RU155046U1

RU155046U1 - THREE-COMPONENT ANGULAR SPEED MEASURER BASED ON A SPHERICAL GYROSCOPE WITH ELECTROSTATIC SUSPENSION

Info

Publication number: RU155046U1
Application number: RU2015121518/28U
Authority: RU
Inventors: Виктор Филиппович Журавлёв; Петр Колестратович Плотников; Артем Олегович Кузнецов
Priority date: 2015-06-04
Filing date: 2015-06-04
Publication date: 2015-09-20

Abstract

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использовано в системах ориентации, навигации и управления таких подвижных объектов, как самолет, корабль, спутник, подводная лодка, автомобиль, и других, где требуется информация об угловых скоростях. Особенность прибора состоит в том, что он однороторный, в отличие от других приборов, дополнительно измеряет угловую скорость объекта вокруг оси собственного вращения ротора, в силу чего на выходе выдает три компонента вектора абсолютной угловой скорости подвижного объекта (ПО). Техническим результатом полезной модели является получение трех компонентов угловой скорости подвижного объекта при помощи одного гироскопа, за счет предлагаемого технического решения. Только при наличии трех компонентов угловой скорости обеспечивается решение задачи определения трех углов ориентации подвижного объекта. Прибор представляет собой трехкомпонентный измеритель угловой скорости на основе сферического гироскопа с электростатическим подвесом ротора, в состав которого входит сферический полый ротор, заключенный в вакуумированную камеру, окруженный тремя парами ортогонально расположенных силовых поддерживающих электростатических электродов подвеса с источником высокочастотного напряжения, двухфазный асинхронный двигатель для привода ротора гироскопа с двумя парами диаметрально расположенных в экваториальной плоскости ротора обмоток, соединенных с источником переменного тока, причем одна из пар обмоток соединена с ним через конденсатор, обеспечивающий сдвиг фазы на 90 градусов, а также система отключения обмоток асинхронного двигателя после набора ротором заданной скорости вращения, две пары диаметрально расположенных последовательно соединенных обмоток, образующих два датчика момента, оси моментов которых перпендикулярны оси собственного вращения ротора, две пары электрически изолированных сегментных электродов, расположенных в экваториальной плоскости на внутренней поверхности вакуумной камеры, причем электроды каждой пары расположены симметрично по боковым сторонам от поддерживающих электродов, два оптических датчика съема информации, выполненные в виде твердотельного лазера и фотоприемника, два усилителя-преобразователя, при этом выход первого фотоприемника предназначен для определения угла поворота ротора вокруг оси ОХ корпуса, соединен со входом усилителя преобразователя, выход которого соединен с парой обмоток датчика момента, одна из которых содержит фазосдвигающий конденсатор, развивающего момент вокруг оси OY, выход второго фотоприемника, предназначенного для определения угла поворота вокруг оси OY корпуса, соединен со входом другого усилителя-преобразователя, выход которого соединен с парой обмоток датчика момента, одна из обмоток которого также содержит фазосдвигающий конденсатор, развивающего момент вокруг оси ОХ, последовательно с обмотками датчиков моментов включены эталонные резисторы, падения напряжения на которых несет информацию об оценках угловых скоростей ω_х и ω_Y объекта, силовая пара электрически изолированных сегментных электродов, расположенных вдоль оси ОХ, соединена последовательно с источником высокочастотного напряжения, дросселем и резистором, образуя цепь возбуждения колебаний, измерительная пара электрически изолированных сегментных электродов расположенных вдоль оси OY, соединена последовательно с дросселем и эталонным резистором, который соединен с входом фазочувствительного выпрямителя, выход фазочувствительного выпрямителя соединен со входом масштабирующего устройства, на выходе которого формируется электрический сигнал, пропорциональный измеряемой оценке ω_Z угловой скорости объекта вокруг оси OZ. The utility model relates to the field of instrumentation and can be used in orientation, navigation and control systems of such moving objects as an airplane, ship, satellite, submarine, car, and others, where angular velocity information is required. A feature of the device is that it is single-rotor, unlike other devices, additionally measures the angular velocity of the object around the axis of its own rotation of the rotor, whereby it outputs three components of the absolute angular velocity vector of the moving object (ON). The technical result of the utility model is to obtain three components of the angular velocity of a moving object using one gyroscope, due to the proposed technical solution. Only in the presence of three components of angular velocity is a solution to the problem of determining three orientation angles of a moving object ensured. The device is a three-component angular velocity meter based on a spherical gyroscope with an electrostatic rotor suspension, which includes a spherical hollow rotor enclosed in a vacuum chamber, surrounded by three pairs of orthogonally located supporting electrostatic suspension electrodes with a high-frequency voltage source, a two-phase asynchronous motor for rotor drive a gyroscope with two pairs of windings diametrically located in the equatorial plane of the rotor, connected to an alternating current source, and one of the pairs of windings is connected to it through a capacitor that provides a 90 degree phase shift, as well as a system for disconnecting the windings of an induction motor after the rotor sets a given rotation speed, two pairs of diametrically arranged serially connected windings forming two torque sensors , the axis of moments of which are perpendicular to the axis of proper rotation of the rotor, two pairs of electrically isolated segmented electrodes located in the equatorial plane on the inside the surface of the vacuum chamber, the electrodes of each pair being symmetrically on the sides of the supporting electrodes, two optical information pickup sensors made in the form of a solid-state laser and a photodetector, two amplifier transducers, while the output of the first photodetector is used to determine the angle of rotation of the rotor around the axis OX housing connected to the input of the amplifier of the Converter, the output of which is connected to a pair of windings of the torque sensor, one of which contains a phase-shifting capacitor, p Developing a moment around the OY axis, the output of the second photodetector, designed to determine the rotation angle around the axis OY of the housing, is connected to the input of another amplifier-converter, the output of which is connected to a pair of windings of the torque sensor, one of the windings of which also contains a phase-shifting capacitor developing a moment around the axis OH, in series with the windings of the moment sensors, reference resistors are included, the voltage drops on which carry information about the estimates of the angular velocities ω _x and ω _{Y of the} object, the power pair is electric and isolated segmented electrodes located along the OX axis, connected in series with a high-frequency voltage source, a choke and a resistor, forming an excitation circuit, a measuring pair of electrically isolated segmented electrodes located along the OY axis, connected in series with a choke and a reference resistor that is connected to the phase-sensitive input rectifier, the output of the phase-sensitive rectifier is connected to the input of the scaling device, at the output of which an electric matic signal proportional to the measured estimate ω _Z angular velocity of the object around the OZ axis.

