Гироскоп - акселерометр со сферическим ферромагнитным ротором в магниторезонансном подвесе

Гироскоп - акселерометр со сферическим ферромагнитным ротором в магниторезонансном подвесе

Реферат

 

Использование: точное приборостроение, а именно, чувствительные элементы с неконтактным подвесом инерционных тел для гироскопических систем ориентации и навигации подвижных объектов. Сущность изобретения: в гироскопе-акселерометре с магниторезонансным подвесом сферического ферромагнитного ротора с двумя противоположно расположенными статорами подвеса, на ферромагнитных сердечниках которых расположены тяговые электромагниты резонансных контуров, подключенные к источнику переменного тока через конденсаторы и демпфирующие устройства, статором вращения и двумя дифференциальными индукционными двух-координатными датчиками, взаимодействующими с полярными областями ротора, в состав индуктивностей каждого резонансного контура включено по два рядом расположенных на статоре электромагнита, а обмотки электромагнитов включены таким образом, чтобы магнитные потоки электромагнитов, входящих в резонансный контур, имели противоположные между собой направления, а магнитные потоки рядом расположенных электромагнитов, входящих в разные резонансные контура, имели одинаковые направления. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано в чувствительных элементах с неконтактным подвесом инерционных тел для гироскопических систем ориентации и навигации подвижных объектов.

Известный гироскоп с магнитным подвесом сферического ротора [1] имеет два статора, с размещенными на них электромагнитами, удерживающими ротор в равновесном положении. В центральной части гироскопа расположен статор, приводящий ротор во вращение. С полярными областями ротора взаимодействуют два индукционных датчика, выполняющие функции измерителей угловых отклонений ротора относительно корпуса гироскопа, а также функции управления прециссионным движением ротора.

В состав гироскопа такого типа помимо рассмотренного электромеханического блока входит также электронное устройство, обеспечивающее его функционирование. Электронное устройство оказывает существенное влияние на конструкцию электромеханического блока и наоборот. Эти компоненты гироскопа определяют его свойства. Аналогичная ситуация характерна и для других типов экзотических гироскопов, например, для гироскопов с электрическим и криогенным подвесами.

Целью изобретения является создание устройства, способного выполнять функции гироскопа и акселерометра, с повышенными несущей способностью и устойчивостью подвеса инерциального тела, а также достаточно простыми и экономичными по питанию электронными компонентами. Использование феррита в качестве конструкционного материала для изготовления основных деталей гироскопа-акселерометра позволило решить проблему его создания на путях применения пассивных резонансных цепей во всех его составных частях. Предложенное изобретение поясняется рисунками.

На фиг. 1^а приведена конструктивная схема гироскопа и взаимодействие входящих в его состав электронных блоков. На фиг. 1^б приведено взаимное положение сердечников статора подвеса и двухкоординатного датчика.

На фиг. 2 изображена схема одного из резонансных контуров подвеса ротора гироскопа-акселерометра, а на фиг. 3 формы напряжений на элементах этой схемы.

На фиг 4. изображена схема устройств подвеса ротора в направлении общей оси симметрии двух пар противоположно расположенных электромагнитов подвеса.

На фиг. 5^а приведена схема связей устройств подвеса с преобразователем питания и сумматором, а на фиг. 5^б схема связей устройств подвеса с преобразователем питания, выполняющая также функции электропровода ротора.

На фиг. 6 приведена структурная схема преобразователя питания гироскопа-акселерометра.

На фиг. 7 изображена схема блока выработки сигнала углового рассогласования ротора относительно оси симметрии датчика.

На фиг. 8^а изображена схема подключения к сети обмоток статора вращения, а на фиг. 8^б частотные характеристики резонансных цепей статора вращения.

Как показано на фиг. 1^а, статора подвеса 1 и 2, удерживающие в равновесном положении ротор 3, подключены к блоку 4 резонансного подвеса, демпфирования и выработки сигналов 5, пропорциональных линейным ускорениям корпуса прибора. Блок 4 связан с преобразователем 6, на выход которого поступает внешняя сеть питания 7. Двухкоординатные индукционные датчики 8 и 9 связаны соответственно с блоками 10 и 11 выработки сигналов 12 и 13, пропорциональными угловым отклонениям оси вращения ротора относительно оси симметрии прибора. Двухфазный статор вращения 14 связан с блоком 15 выработки двухфазного тока. Блоки 4, 6, 10, 11, 15 входят в состав электронного устройства жизнеобеспечения гироскопа-акселерометра.

