрических сил в зазоре. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности криогенного гироскопа. 2 ил.