Гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора

Гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора

Реферат

 

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. Гироскоп-акселерометр содержит динамически симметричный ротор в виде круглой пластины с отверстиями, имеющий электропроводящие части и окруженный статорами, в состав которых входят торцовый, нижний и верхний планарные статоры подвеса, а также нижний и верхний статоры вращающего момента. Торцовый статор состоит из четного числа плоских электродов, расположенных в экваториальной плоскости ротора по окружности и закрепленных в боковых стенках нижней электроизолирующей втулки. Нижний и верхний одинаковые планарные статоры подвеса выполнены в виде четного числа плоских электродов, расположенных по окружности и закрепленных на нижней и верхней электроизолирующих втулках. Каждый из двух соседних плоских электродов любого из статоров подвеса вместе с последовательно включенными с ними источником высокочастотного напряжения и дросселем образуют измерительную цепочку. Нижний и верхний планарные статоры вращающего момента соединены в три секции. Секции соединены с тремя фазами источника переменного тока. В схему обработки информации введены десять эталонных резисторов, десять фазочувствительных выпрямителей, три сумматора, пять устройств вычитания, пять масштабирующих элементов. Каждая измерительная цепочка содержит эталонный резистор, источник высокочастотного напряжения, дроссель и пару соседних плоских электродов, а также фазочувствительный выпрямитель. Обеспечивается измерение трех компонентов кажущегося ускорения и двух компонентов абсолютной скорости, что приводит к расширению функциональных возможностей. 6 ил.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, навигации и управления таких подвижных объектов, как самолет, корабль, автомобиль, микроробот и других, где требуется информация об угловых скоростях и кажущихся ускорениях. Особенность прибора состоит в том, что он является микромеханическим роторного типа.

Известен микромеханический гироскоп (ММГ), разработанный в лаборатории им. Дрейпера Массачусетского технологического института США [1]. Он является гироскопом камертонного типа и представляет собой две вибрирующие массы, подвешенные на двух гибких опорах. Это камертон с верхней и нижней ножками (торсионами). Закрепленные массы вибрируют под действием электростатических датчиков силы гребенчатой структуры во взаимно-встречных направлениях, т.е. совершают плоские противофазные колебания. При наличии измеряемой угловой скорости вокруг оси торсионов рамка с чувствительными массами под действием сил Кориолиса начинает совершать угловые колебания относительно корпуса, а также вокруг оси торсионов. Эти колебания измеряются с помощью емкостных датчиков перемещений, расположенных под чувствительными массами. Амплитуда измеренных колебаний пропорциональна величине измеряемой угловой скорости, а фаза определяет знак этой скорости.

Известна также конструкция микромеханического гироскопа с чувствительным элементом в виде кольца, закрепленного с помощью растяжек на центральной стойке, связанной с корпусом через упругие элементы. С помощью электростатических датчиков силы кольцо приводится в колебательное движение вокруг оси растяжек. Для съема информации используется емкостный преобразователь. Принцип действия такой же, как у предыдущего гироскопа [2].

Недостатком обоих микромеханических гироскопов является недостаточно высокая точность из-за малой величины кинетического момента, что объясняется тем, что чувствительные элементы совершают не вращательное, а колебательные движения. В силу этого, как указано в статье [3], амплитудное значение кинетического момента составляет величины 10³-10^-4 гс.см.с. Поэтому повышение точности этого класса гироскопов достигается за счет снижения возмущающих воздействий, а осуществление этой меры требует больших конструктивных и технологических затрат.

Известен "Левитирующий микромотор" (гироскоп-акселерометр) по патенту США N 5.187.399, авторов Carr и др. от 16.02.1993 г., в котором указано применение этого микромотора в качестве акселерометра.

Это изобретение принято за наиболее близкий аналог предлагаемого изобретения.