С корпусом электромеханической части гироскопа-акселерометра связана ортогональная система координат O_xy. Электромагниты статоров 1 и 2 подвеса прикладывают к ротору усилия, направленные вдоль осей симметрии x₁, x₂, y₁, y₂. Оси y, y₁, y₂ расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости рисунка и на нем не показаны.

Магниторезонансный подвес ротора представляет собой пространственную систему автоматического регулирования. Магнитные потоки отдельных электромагнитов, расположенных на общих магнитопроводах статоров подвеса, связаны между собой, что ухудшает устойчивость упомянутой системы регулирования. В предложенном гироскопе приняты специальные меры для уменьшения связи электромагнитов разных резонансных цепей между собой.

Сечение A-A электромеханической части прибора приведено на фиг. 1^б. Показано взаимное расположение сердечников 16^oC23 электромагнитов статора подвеса 2 и четырех сердечников двухкоординатного датчика 9. Знаками и + обозначены принятые направления магнитных потоков в сердечниках, что обеспечивается соответствующим подключением катушек, размещенных на них. В состав каждой индуктивности, входящей в соответствующий резонансный контур, включено по два электромагнита с разными направлениями магнитных потоков, расположенных рядом друг с другом на статоре подвеса. Магнитные потоки рядом расположенных электромагнитов, входящих в резонансные цепи, имеют одинаковую направленность. Таким образом в четыре резонансных контура подвеса входят соответственно электромагниты, размещенные на сердечниках 16 и 17, 18 и 19, 20 и 21, 22 и 23. Принятая направленность магнитных потоков в сердечниках статоров способствует повышению устойчивости подвеса, так как за счет одинаковой направленности магнитных потоков в сердечниках электромагнитов соседних резонансных контуров уменьшается электромагнитная связь этих контуров между собой.

Симметричное расположение сердечников двухкоординатного датчика 9 относительно сердечников статора подвеса 2 с различной направленностью магнитных потоков обеспечивает уменьшение наведенных помех в обмотках датчика со стороны цепей подвеса.

Второй статор подвеса выполнен аналогично.

На фиг. 2 изображена схема части 24 резонансного подвеса ротора 3. В резонансный контур входят конденсатор C_p и электромагниты L₁, L₂ с противоположно направленными, как указано ранее, магнитными потоками. Электромагниты L₁, L₂ могут быть также соединены последовательно. Последовательно с резонансным контуром включено демпфирующее устройство 25, состоящее из двух разнополярных однополупериодных выпрямителей, нагруженных на резисторы R и конденсаторы C. Постоянная времени RC значительно превосходит частоту приложенного к точкам "O" и "C" питающего напряжения синусоидальной или импульсной формы. Поэтому на конденсаторах C образуются постоянные напряжения, изменяющиеся с некоторым запаздыванием по отношению к изменяющемуся среднему току электромагнитов.

На фиг. 3 показаны формы напряжений U₁, U₂ между точками "b" и "c", а также точками "O" и "b" соответственно, изображенными на рис. 2, в случае питания схемы синусоидальным напряжением. Изменение тока электромагнитов, обусловленное перемещением ротора, не сразу изменяет угол отсечки и амплитуду напряжения U₂₁ вследствие чего быстрым перемещениям ротора соответствует большее изменение тока. При медленных перемещениях ротора амплитуда напряжения U₂ успевает также измениться, уменьшая тем самым изменение тока электромагнитов. Это свойство обуславливает способность рассматриваемого устройства вырабатывать производную по огибающей переменного тока электромагнитов при изменениях положения ротора относительно электромагнитов. Тем самым обеспечивается устойчивость подвеса. Аналогичные процессы протекают и при питании устройства переменным током прямоугольной формы.

Как видно из фиг. 2, производные вырабатываются раздельно для положительных и отрицательных полупериодов питающего тока, что повышает эффективность демпфирующего устройства 25.

На выходах "а" и "б" устройства вырабатываются напряжения противоположных полярностей, пропорциональные току электромагнитов.

Устойчивый подвес ротора 3 вдоль какой-либо оси симметрии, например оси X₂, осуществляется двумя устройствами 24, электромагниты которых расположены на разных сторонах подвеса. Схема соединений этих устройств между собой изображена на рис. 4. Выход "а" каждого демпфирующего устройства связан с выходом "б" другого устройства через конденсатор C связи. Выходы "O" и "C" частей резонансного подвеса не показанных на фиг. 4, связаны с преобразователем питания.