Description

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована в системах ориентации, навигации и управления таких подвижных объектов, как самолет, корабль, спутник, подводная лодка, автомобиль, и других, где требуется информация об угловых скоростях. Особенность прибора состоит в том, что он однороторный, в отличие от других приборов, дополнительно измеряет угловую скорость объекта вокруг оси собственного вращения ротора, в силу чего на выходе выдает три компонента вектора абсолютной угловой скорости подвижного объекта (ПО).The utility model relates to the field of instrumentation and can be used in orientation, navigation and control systems of such moving objects as an airplane, ship, satellite, submarine, car, and others, where angular velocity information is required. A feature of the device is that it is single-rotor, unlike other devices, additionally measures the angular velocity of the object around the axis of its own rotation of the rotor, whereby it outputs three components of the absolute angular velocity vector of the moving object (ON).

Известен микромеханический гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора (Пат. РФ №2158903, МПК G01C 19/24, G01P 15/14, 2000 г., авторы Чеботаревский Ю.В., Мельников А.В., Плотников П.К.), содержащий статически и динамически сбалансированный ротор в виде круглой пластины с отверстиями, имеющий электропроводящие части и окруженный статорами, в состав которых входит торцевой, нижний и верхний планарные статоры подвеса, а также нижний и верхний статоры вращающего момента. При этом торцевой 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. В конструкцию также входят 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.Known micromechanical gyroscope accelerometer with electrostatic suspension of the rotor (Pat. RF №2158903, IPC G01C 19/24, G01P 15/14, 2000, authors Chebotarevsky Yu.V., Melnikov A.V., Plotnikov P.K.) comprising a statically and dynamically balanced rotor in the form of a circular plate with holes, having electrically conductive parts and surrounded by stators, which include the end, lower and upper planar suspension stators, as well as the lower and upper torque stators. At the same time, the suspension end stator consists of an even number of flat electrodes located in the equatorial plane of the rotor around the circumference and fixed in the side walls of the lower electrically insulating sleeve, mounted in the housing. The design also includes the lower and upper identical planar suspension stators, each made in the form of an even number of flat electrodes located around the circumference and fixed in the lower and upper electrically insulating bushings, the latter being fixed in the cover of the gyroscope-accelerometer, and each of two adjacent flat electrodes of any from the suspension stators, together with a high-frequency voltage source and a choke connected in series with them, they form a measuring chain. In addition, the lower and upper planar torque stators, fixed in the lower and upper electrically insulating sleeves, consisting of flat electrodes, are connected in three sections, so that each section includes electrodes located through two adjacent to the third, sections connected to three phases of the source alternating current, the device includes an information processing circuit containing measuring chains.

Однако гироскоп-акселерометр микромеханического типа не обладает высокой точностью измерений угловых скоростей в отличие от прецизионного сферического гироскопа.However, the micromechanical type gyroscope-accelerometer does not have high accuracy in measuring angular velocities, in contrast to a precision spherical gyroscope.

В качестве прототипа выбран гироскоп (Журавлев В.Ф. // Изв-РАН.МТТ., 2014, №1, с. 6-17), имеющий сферический полый ротор, выполненный из бериллия, заключенный в вакуумную камеру, поддерживаемый во взвешенном состоянии при помощи трех пар поддерживающих силовых электродов электростатического подвеса, двухфазный асинхронный двигатель для привода ротора, демпфирующие обмотки, измерительные электроды, служащие для измерения перемещений ротора и определения линейных ускорений, обмотки датчиков момента для коррекции углового положения ротора вокруг осей ОХ и OY, и пару оптических датчиков для съема информации с помощью специальных рисунков, нанесенных на поверхности ротора.A gyroscope was selected as a prototype (Zhuravlev V.F. // Izv-RAN.MTT., 2014, No. 1, pp. 6-17), having a spherical hollow rotor made of beryllium, enclosed in a vacuum chamber, maintained in suspension using three pairs of supporting power electrodes of an electrostatic suspension, a two-phase induction motor for rotor drive, damping windings, measuring electrodes used to measure rotor movements and determine linear accelerations, windings of torque sensors for correcting the angular position of the rotor around g axes OX and OY, and a pair of optical sensors for acquiring information using special drawings printed on the surface of the rotor.

Недостатком прибора-прототипа является невозможность измерения угловой скорости по третьему компоненту угловой скорости объекта, а следовательно, для определения ориентации подвижного объекта требуется применение дополнительного прибора.The disadvantage of the prototype device is the inability to measure the angular velocity of the third component of the angular velocity of the object, and therefore, to determine the orientation of the moving object requires the use of an additional device.

Задачей данного изобретения является устранение данного недостатка, а также удешевление и упрощение конструкции приборов БИНС (бесплатформенных инерциальных навигационных систем), путем внесения изменений в конструкцию прибора, обеспечивающих измерение по третьему компоненту угловой скорости объекта.The objective of the invention is to eliminate this drawback, as well as reduce the cost and simplify the design of SINS devices (strapdown inertial navigation systems) by making changes to the design of the device, providing measurement of the third component of the angular velocity of the object.

Техническим результатом изобретения является получение трех компонентов угловой скорости подвижного объекта при помощи одного гироскопа, за счет предлагаемого технического решения. Только при наличии трех компонентов угловой скорости обеспечивается решение задачи определения трех углов ориентации подвижного объекта.The technical result of the invention is to obtain three components of the angular velocity of a moving object using one gyroscope, due to the proposed technical solution. Only in the presence of three components of angular velocity is a solution to the problem of determining three orientation angles of a moving object ensured.