Левитирующий микромотор в виде гироскопа-акселерометра состоит из статически и динамически сбалансированного ротора в виде круглой пластины с отверстиями, имеющего электропроводящие части, окруженные статорами, в состав которых входят торцовый, нижний и верхний планарные статоры подвеса, а также нижний и верхний статоры вращающего момента. Торцовый статор подвеса состоит из четного числа плоских электродов, расположенных в экваториальной плоскости ротора по окружности и встроенных в боковые стенки нижней электроизолирующей втулки, укрепленной в корпусе. Нижний и верхний одинаковые статоры подвеса, каждый выполненный в виде четного числа плоских электродов, расположенных по окружности и закрепленных в нижней и верхней электроизолирующих втулках, причем последняя из них укреплена в крышке левитирующего гироскопа-акселерометра, а каждый из двух соседних плоских электродов любого из статоров подвеса вместе с последовательно включенными с ними источником высокочастотного напряжения и дросселем образуют измерительную цепочку. Верхний и нижний планарные статоры вращающего момента, закрепленные в нижней и верхней электроизолирующих втулках и состоящие из плоских электродов, причем электроды соединены в три секции, так что в каждую секцию входят электроды, расположенные через два соседних на третий, секции соединены с тремя фазами источника переменного тока. В состав устройства входит схема обработки информации, а в ее состав входят измерительные цепочки.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства с целью обеспечения измерения не только трех компонентов кажущегося ускорения, но и двух компонентов абсолютной угловой скорости поворотов объекта.

Поставленная задача решается за счет того, что в гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора, содержащий статически и динамически сбалансированный ротор в виде круглой пластины с отверстиями, имеющий электропроводящие части и окруженный статорами, в состав которых входит торцовый, нижний и верхний планарные статоры подвеса, а также нижний и верхний статоры вращающего момента, при этом торцовый статор подвеса состоит из четного числа плоских электродов, расположенных в экваториальной плоскости ротора по окружности и закрепленных в боковых стенках нижней электроизолирующей втулки, укрепленной в корпусе, нижний и верхний одинаковые планарные статоры подвеса, каждый выполненный в виде четного числа плоских электродов, расположенных по окружности и закрепленных в нижней и верхней электроизолирующих втулках, причем последняя укреплена в крышке гироскопа-акселерометра, а каждый из двух соседних плоских электродов любого из статоров подвеса вместе с последовательно включенными с ними источником высокочастотного напряжения и дросселем образуют измерительную цепочку, кроме того, нижний и верхний планарные статоры вращающего момента, закрепленные в нижней и верхней электроизолирующих втулках, состоящих из плоских электродов, соединены в три секции, так что в каждую секцию входят электроды, расположенные через два соседних на третий, секции соединены с тремя фазами источника переменного тока, в состав устройства входит схема обработки информации, содержащая измерительные цепочки, в которую дополнительно введены десять эталонных резисторов, десять фазочувствительных выпрямителей, три сумматора, пять устройств вычитания, пять масштабирующих элементов, так что каждая измерительная цепочка дополнена эталонным резистором путем последовательного его включения с источником высокочастотного напряжения, дросселем и парой соседних плоских электродов, а также фазочувствительным выпрямителем, первый и второй входы которого параллельно соединены с источником высокочастотного напряжения и эталонным резистором соответственно, а его выход является выходом измерительной цепочки, при этом выходы измерительных цепочек с положительными и отрицательными координатами торцовых электродов подвеса первой измерительной оси соединены с первым и вторым входами соответственно первого устройства вычитания, выход которого соединен с входом первого масштабирующего элемента, выход его является выходом по компоненту W кажущегося ускорения, выходы измерительных цепочек торцовых электродов подвеса с положительными и отрицательными координатами соответственно по второй измерительной оси соединены с первым и вторым входами соответственно второго устройства вычитания, выход его соединен со входом второго масштабирующего устройства, выход которого является выходом по компоненту W кажущегося ускорения, выходы двух измерительных цепочек верхних плоских электродов статоров подвеса с положительными и отрицательными координатами по первой измерительной оси соединены с первым и вторым входами соответственно третьего устройства вычитания, его выход соединен с входом третьего масштабирующего элемента, выход которого является выходом по компоненту угловой скорости, в свою очередь выходы измерительных цепочек с положительными и отрицательными координатами верхних плоских электродов статоров подвеса по второй измерительной оси соединены с первым и вторым входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом четвертого устройства вычитания, а со вторым входом четвертого устройства вычитания соединен выход второго сумматора, первый вход второго сумматора соединен с выходом измерительной цепочки с положительными плоскими электродами нижнего статора подвеса по второй измерительной оси, второй вход второго сумматора соединен с выходом измерительной цепочки с отрицательными координатами нижних электродов нижнего статора подвеса по второй измерительной оси, выход четвертого устройства вычитания соединен со входом четвертого масштабирующего элемента, который является выходом по компоненту W кажущегося ускорения, а первый и второй входы второго сумматора соединены с первым и вторым входами пятого устройства вычитания, выход которого соединен с входом пятого масштабирующего элемента, выход его является выходом по компоненту абсолютной угловой скорости.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема гироскопа-акселерометра с электростатическим подвесом ротора.