Наличие конденсаторов связи обеспечивает обмен переменными составляющими напряжений между демпфирующими устройствами и повышает эффективность их работы. Это свойство обусловлено тем, что значительные изменения тока, происходящие в электромагнитах, от которого ротор удаляется, в виде производных по перемещению с необходимым знаком, поступают в электромагниты, к которым ротор приближается, и вследствие меньшего зазора между ротором и второй группой электромагнитов в большей степени воздействует на ротор. Этот эффект оказывается особо полезен при больших отклонениях ротора от равновесного положения, когда существенными становятся дестабилизирующие факторы, связанные с нелинейностью свойств ферромагнитных материалов.

На фиг. 4 показаны также сопротивления R резистивных сумматоров, подключенных к разнополярным выходам "а" и "б" демпфирующих устройств. Сумматоры могут быть и другого, в том числе активного, типов. При отсутствии ускорения, например, при горизонтальной ориентации оси симметрии электромагнитов и при неподвижном расположении корпуса прибора токи электромагнитов, входящих в устройства 24, равны между собой и сигналы W_x1, -W_x1 равны нулю. При наличии ускорения упомянутые сигналы пропорциональны ускорению и имеют разные знаки.

В предложенный гироскоп-акселерометр входят четыре рассмотренных устройства, ориентированных вдоль осей x₁, x₂, x₃, x₄. В состав блока 4 входят четыре устройства, изображенных на фиг.4, и сумматор 26. Схема связей этих устройств между собой, с сумматором 26 и преобразователем питания 6 приведена на фиг. 5^a.

Здесь: 27 устройство, работающее вдоль оси x₁, 28 устройство, работающее вдоль оси y₁, 29 устройство, работающее вдоль оси x₂, 30 устройство, работающее вдоль оси y₂.

Все резонансные цепи подвеса, с последовательно соединенными с ними демпфирующими устройствами, соединены между собой параллельно и связаны через конденсатор C с преобразователем 6. Емкость конденсатора подобрана так, чтобы компенсировать результирующую индуктивность цепей подвеса и уменьшить мощность, потребляемую от преобразователя 6.

Сигналы W_xi, -W_xi, W_yi, W_yi, где i= 1, 2, пропорциональные ускорениям вдоль осей x_i, y_i поступают в сумматор 26, где суммируются между собой с функциями веса, пропорциональными косинусам углов между ортогональными осями координат O_x, O_y, O_z и осями x_i, y_i. В результате этого на выходе сумматора вырабатываются сигналы W_x, W_y, W_z, пропорциональные ускорениям вдоль осей O_x, O_y, O_z.

Кроме того, с сумматором связаны все выходы "а" (или все выходы "б") демпфирующих устройств, что позволяет в сумматоре выработать сигнал 31, пропорциональный сумме токов всех электромагнитов подвеса ротора. Этот сигнал поступает в блок преобразователь 6 для стабилизации общего уровня потребляемого подвесом тока при колебаниях первичной сети 7 питания, а также для придания преобразователю специальных динамических свойств.

В ряде случаев необходимо обеспечить вращение ротора магнитным полем его подвеса. Для этой цели в предложенном гироскопе четные устройства 28 и 30 соединены между собой параллельно и связаны с преобразователем через конденсатор C₁, а нечетные устройства 27 и 29 также соединены между собой параллельно и связаны с преобразователем через конденсатор C₂, как это показано на фиг. 5^б. Величины конденсаторов подобраны таким образом, чтобы токи, протекающие через конденсаторы, были сдвинуты между собой на 90 градусов, а величины средних значений токов были равны между собой.

Результирующая индуктивность параллельно соединенных между собой устройств, например 28 и 30, мало изменяется при действии на гироскоп-акселерометр инерционных перегрузок, вследствие того, что расстройки резонансных контуров в каждом устройстве происходят в разные стороны относительно номинального значения их резонансных частот. Поэтому упомянутый фазовый сдвиг токов, протекающих через конденсаторы C₁ и C₂ практически не изменяется при работе гироскопа-акселерометра в условиях перегрузок.

Преобразователь питания, как показано на фиг. 6, содержит ключевое устройство 32, вырабатывающее на своем выходе 33 разнополярные одинаковые прямоугольные импульсы. Импульсы вырабатываются путем соответствующего переключения первичной сети 7 постоянного тока. Частота следования и ширина импульсов определяется блоком 33. Один из выходов блока 33 связан с высокостабильным генератором 34 фиксированной опорной частоты, в другой вход с усилителем 35, содержащим также корректирующие цепи. На вход усилителя 35 поступает разность постоянного опорного напряжения 36 и напряжения 31, пропорционального сумме всех токов электромагнитов подвеса.