Поставленная задача решается тем, что в трехкомпонентном измерителе угловой скорости на основе сферического гироскопа с электростатическим подвесом ротора, в состав которого входит сферический полый ротор, заключенный в вакуумированную камеру, окруженный тремя парами ортогонально расположенных силовых поддерживающих электростатических электродов подвеса с источником высокочастотного напряжения, двухфазный асинхронный двигатель для привода ротора гироскопа с двумя парами диаметрально расположенных в экваториальной плоскости ротора обмоток, соединенных с источником переменного тока, причем одна из пар обмоток соединена с ним через конденсатор, обеспечивающий сдвиг фазы на 90 градусов, а также система отключения обмоток асинхронного двигателя после набора ротором заданной скорости вращения, две пары диаметрально расположенных последовательно соединенных обмоток, образующих два датчика момента, оси моментов которых перпендикулярны оси собственного вращения ротора, две пары электрически изолированных сегментных электродов, расположенных в экваториальной плоскости на внутренней поверхности вакуумной камеры, причем электроды каждой пары расположены симметрично по боковым сторонам от поддерживающих электродов, два оптических датчика съема информации, выполненные в виде твердотельного лазера и фотоприемника, два усилителя-преобразователя, при этом выход первого фотоприемника предназначен для определения угла поворота ротора вокруг оси ОХ корпуса, соединен со входом усилителя преобразователя, выход которого соединен с парой обмоток датчика момента, одна из которых содержит фазосдвигающий конденсатор, развивающего момент вокруг оси OY, выход второго фотоприемника, предназначенного для определения угла поворота вокруг оси OY корпуса, соединен со входом другого усилителя-преобразователя, выход которого соединен с парой обмоток датчика момента, одна из обмоток которого также содержит фазосдвигающий конденсатор, развивающего момент вокруг оси ОХ, последовательно с обмотками датчиков моментов включены эталонные резисторы, падения напряжения на которых несет информацию об оценках угловых скоростей ω_х и ω_Y объекта, силовая пара электрически изолированных сегментных электродов, расположенных вдоль оси ОХ, соединена последовательно с источником высокочастотного напряжения, дросселем и резистором, образуя цепь возбуждения колебаний, измерительная пара электрически изолированных сегментных электродов расположенных вдоль оси OY, соединена последовательно с дросселем и эталонным резистором, который соединен с входом фазочувствительного выпрямителя, выход фазочувствительного выпрямителя соединен со входом масштабирующего устройства, на выходе которого формируется электрический сигнал, пропорциональный измеряемой оценке ω_Z угловой скорости объекта вокруг оси OZ.The problem is solved in that in a three-component angular velocity meter based on a spherical gyroscope with an electrostatic suspension of the rotor, which includes a spherical hollow rotor enclosed in a vacuum chamber, surrounded by three pairs of orthogonally located supporting electrostatic suspension electrodes with a high-frequency voltage source, a two-phase asynchronous a motor for driving a gyro rotor with two pairs of diametrically located in the equatorial plane ora of windings connected to an alternating current source, one of the pairs of windings connected to it through a capacitor providing a phase shift of 90 degrees, as well as a system for disconnecting the windings of an induction motor after a rotor sets a given rotation speed, two pairs of diametrically arranged serially connected windings forming two torque sensors, the axis of moments of which are perpendicular to the axis of proper rotation of the rotor, two pairs of electrically isolated segmented electrodes located in the equatorial plane bones on the inner surface of the vacuum chamber, and the electrodes of each pair are located symmetrically on the sides of the supporting electrodes, two optical information pickup sensors made in the form of a solid-state laser and a photodetector, two amplifier converters, while the output of the first photodetector is designed to determine the angle of rotation of the rotor around the axis OX of the housing, connected to the input of the amplifier of the Converter, the output of which is connected to a pair of windings of the torque sensor, one of which contains phase shifting to an absorber developing a moment around the OY axis, the output of the second photodetector, designed to determine the rotation angle around the axis OY of the housing, is connected to the input of another amplifier-converter, the output of which is connected to a pair of windings of the torque sensor, one of the windings of which also contains a phase-shifting capacitor developing the moment around the x-axis, successively with the windings moments sensors including reference resistors, the voltage drop across which carries information about estimates of the angular velocities ω _x and ω _Y object powerplant pairs electrically isolated segmented electrodes located along the OX axis, connected in series with a high-frequency voltage source, a choke and a resistor, forming an excitation circuit, a measuring pair of electrically isolated segmented electrodes located along the OY axis, connected in series with a choke and a reference resistor, which is connected to the input of the phase-sensitive rectifier, the output of the phase-sensitive rectifier is connected to the input of the scaling device, at the output of which an electrical signal is proportional to the measured estimate ω _{Z of the} angular velocity of the object around the OZ axis.

Заявляемое изобретение поясняется чертежами фиг. 1-фиг. 7.The invention is illustrated by drawings of FIG. 1-fig. 7.

На фиг. 1 представлена электрокинематическая схема гироскопа с электростатическим подвесом ротора.In FIG. 1 shows an electrokinematic diagram of a gyroscope with an electrostatic suspension of a rotor.

На фиг. 2 представлена функциональная электрическая схема поясняющая выделение оценок компонентов вектора абсолютной угловой скорости

In FIG. 2 is a functional electrical diagram explaining the allocation of estimates of the components of the absolute angular velocity vector

На фиг. 3 представлена функциональная электрическая схема, поясняющая расположение и подключение обмоток датчиков момента и силовых электродов вдоль оси OZ, а также расположение и подключение оптических датчиков угла.In FIG. 3 is a functional electrical diagram explaining the location and connection of the windings of torque sensors and power electrodes along the OZ axis, as well as the location and connection of optical angle sensors.

На фиг. 4 представлена кинематическая схема, поясняющая работу системы коррекции углового положения ротора относительно оси ОХ.In FIG. 4 is a kinematic diagram explaining the operation of the system for correcting the angular position of the rotor relative to the axis OX.

На фиг. 5 изображены эпюры выходных сигналов фотоприемников при различных положениях ротора.In FIG. 5 shows diagrams of the output signals of photodetectors at various positions of the rotor.

На фиг. 6 изображена схема соединения обмоток двухфазного асинхронного двигателя.In FIG. 6 shows a connection diagram of the windings of a two-phase asynchronous motor.

На фиг. 7 изображена схема, поясняющая прецессионные уравнения движения гироскопа и работу системы коррекции.In FIG. 7 is a diagram explaining the precession equations of motion of the gyroscope and the operation of the correction system.