На фиг. 2 изображена часть электрической схемы соединения элементов устройства.

На фиг. 3 представлена функциональная электрическая схема выделения сигналов кажущегося ускорения по компонентам W,W. На фиг. 4 представлена функциональная электрическая схема выделения сигналов кажущегося ускорения W и абсолютных угловых скоростей ,. На фиг. 5 представлена схема выделения сигнала кажущегося ускорения по двум компонентам, перпендикулярным оси симметрии ротора.

На фиг. 6 представлена схема выделения сигналов по третьему компоненту кажущегося ускорения и по двум компонентам абсолютной угловой скорости, перпендикулярным оси симметрии ротора.

Изображенный на фиг. 1 гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора содержит динамически симметричный ротор 1, содержащий части электропроводящего материала или полностью выполненный из электропроводящего материала, например полисиликона. Ротор является плоским, выполненным в виде статически и динамически сбалансированной круглой пластины с отверстиями, его диаметр может лежать в пределах от нескольких десятков микрометров до единиц миллиметров при толщине от единиц до десятков микрометров. В экваториальной плоскости ротора расположен статор подвеса 2, состоящий из плоских торцовых электродов 3. Статор 2 составлен из одинаковых плоских электродов 3, расположенных по окружности, предназначенных для создания электростатических сил для удержания ротора 1 вдоль осей 0 и 0, связанных с корпусом 4 устройства. Крышка 5 вместе с корпусом 4 обеспечивают герметичность внутренней полости устройства. Поверхности 6 вместе с юстировочной канавкой 7 обеспечивают совмещение измерительных осей 0,0,0 устройства с соответствующими строительными осями подвижного объекта, на котором устройство устанавливается. Корпус 4 и крышку 5 изготавливают, например, из пирекса или из другого электроизолирующего материала. Плоские электроды 3 статора 2 закреплены в боковых стенках нижней изолирующей втулки 8. В описании изобретения электрические выводы, а также соединительные провода и клеммы, элементы крепления не показаны. В крышке 5 имеется верхняя электрически изолирующая втулка 9, имеющая одинаковый внутренний диаметр с диаметром нижней втулки 8. С внутренними плоскими частями нижней и верхней втулок 8, 9 соединены нижний и верхний 10 и 10' соответственно статоры подвеса, а также нижний и верхний 11 и 11' соответственно статоры вращающего момента. Статоры имеют одинаковую планарную конструкцию, состоят из электродов 12 нижнего статора подвеса 10 и таких же электродов 12' верхнего статора 10' (на виде в плане (сечение ВВ) не показаны), а также из электродов 13 (13a, 13b, 13c,...) нижнего статора 11 вращающего момента. Такие же электроды, являющиеся зеркальным отображением нижних относительно плоскости 0, входят в состав верхнего статора 11' вращающего момента. Статоры планарной конструкции 10, 10', 11, 11' могут быть выполнены фотолитографическим способом на электроизолирующих нижней и верхней втулках 8 и 9 соответственно. Таким же способом могут быть изготовлены электроды 3 статора 2. На роторе 1 выполнены отверстия 14, необходимые для обеспечения условий создания вращающего момента.

