Алгоритм гарантированного трогания шагового электродвигателя модуляционного гироскопа

Авторы патента:

Чудинов Алексей Юрьевич (RU)

Максимов Александр Геннадьевич (RU)

Нестеров Иван Иванович (RU)

Ермаков Владимир Сергеевич (RU)

Андреев Алексей Гурьевич (RU)

Середа Юрий Алексеевич (RU)

G01C19/02 - вращающиеся гироскопы

Владельцы патента RU 2391629:

Открытое акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" (RU)

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах инерциального управления движущимися объектами. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для достижения данного результата ротор электродвигателя гироскопа предварительно должен быть установлен в оптимальную точку трогания. Для двухфазного шагового электродвигателя такая установка осуществлена за счет предварительной поочередной подачи на фазные обмотки двух постоянных сигналов. Первый сигнал по обмотке и полярности должен соответствовать первому пусковому импульсу в цикле прямой последовательности вращения, второй сигнал - последнему импульсу в цикле прямой последовательности вращения. 2 ил.

Изобретение относится к гироскопии и, в частности, к алгоритму трогания шагового электродвигателя датчика угловой скорости на базе модуляционного гироскопа и может быть использовано в системах инерциального управления объектами бескарданного типа.

В настоящее время известен датчик угловой скорости на базе модуляционного гироскопа (см. патент RU 2276773 С2, 25.05.2004 года). Уникальность такого датчика угловой скорости состоит в том, что в нем принципиально отсутствует тренд (медленное изменение точностного параметра во времени) и гистерезис. Независимость точности модуляционного гироскопа от его кинетического момента (в первом приближении) принципиально отличает этот ДУС (датчик угловой скорости) от других существующих ДУСов.

Однако, как показала практика работы с таким ДУСом, примененный в нем электродвигатель шагового типа, служащий для вращения ротора ДУСа, а также газодинамические сферические опоры (ГДО), используемые вместо шарикоподшипниковых опор, ресурс которых в сотни раз меньше, имеет существенный недостаток: нестабильность запуска ГДО с шаговым двигателем. Применение же синхронной гистерезисной электрической машины в данном ДУСе недопустимо из-за нестабильности электромагнитной составляющей вибротяжения от пуска к пуску. В отличие от двигателя шагового типа, где постоянные магниты жестко привязаны к моментам инерции ротора от пуска к пуску, в синхронной гистерезисной машине после каждого очередного пуска вектор электромагнитной составляющей вибротяжения (вектор намагниченности викаллоя) занимает разное положение после вхождения двигателя в синхронизм по отношению к моментам инерции ротора. Доля такой погрешности доходит до 20-30% от суммарного случайного ухода (дрейфа) ДУСа. Поэтому в модуляционном ДУСе (ДУСе на базе модуляционного гироскопа) случайный дрейф от пуска к пуску такой же, как и в пуске.

В модуляционном ДУСе установлен шаговый электродвигатель (ШЭД), имеющий число пар полюсов р=9; число фаз m=2 и соответственно угловой шаг . Каждый полюс ротора состоит из двух последовательных постоянных магнитов, между которыми в воздушном зазоре установлены фазные обмотки статора. Фазные обмотки не имеют собственного сердечника и расположены в разных плоскостях воздушного зазора. Электрическая схема фазных обмоток представлена на фигуре 1.

Пуск такого ШЭД осуществляется постепенным увеличением частоты напряжения питания при соблюдении прямой последовательности направления вращения:

+2, -1, -2, +1; +2, -1 и т.д.

На фигуре 2 представлены графические зависимости вращающего момента ротора М_вр. от угла положения ротора α при постоянном токе в одной фазной обмотке М_вр.=К·I·f (α).

С учетом двух обмоток и двух направлений тока таких зависимостей существует четыре:

М₊₁=К·I·f₊₁ (α)

M_-1=K·I·f_-1(α)

М₊₂=К·I·f₊₂ (α)

М_-2=К·I·f_-2 (α)

На фигуре 2 за нулевой угол α принято положение ротора в точке устойчивого равновесия +У1, в которую стремится ротор при прохождении по обмотке W₁ постоянного тока положительного направления. При этом же токе при α=20° возникает точка неустойчивого равновесия +НУ1, из которой ротор стремится уйти в ту или другую сторону, а при точном расположении на +НУ1 - остается на месте.