На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - сферический полый ротор; 2 - растровая разметка; 3 - корпус прибора; 4 и 4′ - пара электрически изолированных силовых сегментных электродов силовой цепочки; 5 - источник переменного тока, входящий в состав силовой цепочки; 6 - эквивалентный резистор, входящий в состав силовой цепочки; 7 - дроссель, входящий в состав силовой цепочки; 8 - эталонный резистор, входящий в состав силовой цепочки; 9 - фазочувствительный выпрямитель (ФЧВ), относящийся к силовой цепочке; 10 и 10′ - пара электрически изолированных измерительных сегментных электродов измерительной цепочки; 11 - эквивалентный резистор, входящий в состав измерительной цепочки; 12 - дроссель, входящий в состав измерительной цепочки; 13 - эталонный резистор, входящий в состав измерительной цепочки; 14 - фазочувствительный выпрямитель (ФЧВ), входящий в состав измерительной цепочки; 15 - масштабирующее устройство выходного электрического сигнала, пропорционального оценке угловой скорости вокруг оси OZ; 16 и 17 - пара силовых поддерживающих электродов вдоль оси ОХ; 18 - устройство управления разностью потенциалов на силовых поддерживающих электродах вдоль оси ОХ; 19 и 20 - пара силовых поддерживающих электродов вдоль оси OY; 21 - устройство управления разностью потенциалов на силовых поддерживающих электродах вдоль оси OY; 22 и 23 - пара силовых поддерживающих электродов вдоль оси OZ; 24 - устройство управления разностью потенциалов на силовых поддерживающих электродах вдоль оси OZ; 25, 26, 27, 28 - обмотки двухфазного асинхронного электродвигателя (АЭД); 29, 30, 31, 32 - обмотки датчика момента (ДМ_Х) создающие корректирующий момент вокруг оси ОХ; 33 - фазосдвигающий конденсатор системы коррекции ротора вокруг оси ОХ; 34 - лазер системы коррекции ротора вокруг оси ОХ; 35 - фотоприемник системы коррекции ротора вокруг оси ОХ; 36 - ШИМ преобразователь системы коррекции ротора вокруг оси ОХ; 37 - усилитель-преобразователь обратной связи системы коррекции вокруг оси ОХ; 38 - эталонный резистор для съема информации об угловом положении ротора входящий в состав системы коррекции ротора вокруг оси ОХ; 39 - измеритель падения напряжения системы коррекции ротора вокруг оси ОХ; 40 - масштабирующее устройство выходного электрического сигнала, пропорционального оценке угловой скорости вокруг оси ОХ; 41, 42, 43, 44 - обмотки датчика момента (ДМ_Y) создающие корректирующий момент вокруг оси OY; 45 - фазосдвигающий конденсатор системы коррекции ротора вокруг оси OY; 46 - ШИМ преобразователь системы коррекции ротора вокруг оси OY; 47 - усилитель-преобразователь обратной связи системы коррекции ротора вокруг оси OY; 48 - эталонный резистор системы коррекции ротора вокруг оси OY; 49 - измеритель падения напряжения системы коррекции ротора вокруг оси OY; 50 - масштабирующее устройство выходного электрического сигнала, пропорционального оценке угловой скорости вокруг оси OY; 51 - лазер системы коррекции ротора вокруг оси OY; 52 - фотоприемник системы коррекции ротора вокруг оси OY; 53 - источник переменного высокочастотного напряжения для питания асинхронного двухфазного двигателя; 54 - фазосдвигающий конденсатор, входящий в состав асинхронного двухфазного двигателя.In the drawings, the following notation: 1 - spherical hollow rotor; 2 - raster marking; 3 - instrument housing; 4 and 4 ′ - a pair of electrically isolated power segment electrodes of the power chain; 5 - AC source, which is part of the power circuit; 6 - equivalent resistor included in the power circuit; 7 - throttle, which is part of the power circuit; 8 - reference resistor, which is part of the power circuit; 9 - phase-sensitive rectifier (PCF) related to the power circuit; 10 and 10 ′ - a pair of electrically isolated measuring segment electrodes of the measuring chain; 11 - equivalent resistor included in the measuring chain; 12 - throttle, which is part of the measuring chain; 13 - reference resistor included in the measuring chain; 14 - phase-sensitive rectifier (PCV), which is part of the measuring chain; 15 is a scaling device of an output electric signal proportional to the estimate of the angular velocity around the OZ axis; 16 and 17 - a pair of power supporting electrodes along the axis OX; 18 is a device for controlling the potential difference on the power supporting electrodes along the axis OX; 19 and 20 - a pair of power supporting electrodes along the OY axis; 21 is a potential difference control device on the power supporting electrodes along the OY axis; 22 and 23 - a pair of power supporting electrodes along the OZ axis; 24 is a potential difference control device on the power supporting electrodes along the OZ axis; 25, 26, 27, 28 - windings of a two-phase asynchronous electric motor (AED); 29, 30, 31, 32 - windings of the torque sensor (DM _X ) creating a corrective moment around the axis OX; 33 - phase-shifting capacitor of the rotor correction system around the axis OX; 34 - laser correction system of the rotor around the axis OX; 35 - photodetector of the rotor correction system around the axis OX; 36 - PWM converter rotor correction system around the axis OX; 37 — feedback amplifier of the correction system around the axis OX; 38 - a reference resistor for collecting information about the angular position of the rotor included in the rotor correction system around the axis OX; 39 - voltage drop meter of the rotor correction system around the axis OX; 40 - a scaling device of the output electric signal proportional to the estimate of the angular velocity around the axis OX; 41, 42, 43, 44 - windings of the torque sensor (DM _Y ) creating a corrective moment around the axis OY; 45 - phase-shifting capacitor of the rotor correction system around the axis OY; 46 - PWM converter rotor correction system around the axis OY; 47 - feedback amplifier-converter of the rotor correction system around the OY axis; 48 - reference resistor of the rotor correction system around the OY axis; 49 - voltage drop meter of the rotor correction system around the OY axis; 50 is a scaling device of an output electrical signal proportional to an estimate of the angular velocity around the OY axis; 51 - laser correction system of the rotor around the axis OY; 52 - photodetector of the rotor correction system around the OY axis; 53 - source of alternating high-frequency voltage for powering an asynchronous two-phase motor; 54 - phase-shifting capacitor, which is part of an asynchronous two-phase motor.

Трехкомпонентный измеритель угловой скорости на основе сферического ротора с электростатическим подвесом, изображенный на фиг. 1, содержит: сферический ротор 1, полностью выполненный из легкого электропроводящего материала, например, из бериллия. Ротор 1 является полым, выполненным в виде статически и динамически сбалансированной сферы, на внешней поверхности которой при помощи специального рисунка нанесена растровая разметка 2, обеспечивающая определение первых двух компонентов угловой скорости ω_X и ω_Y.A three-component angular velocity meter based on a spherical rotor with an electrostatic suspension, depicted in FIG. 1, comprises: a spherical rotor 1, made entirely of lightweight electrically conductive material, for example, beryllium. The rotor 1 is hollow, made in the form of a statically and dynamically balanced sphere, on the outer surface of which, using a special pattern, a raster marking 2 is applied, which determines the first two components of the angular velocity ω _X and ω _Y.

Для определения угловой скорости вокруг оси OZ корпуса прибора, в конструкцию введена силовая цепь I (фиг. 2), содержащая дополнительную пару электрически изолированных силовых сегментных электродов 4 и 4′ расположенных вдоль оси ОХ. Выход источника переменного тока 5 соединен с парой электрически изолированных силовых сегментных электродов 4 и 4′, для обеспечения разности потенциалов на роторе 1 и обеспечения колебаний центра масс ротора вдоль оси ОХ. Параллельно с этим силовая цепь I используется как измерительная. Для этого эталонный резистор 8 соединен параллельно с фазочувствительным выпрямителем 9, выход которого предназначен для снятия электрического сигнала, пропорционального перемещению центра масс ротора 1 вдоль оси ОХ. Этот сигнал используется для ограничения перемещения ротора 1 вдоль оси ОХ.To determine the angular velocity around the axis OZ of the device case, a power circuit I (Fig. 2) is introduced into the design, containing an additional pair of electrically isolated power segment electrodes 4 and 4 ′ located along the axis OX. The output of the AC source 5 is connected to a pair of electrically isolated power segment electrodes 4 and 4 ′, to ensure the potential difference on the rotor 1 and to provide oscillations of the center of mass of the rotor along the axis OX. In parallel with this, the power circuit I is used as a measuring circuit. To do this, the reference resistor 8 is connected in parallel with a phase-sensitive rectifier 9, the output of which is designed to remove an electrical signal proportional to the movement of the center of mass of the rotor 1 along the axis OX. This signal is used to limit the movement of the rotor 1 along the axis OX.