На фиг. 2 изображена часть схемы включения гироскопа-акселерометра с электростатическим подвесом ротора. При этом 15 - источник трехфазного напряжения, где с первой фазой V_ф1 соединен электрод 13a, а также все электроды через два на третий нижнего и верхнего соответственно статоров 11 и 11' вращающего момента, со второй фазой V_ф2 соединен электрод 13b и все другие электроды 13b через два на третий от него, с фазой V_ф3 соединен электрод 13c и все другие электроды 13c через два на третий. Пара плоских соседних электродов 12 как нижнего, так и верхнего 10 и 10' соответственно статоров подвеса соединены через дроссель 16 и эталонный резистор 17 с источником высокочастотного напряжения 18 (~ V₂). При этом в замкнутую цепь входит и резистор 19, являющийся эквивалентом активного сопротивления дросселя 16, источника высокочастотного напряжения 18 и конденсаторов, образованных промежутками ротор 1 - электроды 12. Аналогичные соединения выполнены для пластин 12' верхнего статора подвеса. Аналогичное соединение для соседних пластинчатых торцовых электродов 3 статора 2 изображено на фиг. 2. Они соединены через дроссель 20 и эталонный резистор 21 с источником высокочастотного напряжения 22, резистор 23 является эквивалентом активного сопротивления резонансной цепи. Напряжения U; U_T являются выходными: зажимы резисторов 17 и 21 соединены с соответствующими входами устройства обработки информации 24. Последовательно соединенные конденсаторы, индуктивность и активные сопротивления образуют резонансную цепь, имеющую естественную резонансную частоту, которая выполняется во всех резонансных цепях меньше частоты источников высокочастотного напряжения, могущих иметь различные частоты питающих напряжений.

В состав электрической схемы устройства обработки информации 24 входят также функциональные электрические схемы фиг. 3 и фиг. 4. На фиг. 3 пара электродов 3+ и 3+ включена в последовательную цепь, содержащую дроссель 20, эталонный резистор 21, источник высокочастотного напряжения 22, при этом зажимы источника высокочастотного напряжения 22 и зажимы эталонного резистора 21 сопротивлением R+ соединены с первым и вторым входами фазочувствительного выпрямителя 25. В аналогичную цепь последовательно включенных элементов входит пара электродов 3- и 3- и аналогично зажимы эталонного резистора 21, источника высокочастотного напряжения 22 и соединены с первым и вторым входами фазочувствительного выпрямителя 26. Выходы фазочувствительных выпрямителей 25 и 26 соединены с первым и вторым выходами первого устройства вычитания 29, выход которого соединен с входом первого масштабирующего элемента 30, выход его предназначен для выдачи сигнала Электроды 3+ и 3+ будем называть электродами с положительными координатами по первой измерительной оси (т.е. оси 0), а электроды 3- и 3- электродами с отрицательными координатами по первой измерительной оси.

Перечисленный выше состав из элементов: двух последовательно соединенных электродов, дросселя, источника высокочастотного напряжения, эталонного резистора и фазочувствительного выпрямителя будем называть измерительной цепочкой.

Аналогично электроды 3+ и 3+ положительными координатами по второй измерительной оси (т. е. оси 0) соединены в свою измерительную цепочку, электроды 3- и 3- с отрицательными координатами расположения по второй измерительной оси соединены в свою измерительную цепочку. На фиг. 3 выделяется четыре, а на фиг. 4 - шесть измерительных цепочек. Выход фазочувствительного выпрямителя 27 соединен с первым входом, а выход фазочувствительного выпрямителя 28 соединен со вторым входом второго устройства вычитания 31, а его выход соединен со входом второго масштабирующего элемента 32. Выход его предназначен для выдачи информации по компоненту ускорения W. На фиг. 4 пара электродов 12+ и 12+ верхнего статора подвеса 10' входит в цепь последовательно соединенных дросселя 16, эталонного резистора 17 и источника высокочастотного напряжения 18. Зажимы эталонного резистора 17 и источника высокочастотного напряжения 18 соединены с первым и вторым входами фазочувствительного выпрямителя 33. Аналогично пара электродов 12- и 12- входит в цепь последовательно соединенных дросселя 16, эталонного резистора 17 и источника высокочастотного напряжения 18. Зажимы эталонного резистора 17 и источника высокочастотного напряжения 18 соединены с первым и вторым входами фазочувствительного выпрямителя 34.