Преобразователь вырабатывает разнополярные импульсы напряжения фиксированной частоты, обеспечивающей функционирование магниторезонансного подвеса гироскопа-акселерометра. При колебаниях напряжения сети 7 ширина импульсов изменяется образовавшейся указанным образом системой стабилизации огибающей общего тока, потребляемого цепями подвеса. Начальная ширина импульсов при номинальном значении напряжения сети 7 выбрана таким образом, чтобы в спектре выходного напряжения 33 отсутствовала третья гармоника. Такой выбор длительности импульсов улучшает условия работы магниторезонансного подвеса и повышает экономичность преобразования постоянного напряжения в переменное. Корректирующие цепи и коэффициент усиления усилителя 35 подобраны таким образом, чтобы обеспечить устойчивость системы стабилизации, а ее полоса пропускания была меньше полосы частоты эффективной работы резонансного подвеса ротора. Такое соотношение пропускаемых частот обеспечивает повышение выходного сопротивления преобразователя для среднего тока электромагнитов подвеса в полосе частот до частоты среза системы стабилизации и уменьшение указанного выходного сопротивления за пределами этой полосы. Тем самым обеспечивается выработка производной по огибающей общего тока в окрестности частоты среза устройства подвеса ротора и повышение устойчивости подвеса.

Схема блока 10 (или 11), вырабатывающая сигнал 12 (или 13), при повороте ротора 3 вокруг своего центра относительно датчика 8 (или 9) приведена на рис. 7. Катушки L₁ и L₂, размещенные на пальцах сердечника 9, подключены через конденсаторы C₁ и C₂ к генератору переменного тока 37 и образуют два последовательных колебательных контура. К катушкам через фильтры C₃R₁ и C₂R₃ верхних частот подключены разнополярные детекторы, выходы которых соединены между собой через резистивный сумматор. Частота генератора 37 выбрана таким образом, чтобы ее значение отличалось от резонансных частот контуров на величину, например, равную полуширине резонансной кривой. При симметричном положении ротора относительно сердечника на выходах детекторов появятся одинаковые разнополярные напряжения и сигнал 12 будет равен нулю. При повороте ротора на некоторый угол одна из индуктивностей увеличится, а другая уменьшится, вследствие чего сигнал 12 приобретет значение, пропорциональное величине угла, а полярность сигнала будет определяться знаком угла. Рассмотренное устройство, таким образом, работает по принципу параметрического дифференциального частотного детектора, когда изменяется не частота проходящего через него сигнала, а изменяются параметры резонансных цепей. Частота генератора 37 установлена значительно выше частоты питания устройства подвеса и вращения гироскопа-акселерометра, что позволяет за счет избирательных свойств колебательных контуров и фильтров верхних частот обеспечить достаточную помехоустойчивость списывающего устройства. Принятая высокая частота генератора 37 позволяет также миниатюризировать конструкцию блока и разместить его непосредственно на крышках электромеханической части гироскопа-акселерометра.

По поперечной координате устройство выполнено аналогично. В случае применения двух противоположно расположенных индукционных датчиков для целей дифференциального измерения углов соответствующие выходные сигналы устройств складываются между собой, например, с помощью резистивных сумматоров.

Вследствие отличия генератора 37 от резонансных частот колебательных контуров при угловых отклонениях ротора от симметричного относительно датчиков положения к ротору со стороны датчиков прикладываются моменты определенных знаков. Эти моменты обусловлены взаимодействием изменяющихся магнитных полей катушек L₁ и L₂ с ротором. Если частота генератора 37 выше частот колебательных контуров, то моменты взаимодействия имеют один знак, а если наоборот, то моменты взаимодействия имеют обратный знак. Выбором амплитуды и частоты выходного тока генератора 37 в предложенном гироскопе возможно изменять его свойства в желательном направлении.

В предложенном гироскопе-акселерометре использован двухфазный статор, связанный с блоком 15 выработки двухфазного тока. Необходимый сдвиг токов в обмотках статора на 90^o между собой достигается за счет резонансных свойств контуров, образованных обмотками статора и последовательно соединенных с ними конденсаторами, установленными в блоке. Схема подключения к питающей сети обмотки L₁ и L₂ статора, приводящего во вращение ротор 3 показана на фиг. 8^a. Значения емкостей конденсаторов C₁ и C₂ выбраны таким образом, чтобы резонансная частота f₁ одного контура была ниже частоты f₀ питающей сети, а частота f₂ другого контура выше частоты f₀, как это показано на фиг. 8^б. Разность частот f₂ f₁ выбрана так, чтобы сдвиг фаз между напряжениями U₁ и U₂, приложенными к обмоткам статора, составляли 90^o, а разности f₀ f₁ и f₂ f₀ выбраны так, чтобы напряжения U₁ и U₂ были равны между собой. При этом общая нагрузка питающей сети близка к активной. Для изменения направления вращения ротора достаточно поменять между собой значения емкостей конденсаторов C₁ и C₂, т.е. поменять между собой значения частот f₁ и f₂.