В состав силовой цепочки I входит пара электрически изолированных силовых сегментных электродов 4 и 4′, последовательно соединенных с дросселем 7, генератором переменного тока 5, эквивалентным резистором 6 и эталонным резистором 8, который соединен параллельно с фазочувствительным выпрямителем 9, выход которого соединен со входом масштабирующего устройства 15 и входом устройства управления разностью потенциалов на силовых поддерживающих электродах 22 и 23 вдоль оси OZ; это необходимо для ограничения перемещения ротора вдоль оси OZ.The power circuit I includes a pair of electrically isolated power segment electrodes 4 and 4 ′ connected in series with a choke 7, an alternator 5, an equivalent resistor 6 and a reference resistor 8, which is connected in parallel with a phase-sensitive rectifier 9, the output of which is connected to the input of the scaling devices 15 and the input of the potential difference control device on the power supporting electrodes 22 and 23 along the OZ axis; this is necessary to limit the movement of the rotor along the OZ axis.

Съем информации об измеряемой угловой скорости вокруг оси OZ производится при помощи пары электрически изолированных измерительных сегментных электродов 10 и 10′, эквивалентного резистор 11, дросселя 12, эталонного резистор 13, фазочувствительного выпрямителя 14, масштабирующего устройства 15. Измерительная цепочка II представляет собой последовательное включение элементов: пара электрически изолированных измерительных сегментных электродов 10 и 10′, эквивалентный резистор 11, дроссель 12 и эталонный резистор 13, который соединен параллельно с фазочувствительным выпрямителем 14, выход которого соединен со входом масштабирующего устройства 15; выходом последнего является электрический сигнал, пропорциональный оценке измеряемой угловой скорости вокруг оси OZ.Information about the measured angular velocity around the OZ axis is obtained using a pair of electrically isolated measuring segment electrodes 10 and 10 ′, an equivalent resistor 11, a choke 12, a reference resistor 13, a phase-sensitive rectifier 14, a scaling device 15. Measuring chain II is a series connection of elements : a pair of electrically isolated measuring segment electrodes 10 and 10 ′, an equivalent resistor 11, a choke 12 and a reference resistor 13, which is connected in parallel with azochuvstvitelnym rectifier 14 whose output is connected to an input of scaling unit 15; the output of the latter is an electrical signal proportional to the estimated angular velocity around the OZ axis.

Для поддержания сферического полого ротора 1 гироскопа во взвешенном состоянии имеются три пары силовых поддерживающих электродов (фиг. 1) 16 и 17, 19 и 20, 22 и 23 соответственно, оси которых образуют ортогональный триэдр. Для коррекции линейного положения ротора и его стабилизации в систему введены устройства управления разностью потенциалов на парах противоположных силовых поддерживающих электродов 18, 21 и 24, соответственно.To maintain the spherical hollow rotor 1 of the gyroscope in suspension, there are three pairs of power supporting electrodes (Fig. 1) 16 and 17, 19, 20, 22 and 23, respectively, whose axes form an orthogonal trihedron. To correct the linear position of the rotor and its stabilization, the system introduced potential difference control devices on pairs of opposite power supporting electrodes 18, 21 and 24, respectively.

В состав системы коррекции линейного положения ротора вдоль оси OY входят силовые поддерживающие электроды 16, 17, последовательно соединенные со входами устройства управления разностью электрических потенциалов 18, вход которого соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя 9, образуя тем самым систему с обратной связью.The structure of the correction of the linear position of the rotor along the OY axis includes power supporting electrodes 16, 17 connected in series with the inputs of the electric potential difference control device 18, the input of which is connected to the output of the phase-sensitive rectifier 9, thereby forming a feedback system.

В состав системы коррекции линейного положения ротора вдоль оси OY входят силовые поддерживающие электроды 19, 20 последовательно соединенные со входами устройства управления разностью электрических потенциалов 21, вход которого соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя 14.The composition of the system for correcting the linear position of the rotor along the OY axis includes power supporting electrodes 19, 20 connected in series with the inputs of the electric potential difference control device 21, the input of which is connected to the output of the phase-sensitive rectifier 14.

В состав системы коррекции линейного положения ротора вдоль оси OZ, аналогично, входят силовые поддерживающие электроды 22, 23, последовательно соединенные со входами устройства управления разностью электрических потенциалов 24. На входы устройства управления разностью электрических потенциалов подаются электрические сигналы с емкостных датчиков, пропорциональные линейному перемещению ротора 1 вдоль оси OZ.The structure of the correction system for the linear position of the rotor along the OZ axis, similarly, includes power supporting electrodes 22, 23 connected in series with the inputs of the electric potential difference control device 24. Electrical signals from capacitive sensors proportional to the linear movement of the rotor are supplied to the inputs of the electric potential difference control device 1 along the axis OZ.

Система коррекции вокруг оси ОХ (фиг. 4) включает в себя две пары обмоток датчика момента 41 и 43, 42 и 44, расположенных в плоскости Oyz, фазосдвигающий элемент - конденсатор 45, лазер 51, фотоприемник 52, ШИМ преобразователь 46, усилитель обратной связи 47, эталонный резистор 48, измерительный блок 49 и масштабирующий преобразователь 50. Элементы, входящие в состав канала коррекции углового положения ротора вокруг оси ОХ, связаны между собой следующим образом: лазер 51 и фотоприемник 52 образуют оптическую пару, выход фотоприемника соединен со входом ШИМ преобразователя 46, выход которого, соединен со входом усилителя преобразователя 47, к выходу которого подключены две пары последовательно соединенных обмоток 41 и 43, 42 и 44, причем пара обмоток 41 и 43 включены последовательно с фазосдвигающим элементом - конденсатором 45 и эталонным резистором 48, параллельно с которым включен измеритель падения напряжения 49, выход которого соединен с входом масштабирующего устройства 50, на выходе которого формируется электрический сигнал, пропорциональный оценке угловой скорости ω_X.The correction system around the OX axis (Fig. 4) includes two pairs of windings of the torque sensor 41 and 43, 42 and 44 located in the Oyz plane, the phase-shifting element is a capacitor 45, a laser 51, a photodetector 52, a PWM converter 46, a feedback amplifier 47, a reference resistor 48, a measuring unit 49, and a scaling transducer 50. The elements included in the channel for correcting the angular position of the rotor around the OX axis are interconnected as follows: the laser 51 and the photodetector 52 form an optical pair, the output of the photodetector is connected to the PWM input pre the educator 46, the output of which is connected to the input of the amplifier of the converter 47, the output of which is connected to two pairs of series-connected windings 41 and 43, 42 and 44, and a pair of windings 41 and 43 are connected in series with the phase-shifting element - capacitor 45 and reference resistor 48, in parallel with which a voltage drop meter 49 is connected, the output of which is connected to the input of the scaling device 50, at the output of which an electric signal is generated proportional to the estimate of the angular velocity ω _X.