Измерительную цепочку, включающую электроды 12+ и 12+, будем называть измерительной цепочкой с положительными координатами верхних электродов подвеса по первой измерительной оси. Ее выходом является выход фазочувствительного выпрямителя 33.

Измерительную цепочку, включающую электроды 12- и 12- будем называть измерительной цепочкой с отрицательными координатами верхних электродов подвеса по первой измерительной оси. Ее выходом является выход фазочувствительного выпрямителя 34.

Измерительную цепочку, включающую электроды 12+ и 12+(12+ и 12+), будем называть измерительной цепочкой с положительными координатами нижних (верхних) электродов подвеса по второй измерительной оси, ее выходом является выход фазочувствительного выпрямителя 35(36).

Измерительную цепочку, включающую электроды 12- и 12-(12- и 12-), будем называть измерительной цепочкой с отрицательными нижними (верхними) электродами подвеса по второй измерительной оси, ее выходом является выход фазочувствительного выпрямителя 37 (38).

Выход измерительной цепочки 33 с положительными координатами верхних электродов подвеса по первой измерительной оси 0 соединен с первым входом третьего устройства вычитания 39. Выход измерительной цепочки 34 с отрицательными координатами верхних электродов подвеса по первой измерительной оси 0 соединен со вторым входом устройства вычитания 39, выход которого соединен с входом масштабирующего элемента 40. Выход этого элемента является выходом гироскопа-акселерометра по компоненту угловой скорости объекта.

Выход измерительной цепочки 36 с положительными координатами верхних электродов подвеса по второй измерительной оси 0 соединен с первым входом сумматора 41, а его второй вход соединен с выходом измерительной цепочки 37 с отрицательными координатами верхних электродов подвеса по второй измерительной оси. Выход сумматора 41 соединен с первым входом четвертого устройства вычитания 42, со вторым его входом соединен выход сумматора 43, причем первый вход сумматора 43 соединен с выходом 35 измерительной цепочки с положительными координатами нижних электродов второй измерительной оси, а второй вход сумматора 43 соединен с выходом 37 измерительной цепочки с отрицательными координатами нижних электродов второй измерительной оси. Выход устройства вычитания 42 соединен с входом масштабирующего элемента 44, который является выходом гироскопа-акселерометра по компоненту W кажущегося ускорения.

Первый и второй входы сумматора 43 соединены с первым и вторым входами соответственно пятого устройства вычитания 45, выход которого соединен с входом масштабирующего элемента 46, а его выход является выходом гироскопа-акселерометра по компоненту угловой скорости.

Работает гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора следующим образом. При включении питающих источников высокочастотных напряжений статоры левитации 2, 10 и 10' устанавливают ротор 1 в исходное положение, т. е. ротор 1 начинает левитировать относительно статоров под действием устанавливающих электростатических сил. После этого устройство обработки информации 24 подключает питающее трехфазное напряжение к верхнему 11' и нижнему 11 статорам вращающего момента. Под действием тангенциальных электростатических сил ротор 1 разгоняется и приобретает угловую скорость и кинетический момент H, равный H = J , где J - полярный момент инерции ротора 1.

Принцип выделения сигналов по ускорениям W,W поясняется фиг. 5, на которой приняты следующие обозначения: 0 - правая ортогональная система координат, связанная с корпусом 4 устройства; W,W,W - компоненты вектора кажущегося ускорения точки 0, направленные по соответствующим осям системы координат 0. При движении объекта с ускорением W,W возникают инерционные силы, которые в установившемся режиме уравновешиваются результирующими силами F,F электростатического подвеса. В итоге имеем: mW= F; mW= F, (1) где m - масса ротора.