Большая крутизна графика f (α) в районе сил выталкивания (+НУ1), по сравнению с его крутизной в районе сил втягивания (+У1), объясняется геометрической формой фазных обмоток.

Основным недостатком рассмотренного ШЭД является зависимость пуска от исходного углового положения ротора, которое является чисто случайно возникшим при остановке ротора после, от предыдущего вращения. Например, при нахождении неподвижного ротора в точке +НУ2 и использовании прямой последовательности, начинающейся с +2, пуск будет или невозможен (М_вр.=0), или первый пусковой момент может быть направлен в обратную сторону. Для устранения этого недостатка и обеспечения гарантированного трогания электродвигателя в прямом направлении ротор ШЭД должен быть предварительно установлен в оптимальное положение. Таким оптимальным положением ротора для приведенной выше последовательности включения является точка устойчивого равновесия +У1 (см. фигуру 2) и ее окрестности. Оптимальность точки +У1 определяется наличием первого положительного момента +2, а также отсутствием продольных сил, увеличивающих момент трогания на газодинамических сферических опорах модуляционного гироскопа.

Продольные силы вдоль оси ротора гироскопа F_прод. для токов +1 и +2 приведены в уменьшенном масштабе на фигуре 2.

Предлагаемый алгоритм трогания ШЭД гарантирует предварительную установку ротора в выбранную оптимальную точку из любого случайного углового положения. Предварительная установка ротора осуществляется за счет поочередной подачи на фазные обмотки статора коротких постоянных сигналов, величина которых должна быть достаточна для преодоления момента трогания, а длительность должна быть больше времени возникшего затухающего переходного процесса колебаний ротора вокруг точки устойчивого равновесия. Например, установка в оптимальную точку +У1 может быть осуществлена предварительной подачей постоянного сигнала типа +1, но при этом необходимо учесть, что ротор придет в точку +У1 со всех положений, кроме положения НУ1 и его ближайших окрестностей. Чтобы исключить такой вариант, необходимо подать постоянный сигнал типа +2. Таким образом, подача постоянных сигналов с последовательностью:

+2, +1

гарантирует установку ротора в исходное положение, обеспечивающее пуск ШЭД в прямом направлении вращения при соблюдении прямой последовательности, начинающейся с +2.

Из анализа других возможных вариантов подачи первого пускового импульса можно сделать общий вывод, что для гарантированного трогания ШЭД ротор необходимо предварительно установить в оптимальную точку трогания. Для этого необходимо на обмотки статора подать друг за другом два постоянных коротких сигнала. Первый сигнал по полярности и обмотке должен соответствовать первому по времени пусковому импульсу прямой последовательности вращения, а второй сигнал по обмотке и полярности должен соответствовать последнему импульсу в цикле прямой последовательности вращения.

Алгоритм гарантированного трогания двухфазного шагового электродвигателя с активным ротором, частотным разгоном, повышенным моментом трогания и предварительной установкой ротора в угловое положение трогания в прямом направлении вращения для модуляционного гироскопа, отличающийся тем, что гарантированная установка ротора в угловое положение трогания осуществляется фазными обмотками статора за счет подачи в них коротких постоянных сигналов, величина которых достаточна для преодоления момента трогания, а длительность больше времени переходного процесса колебаний ротора вокруг точки устойчивого равновесия, по следующему алгоритму: установочных сигналов должно быть два и подаваться они должны по очереди; при этом первый сигнал по обмотке и полярности должен соответствовать первому пусковому импульсу прямой последовательности вращения, а второй сигнал по обмотке и полярности должен соответствовать последнему импульсу в цикле прямой последовательности вращения.

Изобретение относится к гироскопии и может быть использовано в системах инерциального управления объектами бескарданного типа. .

Качающаяся мачта // 2381947

Изобретение относится к устройствам мачт парусников и ветроэнергетических установок. .