Съем полезной информации об угловом положении ротора относительно оси ОХ производится по компенсационному методу, при помощи эталонного резистора 48, включенного последовательно с обмотками 43 и 41. Измерительный блок 49 производит измерение падения напряжения на эталонном резисторе 48, после чего измеренный сигнал подается на масштабирующий преобразователь 50.Useful information about the angular position of the rotor relative to the OX axis is measured using the compensation method using a reference resistor 48 connected in series with the windings 43 and 41. The measuring unit 49 measures the voltage drop across the reference resistor 48, after which the measured signal is applied to the scaling transducer 50 .

Аналогичный состав имеет система коррекции ротора вокруг оси OY. В ее состав входят обмотки датчика момента 29 и 31, 30 и 32 расположенных в плоскости Oxz, конденсатор 33, ШИМ преобразователь 36, усилитель-преобразователь 37, эталонный резистор 38, измеритель падения напряжения 39 и масштабирующее устройство 40, лазер 34, фотоприемник 35.The rotor correction system around the OY axis has a similar composition. It includes the windings of the torque sensor 29 and 31, 30 and 32 located in the Oxz plane, a capacitor 33, a PWM converter 36, an amplifier converter 37, a reference resistor 38, a voltage drop meter 39 and a scaling device 40, a laser 34, a photodetector 35.

Съем полезной информации об угловом положении ротора относительно оси OY производится по компенсационному методу, при помощи эталонного резистора 38, включенного последовательно с обмотками 29 и 31.Useful information about the angular position of the rotor relative to the OY axis is removed by the compensation method using a reference resistor 38 connected in series with the windings 29 and 31.

Элементы входящие в состав канала коррекции углового положения ротора вокруг оси OY связаны между собой следующим образом, лазер 34 и фотоприемник 35 образуют оптическую пару, выход фотоприемника соединен со входом ШИМ преобразователя 36, выход которого соединен со входом усилителя преобразователя 37, на входы которого подключены две пары последовательно соединенных обмоток 29 и 31, 30 и 32, причем пара обмоток 29 и 31 включены последовательно с фазосдвигающим элементом -конденсатором 33 и эталонным резистором 38, параллельно с которым включен измеритель падения напряжения 39, выход которого, соединен с входом масштабирующего устройства 40, на выходе которого формируется электрический сигнал пропорциональный оценке угловой скорости.The elements included in the channel for correcting the angular position of the rotor around the OY axis are interconnected as follows, the laser 34 and the photodetector 35 form an optical pair, the output of the photodetector is connected to the input of the PWM converter 36, the output of which is connected to the input of the amplifier of the converter 37, to the inputs of which two pairs of series-connected windings 29 and 31, 30 and 32, and a pair of windings 29 and 31 are connected in series with a phase-shifting element-capacitor 33 and a reference resistor 38, in parallel with which Tel voltage drop 39, whose output is connected to an input of scaling unit 40, the output of which forms an electric signal proportional to the angular velocity estimation.

Для разгона ротора 1 в конструкции прибора имеется двухфазный асинхронный электродвигатель (АЭД), в состав которого входят две пары последовательно соединенных обмоток 25 и 27, 28 и 26 (фиг. 6), расположенные в плоскости Оху и жестко связанные с корпусом вакуумной камеры прибора. Обмотки запитываются от источника переменного высокочастотного напряжения 53, с частотой 2-3 кГц. Обмотки 25 и 27 соединены последовательно и подключены напрямую к источнику переменного высокочастотного напряжения, а обмотки 26 и 28 соединены последовательно и подключены к источнику питания последовательно с фазосдвигающим элементом - конденсатором 54.To accelerate the rotor 1 in the design of the device there is a two-phase asynchronous electric motor (AED), which includes two pairs of series-connected windings 25 and 27, 28 and 26 (Fig. 6), located in the Okhu plane and rigidly connected to the housing of the vacuum chamber of the device. The windings are powered from a source of alternating high-frequency voltage 53, with a frequency of 2-3 kHz. The windings 25 and 27 are connected in series and connected directly to a source of alternating high-frequency voltage, and the windings 26 and 28 are connected in series and connected to a power source in series with a phase-shifting element - a capacitor 54.

Работает трехкомпонентный измеритель угловой скорости следующим образом. Перед включением питания прибор устанавливают на корпусе ПО и ориентируют. При включении питающих источников высокочастотных напряжений поддерживающие силовые электроды 16, 17, 19, 20, 22, 23 подвеса устанавливают ротор 1 в исходное положение, т.е. ротор 1 начинает левитировать (парить) относительно электродов под действием устанавливающих электростатических сил. После этого включается источник переменного напряжения 29 и подает питание на обмотки двухфазного асинхронного двигателя 25, 26, 27, 28. Обмотки 26 и 28 подключены последовательно, через фазосдвигающий элемент - конденсатор 30 создающий сдвиг фаз в 90° относительно питающего напряжения на обмотках 25 и 27, вследствие чего возникает вращающееся магнитное поле, увлекающее за собой ротор. При достижении номинальной скорости вращения ротора, источник переменного напряжения 29 автоматически отключается, после чего ротор продолжает вращаться по инерции на номинальных оборотах, сохраняя кинетический момент за счет вакуума и отсутствия трения в подвесе.A three-component angular velocity meter operates as follows. Before turning on the power, the device is installed on the software housing and oriented. When turning on the supply sources of high-frequency voltages, the supporting power electrodes 16, 17, 19, 20, 22, 23 of the suspension set the rotor 1 to its original position, i.e. rotor 1 begins to levitate (soar) relative to the electrodes under the action of establishing electrostatic forces. After that, the AC voltage source 29 is turned on and supplies power to the windings of the two-phase asynchronous motor 25, 26, 27, 28. The windings 26 and 28 are connected in series, through a phase-shifting element - capacitor 30 creating a phase shift of 90 ° relative to the supply voltage on the windings 25 and 27 as a result of which a rotating magnetic field arises, entrainment of the rotor. Upon reaching the nominal rotor speed, the alternating voltage source 29 is automatically turned off, after which the rotor continues to rotate by inertia at nominal speed, maintaining the kinetic moment due to vacuum and the absence of friction in the suspension.