С одной стороны, силы F,F пропорциональны токам I,I, протекающим через электроды подвеса в каждой соответствующей паре. С другой стороны, эти токи пропорциональны при линейности характеристики подвеса, имеющей место для малых перемещений, перемещениям и : F= K; F= K, (2) где K,K - коэффициенты жесткости подвеса по соответствующим осям.

Из (1) и (2) имеем: Формулы (3) образуют алгоритм пересчета сигналов о соответствующих перемещениях и ротора 1 относительно исходного положения в сигналы ускорений.

Сигналы о перемещениях по координате формируются по напряжению U₊ выхода 25 измерительной цепочки, включающей электроды 3+ и 3+ торцового статора левитации 2, а также по напряжению U_- с выхода 28 аналогичной измерительной цепочки. На выходе устройства вычитания 29 имеет место напряжение U, равное: U= U_--U₊. (4) После первого масштабирующего элемента 30 получают оценку компонента W кажущегося ускорения , где - коэффициент передачи измерительной цепочки по оси 0 ротора.

По аналогии с выхода второго устройства вычитания 31 имеет место напряжение U, равное: U= U_--U₊, которое на выходе второго масштабирующего элемента 32 преобразуется в оценку компонента W кажущегося ускорения: где - коэффициент передачи измерительной цепочки по оси 0 ротора.

Принцип выделения сигналов по ускорению W угловым скоростям , поясняется фиг. 6.

Ускорение объекта вдоль оси 0 приводит к проявлению инерционной силы, которая уравновешивается электростатическими силами, так что имеем где K - коэффициент жесткости электростатического подвеса ротора 1 вдоль оси 0. Если объект, а следовательно, корпус 4 вращается с угловыми скоростями ,, то возникающие вследствие этого гироскопические моменты уравновешиваются моментами сил и M электростатического подвеса: где K,K - коэффициенты жесткости подвеса по соответствующим углам отклонения ротора 1 из исходного положения, что видно из фиг. 6. Из формул (6) следует: Сигналы пар электродов 12 и 12' нижнего и верхнего статоров подвеса 10 и 10' соответственно, симметричных относительно осей 0 и 0, содержат в себе информацию о перемещениях и углах поворота и и, следовательно, об измеряемых параметрах движения W,,. Находя суммы и разности сигналов с выходов измерительных цепочек, содержащих пары электродов, расположенных с положительными и отрицательными координатами 0 и 0, получим необходимую информацию o ,,W. При наличии угловой скорости объекта возникающий гироскопический момент стремится повернуть ротор 1 вокруг второй измерительной оси 0. Этому повороту препятствует момент сил, возникающих между электродами нижнего и верхнего статоров левитации 10 и 10' и ротором 1 гироскопа-акселерометра. В результате с выходов элементов 33 и 34 двух измерительных цепочек, содержащих соответственно две пары верхних электродов 12+;12+ и 12-;12- статора подвеса 10' с положительными и отрицательными координатами по первой измерительной оси сигналы поступают на первый и второй входы соответственно третьего устройства вычитания 39. На его выходе имеет место сигнал по напряжению U, равному: U= U^b₊-U^b_-= , где - коэффициент передачи измерительной цепочки и ротора 1 по углу ;U^b₊;U^b_- - сигналы, пропорциональные величинам зазоров электродов 12+ и 12-. Сигнал U поступает на вход третьего масштабирующего устройства 40, на выходе которого получают сигнал, являющийся оценкой компонента угловой скорости объекта.

Выделение сигналов о компоненте W кажущегося ускорения и компоненте угловой скорости производится следующим образом. Сигналы с выходов элементов 35 и 37 измерительных цепочек, включающих в свой состав пары нижних электродов 12+ и 12+; 12- и 12- статоров подвеса с положительными и отрицательными координатами по второй измерительной оси (оси 0) одновременно поступают на первые и вторые входы соответственно второго сумматора 43 и пятого устройства вычитания 45.

Сигналы с выходов 36 и 38 измерительных цепочек, содержащих пару верхних электродов 12+ и 12+, а также пару верхних электродов 12