Способ регулировки динамически настраиваемого гироскопа // 2344375

Изобретение относится к гироскопии и может быть использовано в системах инерциального управления движущимися объектами. .

Способ измерения угла пеленга и устройство для его осуществления // 2314494

Изобретение относится к гироскопическим приборам, которые используются в качестве датчика угла пеленга на управляемых ракетах, системах навигации и стабилизации. .

Гироскоп (варианты) // 2308680

Модуляционный гироскоп // 2303766

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

Способ измерения угла пеленга и устройство для его осуществления // 2298152

Изобретение относится к области гироскопического приборостроения, системам навигации и стабилизации. .

Гироскоп // 2298151

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к гироскопическим преобразователям угловой скорости с двухстепенным упругим подвесом чувствительного элемента.

Динамически настраиваемый гироскоп // 2282825

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

Датчик угловой скорости на базе модуляционного гироскопа // 2276773

Гироскопический прибор // 2416069

Изобретение относится к области управляемых снарядов, а именно к гироскопическим приборам, используемым в системах управления артиллерийских управляемых снарядов

Гироскоп // 2446382

Изобретение относится к приборостроению и может использоваться при создании бескарданных гироскопов на сферической шарикоподшипниковой опоре, которые могут применяться, например, в качестве чувствительных элементов гиростабилизаторов или двухканальных измерителей угловой скорости

Гироскоп (варианты) // 2460040

Изобретение относится к приборостроению, в частности к бескарданным гироскопам на сферической шарикоподшипниковой опоре, которые могут использоваться, например, в качестве чувствительных элементов гиростабилизаторов или двухканальных измерителей угловой скорости

Гиростабилизатор двухколесного одноколейного транспортного средства // 2546036

Изобретение относится к транспортным средствам, а именно к гиростабилизированным двухколесным одноколейным транспортным средствам. Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности экстренного маневра без уменьшения частоты вращения гироскопа простым наклоном корпуса водителя при одновременном упрощении конструкции за счет использования только одного гироскопа. Гиростабилизатор двухколесного одноколейного транспортного средства выполнен в виде гироскопа в кардановом подвесе, внешнее кольцо карданова подвеса имеет двухстороннее осевое шарнирное соединение с рамой транспортного средства, причем ось этого соединения направлена вдоль продольной оси транспортного средства, внутреннее кольцо карданова подвеса имеет двухстороннее осевое шарнирное соединение с внешним кольцом, вал ротора гироскопа имеет двухстороннее осевое шарнирное соединение с внутренним кольцом карданова подвеса, причем оси всех трех шарнирных соединений взаимно перпендикулярны, внешнее кольцо карданова подвеса является опорой для водителя, а гиростабилизатор имеет средство блокировки поворота внешнего кольца вокруг оси его шарнирного соединения с рамой транспортного средства. Поворот двухколесного транспортного средства на высокой скорости производится его наклоном в сторону поворота без участия руля. Гиростабилизатор сохраняет горизонтальную ориентацию подножки и ног водителя и позволяет водителю через реакцию ног и корпуса контролировать устойчивость транспортного средства. При зафиксированном внешнем кольце перпендикулярно относительно рамы обеспечивается устойчивость всего транспортного средства без участия водителя. 5 ил.

Безобогревной термоинвариантный электромеханический поплавковый измеритель угловой скорости // 2548377

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к средствам измерения угловых скоростей в системах управления движущимися объектами. Технический результат - расширение функциональных возможностей. Для этого измеритель содержит гироблок, усилитель обратной связи, содержащий предварительный усилитель, фазочувствительный выпрямитель, корректирующий контур с интегратором, выполненным на первом операционном усилителе, усилитель мощности, нагрузочный резистор и источник питания, при этом к обмотке датчика момента гироблока подсоединены термошунты. Корректирующий контур выполнен в виде последовательного соединения интегро-дифференцирующего звена и сумматора, интегро-дифференцирующее звено с зависящей от температуры форсирующей постоянной времени состоит из интегратора и усилительного звена, подключенного параллельно интегратору; усилительное звено состоит из второго операционного усилителя и обратной связи. 6 ил., 2 табл.