В конструкцию введена силовая цепь I, содержащая дополнительную пару электрически изолированных силовых сегментных электродов 4 и 4′, расположенных вдоль оси ОХ, переменное напряжение с генератора 5 подается на электрически изолированные силовые сегментные электроды 4 и 4′. Тем самым за счет разности потенциалов напряжения на них, приводит к возникновению колебаний центра масс ротора 1 вдоль оси ОХ. Съем информации об угловой скорости производится путем измерения амплитуды колебаний вдоль оси OY, пропорциональных угловой скорости вокруг оси OZ, для этого в конструкцию введена измерительная цепь II, в состав которой входят электрически изолированные измерительные сегментные электродоы 10 и 10′, эквивалентный резистор 11, дроссель 12, эталонный резистор 13, фазочувствительный выпрямитель 14 и масштабирующее устройство 15.A power circuit I is introduced into the design, containing an additional pair of electrically isolated power segment electrodes 4 and 4 ′ located along the OX axis, and alternating voltage from the generator 5 is supplied to the electrically isolated power segment electrodes 4 and 4 ′. Thus, due to the voltage potential difference across them, it leads to oscillations of the center of mass of the rotor 1 along the OX axis. Information about the angular velocity is obtained by measuring the amplitude of oscillations along the OY axis, proportional to the angular velocity around the OZ axis, for this purpose a measuring circuit II is introduced into the structure, which includes electrically isolated measuring segment electrodes 10 and 10 ′, an equivalent resistor 11, a choke 12 , a reference resistor 13, a phase-sensitive rectifier 14, and a scaling device 15.

Канал коррекции вокруг оси ОХ работает следующим образом: лазер 51 и фотоприемник 52 образуют оптическую пару, они выставлены таким образом, что луч лазера отраженный от нанесенной растровой разметки 2, попадает на фотоприемник 52. При этом на его выходе формируется электрический сигнал, время между импульсами которого пропорционально углу отклонения ротора (фиг. 5). Соответственно, выход фотоприемника 35 соединен со входом ШИМ преобразователя 36. В ШИМ преобразователе 36 сигнал из широтно-импульсного преобразуется в амплитудно-модулированный сигнал, подаваемый на вход усилителя преобразователя 37, который в свою очередь подключен к управляющим обмоткам 29, 30, 31, 32.The correction channel around the OX axis works as follows: the laser 51 and the photodetector 52 form an optical pair, they are set in such a way that the laser beam reflected from the applied raster marking 2 hits the photodetector 52. An electrical signal is generated at its output, the time between pulses which is proportional to the angle of deviation of the rotor (Fig. 5). Accordingly, the output of the photodetector 35 is connected to the input of the PWM converter 36. In the PWM converter 36, the signal from a pulse-width pulse is converted to an amplitude-modulated signal supplied to the input of the amplifier of the converter 37, which in turn is connected to the control windings 29, 30, 31, 32 .

Эти обмотки запитываются переменным током, амплитуда которого пропорциональна углу α отклонения ротора относительно оси ОХ. Т.к. обмотки 30 и 32 соединены последовательно с конденсатором, это дает сдвиг фазы в 90 градусов относительно напряжения на обмотках 29 и 31, тем самым, создавая момент в плоскости Oxz и тем самым отклоняя ротор, стремясь уменьшить угол α (фиг. 1) и возвратить ротор в нулевое начальное угловое положение относительно корпуса прибора.These windings are powered by alternating current, the amplitude of which is proportional to the angle α of the deflection of the rotor relative to the axis OX. Because windings 30 and 32 are connected in series with the capacitor, this gives a phase shift of 90 degrees relative to the voltage on the windings 29 and 31, thereby creating a moment in the Oxz plane and thereby deflecting the rotor, trying to reduce the angle α (Fig. 1) and return the rotor to zero initial angular position relative to the device body.

При разгоне ротор 1 приобретает угловую скорость

и кинетический момент Н, равный

где J - полярный момент инерции ротора 1. При движении ПО возникают абсолютные угловые скорости ω_X, ω_Y, ω_z, которые измеряются заявляемым прибором.During acceleration, rotor 1 acquires angular velocity

and kinetic moment H equal to

where J is the polar moment of inertia of the rotor 1. When the software moves, absolute angular velocities ω _X , ω _Y , ω _z occur, which are measured by the inventive device.

При работе системы коррекции, в обмотках датчиков момента протекают токи I_X и I_Y, пропорциональные угловой скорости соответственно вокруг осей ОХ и OY.During the operation of the correction system, currents I _X and I _Y flow in the windings of the moment sensors, proportional to the angular velocity around the axes OX and OY, respectively.

При коррекции вокруг оси OY в обмотках датчика момента 41, 42, 43, 44 протекает ток:During correction around the OY axis, a current flows in the windings of the torque sensor 41, 42, 43, 44:

Зависимость тока от кинетического момента и угловой скорости:Dependence of current on kinetic moment and angular velocity:

При коррекции вокруг оси ОХ в обмотках датчика момента 29, 30, 31, 32 протекает ток:During correction around the axis OX in the windings of the torque sensor 29, 30, 31, 32, current flows:

где R_Э - сопротивление эталонного резистора; Н - кинетический момент ротора гироскопа 1; I_X, 1_Y - токи коррекции, протекающие в обмотках датчиков моментов вокруг осей ОХ и OY соответственно;where R _E is the resistance of the reference resistor; N is the kinetic moment of the rotor of the gyroscope 1; I _X , 1 _Y - correction currents flowing in the windings of the torque sensors around the axes OX and OY, respectively;

U_ЭX, U_ЭY - эффективные (действующие) значения падений напряжений на эталонных резисторах.U _EX , U _EY are the effective (acting) values of voltage drops across the reference resistors.

На выходе масштабирующих устройств 40 и 50 реализуются оценки угловых скоростей:At the output of the scaling devices 40 and 50, estimates of angular velocities are realized:

Так как эффективные значения токов не несут информацию о знаках измеряемых угловых скоростей, правые части должны быть умножены на сигнатуры углов α и β соответственно.Since the effective currents do not carry information about the signs of the measured angular velocities, the right-hand sides must be multiplied by the signatures of the angles α and β, respectively.

Поясним процесс определения сигнала об угловой скорости ω_Z (фиг. 2) (Теоретическая предпосылка изложена в статье - Журавлев В.Ф. Бесплатформенная инерциальная навигационная система маятникового типа (БИНС МТ) // Изв-РАН.МТТ., 2014, №1, с. 6-17.). Для этого от источника 5 переменного высокочастотного напряжения U_H, через распределенное сопротивление 6 по положительному направлению оси ОХ и эталонный резистор 8 сигнал переменного напряжения подводят к дополнительным силовым электродам 4 и 4′, которые возбуждают колебания ротора 1 вдоль оси ОХ через силы электростатического взаимодействия F_x.Let us explain the process of determining the signal about the angular velocity ω _Z (Fig. 2) (the theoretical premise is described in the article - Zhuravlev V.F. Platform inertial navigation system of the pendulum type (SINS MT) // Izv-RAN.MTT., 2014, No. 1, p. 6-17.). To do this, from the source 5 of the alternating high-frequency voltage U _H , through the distributed resistance 6 along the positive direction of the OX axis and the reference resistor 8, the alternating voltage signal is supplied to additional power electrodes 4 and 4 ′, which excite the oscillations of the rotor 1 along the OX axis through the forces of electrostatic interaction F _x .