Литература 1. Ю. А. Осокин и др. Теория и применение электромагнитных подвесов, М. "Машиностроение", 1980, с. 27, 28, 257, 258. 2

Формула изобретения

1. Гироскоп-акселерометр со сферическим ферромагнитным ротором в магниторезонансном подвесе, содержащий два диаметрально противоположно расположенных статора подвеса, на сердечниках которых расположены обмотки электромагнитов резонансных контуров, подключенные через конденсаторы резонансных контуров к блоку демпфирования и выработки сигналов, двухфазный статор привода вращения ротора, два дифференциальных двухкоординатных датчика углового положения ротора и источник переменного тока, отличающийся тем, что в состав каждого резонансного контура введен еще один рядом расположенный электромагнит, при этом обмотки электромагнитов каждого резонансного контура включены между собой встречно, а рядом расположенные обмотки электромагнитов, входящие в разные контура, включены согласно.

2. Гироскоп-акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что в составе блока демпфирования и выработки сигналов последовательно с каждым резонансным контуром содержится два параллельно соединенных по входу однополупериодных разнополярных выпрямителя, выход каждого из которых нагружен на параллельно соединенный резистор и конденсатор, причем нагрузки выпрямителей с разными полярностями выпрямленных напряжений, включенные в резонансные контура, противоположно расположенных относительно ротора электромагнитов и размещенных на разных статорах подвеса, связаны между собой конденсаторами перекрестных связей и связаны с сумматорами сигналов, например резистивными.

3. Гироскоп-акселерометр по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что все резонансные контура подвеса, соединенные последовательно с соответствующими элементами блока демпфирования и выработки сигналов, связаны с источником переменного тока через конденсатор, компенсирующий результирующую индуктивность контуров подвеса.

4. Гироскоп-акселерометр по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что контура подвеса, соединенные последовательно с соответствующими элементами блока демпфирования и выработки сигналов, расположенные в одной плоскости, проходящей через центр ротора, соединены между собой параллельно и связаны с источником переменного тока через конденсатор, а контура подвеса, расположенные в ортогональной плоскости, также соединены между собой параллельно и связаны с источником переменного тока через другой конденсатор, причем значение емкостей конденсаторов выбраны таким образом, что сдвиг фазы, протекающих через них токов равен 90^o, а нагрузка источника переменного тока является активной.

5. Гироскоп-акселерометр по пп. 1-4, отличающийся тем, что входящий в него источник переменного тока содержит ключевое устройство, вырабатывающее разнополярные импульсы одинаковой длительности с фиксированной частотой следования, один из входов которого связан с первичной сетью питания, а другой с блоком управления шириной импульсов, связанным с генератором фиксированной частоты и усилителем, вход которого связан с однополярными выходами выпрямителей блока демпфирования и выработки сигналов, причем параметры усилителя установлены таким образом, что при номинальном значении напряжения первичной сети питания длительность разнополярных импульсов составляет 2/3 от длительности полупериода напряжения генератора фиксированной частоты.

6. Гироскоп-акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что дифференциальные индукционные датчики установлены таким образом, чтобы каждый сердечник с катушкой датчика был расположен симметрично относительно сердечников электромагнитов статоров подвеса с различными направлениями магнитных потоков.

7. Гироскоп-акселерометр по пп. 1-6, отличающийся тем, что каждая из катушек дифференциального датчика подключена к источнику переменного тока через конденсатор, причем частота переменного тока отличается от частоты собственных колебаний контура, образованного индуктивностью катушки и емкостью конденсатора, а к конденсаторам или индуктивностям, противоположно расположенных относительно отверстия ротора контуров, подключены входы разнополярных выпрямителей, выходы которых связаны с сумматорами, например, резистивными, причем катушки датчика подключены таким образом, чтобы направления магнитных потоков каждой пары катушек, расположенных по одной из ортогональных между собой осей, перпендикулярных направлению кинетического момента ротора, совпадали между собой и не совпадали с направлением магнитных потоков другой пары катушек, расположенной вдоль другой оси.

8. Гироскоп-акселерометр по п. 1, отличающийся тем, что каждая обмотка двухфазного статора вращения подключена к источнику переменного тока через конденсатор, при этом резонансная частота одной образованной резонансной цепи выше частоты источника, а резонансная частота другой образованной резонансной цепи ниже частоты источника, причем сдвиг фаз токов резонансных цепей между собой составляет 90^o, а амплитуды токов равны между собой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8