Устройство и способ измерения абсолютной угловой скорости // 2621642

Изобретение относится к гироскопической технике и может быть использовано для измерения абсолютной угловой скорости подвижных объектов - самолетов, ракет, морских судов. Изобретением являются устройство и способ измерения абсолютной угловой скорости на базе роторного вибрационного гироскопа, состоящего из круглого маховика, установленного на приводном валу двигателя при помощи упругого торсиона. Магнитная система ротора датчика момента выполнена на маховике и обеспечивает близкую к равномерной индукцию в зазоре, в который вставлены четыре катушки, прикрепленные к корпусу прибора. Двигатель имеет статор с трехфазной обмоткой и ротор в виде постоянного магнита. В приборе отсутствует датчик угла, как отдельный элемент, а его функции выполняют сигнальные обмотки датчика момента, в которых при воздействии на прибор абсолютной угловой скорости индуцируется напряжение с частотой, равной удвоенной частоте вращения ротора. Разложение этого сигнала на составляющие, пропорциональные проекциям вектора угловой скорости, осуществляется при помощи специального алгоритма, обрабатывающего напряжения, индуцированные в сигнальных обмотках датчика момента, и напряжения, получаемого из сигнальной обмотки двигателя. Технический результат – повышение точности измерения абсолютной угловой скорости. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Гироскопический датчик угловых положений объекта с шестью степенями свободы // 2629690

Использование: для первичных измерительных преобразователей (датчиков) угловых положений объектов с шестью степенями свободы пространственного движения. Сущность изобретения заключается в том, что гироскопический датчик угловых положений объекта с шестью степенями свободы содержит гироскоп с вращающимся ротором-магнитом, намагниченным перпендикулярно оси вращения, помещенный внутри сферического соленоида и разгонного устройства, снабженного системами электрического арретирования и стабилизации частоты вращения ротора, при этом дополнительно введены еще два сферических соленоида, расположенных попарно биортогонально с первым соленоидом и между собой, а вместе трехмерно ортогонально, все три соленоида расположены на сфере, выполненной из немагнитного материала и жестко соединенной с объектом зафиксированным внешним кардановым подвесом, а ротор-магнит выполнен в форме полого сферического шара, частично заполненного немагнитной демпфирующей жидкой средой, а зазор между ротором и сферой с соленоидами заполнен жидкой смазкой, на сфере параллельно оси сферического соленоида начального отсчета расположено прицельное устройство, а на втулках карданового подвеса установлены элементы снятия фиксации. Технический результат: обеспечение возможности повышения информативности, упрощения, снижения массогабаритов и расширения областей применения. 4 ил.

Способ автономного определения угловых положений объекта с шестью степенями свободы пространственного движения // 2629691

Использование: для преобразования угловых положений. Сущность заключается в том, что способ автономного определения положения объекта основан на формировании информативного гармонического сигнала частоты вращения гироскопа с радиально намагниченным ротором–магнитом путем индуцирования эдс в обмотке сферического соленоида, механически закрепленного на объекте, электрическом арретировании ротора гироскопа, наведении его оси вращения на объект внешнего пространства и установке начального отсчета координат, разарретировании и выделении из информативного сигнала параметров по двум координатам, курса и тангажа, при этом формируют одновременно три попарно биортогональных между собой синусно-косинусных сигнала индуцированием эдс частоты вращения ротора, выполненного в форме полого полного или неполного шара, намагниченного перпендикулярно его оси вращения и помещенного внутри или снаружи сферы из немагнитного материала, на которой взаимно пространственно перпендикулярно расположены три сферических соленоида, а параметры трех угловых положений объекта, представленного связанной с ним системой координат в виде трех попарно биортогональных между собой синусно-косинусных сигналов, относительно внешнего инерциального, псевдоинерциального или неинерциального пространства, представленного вращающимся шаровым ротором-магнитом, определяют одновременной демодуляцией по трем каналам амплитуд и фаз трех пар обозначенных синусно-косинусных сигналов по заданным алгоритмам. Технический результат: обеспечение возможности повышения информативности измерительного преобразования, расширения областей применения для 6-степенных объектов с неограниченными углами рассогласования и упрощения алгоритмов обработки информативных сигналов. 7 ил.