При подведении к указанным электродам напряжения U_Н а счет электростатических сил возникают колебания ротора, что следует из уравнения движения вдоль оси ОХ:When voltage U _{N is} applied to the indicated electrodes due to electrostatic forces, rotor vibrations arise, which follows from the equation of motion along the OX axis:

В установившемся режиме периодическое движение ротора вдоль оси ОХ определяется по формулам (при

гораздо меньше единицы; l₀ - начальный торцевой зазор):In the steady state, the periodic motion of the rotor along the OX axis is determined by the formulas (for

much less than one; l ₀ - initial end clearance):

где U_a - амплитуда; Ω_в - частота напряжения возбуждения; С - емкость между двумя последовательно соединенными соседними электродами с промежутками электрод - ротор; Ω₀ - частота собственных недемпфированных колебаний ротора вдоль оси OY; h - показатель затухания; k_X, k_Y - коэффициенты жесткости подвеса; φ - фазовый сдвиг между координатой колебаний ротора вдоль оси ОХ и напряжением U_H, n, n_X, n_Y - коэффициенты демпфирования. Сила Кориолиса, возникающая за счет взаимодействия относительной скорости X и угловой скорости **_Z при массе ротора т, равна:where U _a is the amplitude; Ω _in is the frequency of the excitation voltage; C is the capacitance between two successively connected adjacent electrodes with electrode-rotor gaps; Ω ₀ is the frequency of natural undamped rotor vibrations along the OY axis; h is the attenuation index; k _X , k _Y are the stiffness coefficients of the suspension; φ is the phase shift between the coordinate of the oscillations of the rotor along the OX axis and the voltage U _H , n, n _X , n _Y are the damping coefficients. The Coriolis force arising from the interaction of the relative velocity X and the angular velocity ** _Z with the mass of the rotor m is equal to:

С учетом (9)уравнение движения ротора вдоль оси OY имеет вид:In view of (9), the equation of motion of the rotor along the OY axis has the form:

Разделив (10) на т и обозначив:Dividing (10) by t and designating:

получим уравнениеwe get the equation

В установившемся режиме движение ротора вдоль оси OY определяется по формуле (13), являющейся решением уравнения (12) (при h_Y=h; Ω_Y=Ω₀):In the steady state, the rotor motion along the OY axis is determined by the formula (13), which is a solution of equation (12) (for h _Y = h; Ω _Y = Ω ₀ ):

Фазочувствительный выпрямитель 14 выделяет вторую гармонику колебаний, на его выходе имеем выпрямленное напряжение:The phase-sensitive rectifier 14 emits the second harmonic of the oscillations, at its output we have a rectified voltage:

Подставляем (7) в (9) и получаем формулу для определения значения перемещения ротора 1 вдоль оси OY:We substitute (7) into (9) and obtain a formula for determining the value of the displacement of rotor 1 along the OY axis:

Из формулы (11) в масштабирующем устройстве 14 (фиг. 2) реализуется алгоритм оценки угловой скорости

:From the formula (11), the scaling device 14 (Fig. 2) implements an algorithm for estimating the angular velocity

:

На структурной схеме (фиг. 2) сигналы с электрически изолированных измерительных сегментных электродов 10 и 10′ через эталонный резистор 13 и распределенное сопротивление 11 по положительному направлению оси OY подводят к ФЧВ 14. Его выход соединен со входом масштабирующего элемента 15, выходом которого является оценка

соответствующего компонента угловой скорости ПО. Для обоснования процедуры разработки электрической схемы выразим токи через углы (фиг. 7), при этом используем прецессионные уравнения движения:In the structural diagram (Fig. 2), the signals from the electrically isolated

measuring segment electrodes

10 and 10 ′ through the reference resistor 13 and the distributed resistance 11 along the positive direction of the OY axis are fed to the PCF 14. Its output is connected to the input of the scaling element 15, the output of which is the estimate

corresponding component of the angular velocity of the software. To justify the procedure for developing an electrical circuit, we express the currents through the angles (Fig. 7), while using the precession equations of motion:

где α и β - углы отклонения оси собственного вращения ротора от перпендикулярного положения к плоскости Оху объекта; Ox_Py_Pz_P - резалева система координат.where α and β are the angles of deviation of the axis of proper rotation of the rotor from a perpendicular position to the Ohu plane of the object; Ox _P y _P z _P is a resale coordinate system.

При

и

имеем:At

and

we have:

Откуда выражаем токи через углы:Where do we express currents through the corners:

Таким образом, впервые в одном гироскопе в виде сферического ротора с тремя степенями свободы и электростатическим подвесом измеряются три компонента абсолютной угловой скорости ПО. Это позволяет решить задачу определения трех углов ориентации ПО без применения дополнительного гироскопа, свидетельствуя о технической и экономической целесообразности использования данной полезной модели.Thus, for the first time in one gyroscope in the form of a spherical rotor with three degrees of freedom and an electrostatic suspension, three components of the absolute angular velocity of PO are measured. This allows us to solve the problem of determining the three orientation angles of software without using an additional gyroscope, indicating the technical and economic feasibility of using this utility model.

Claims

A three-component angular velocity meter based on a spherical gyroscope with an electrostatic suspension, including a spherical hollow rotor with a raster pattern deposited on its surface, enclosed in a vacuum chamber surrounded by three pairs of orthogonally located power supporting electrodes of the suspension with a high-frequency voltage source, a two-phase asynchronous motor for driving the gyro rotor with two pairs of windings diametrically located in the equatorial plane of the rotor, connected to the sources ohm of alternating current, and one of the pairs of windings is connected to it through a capacitor that provides a phase shift of 90 °, as well as a system for disconnecting the windings of an induction motor after the rotor sets a given rotation speed, rotor damping windings, a system for measuring rotor movements along three axes, characterized in that contains two pairs of diametrically arranged serially connected windings forming two moment sensors, the axis of moments of which are perpendicular to the axis of proper rotation of the rotor, two pairs of electrically isolates segmented electrodes located in the equatorial plane on the inner surface of the vacuum chamber, and the electrodes of each pair are located symmetrically on the sides of the supporting electrodes, with a pair of measuring electrically isolated segmented electrodes along the OX axis, and a pair of power electrically isolated segmented electrodes along ΟY, two optical information pickup sensors made in the form of a solid-state laser and a photodetector, two amplifier-converters, while the output of the first photodetector is designed to determine the angle of rotation of the rotor around the axis OX of the housing, connected to the input of the amplifier-converter, the output of which is connected to a pair of windings of the torque sensor, one of which contains a phase-shifting capacitor that develops a moment around the axis OY, the output of the second photodetector, designed to determine angle of rotation around the axis OY of the housing, connected to the input of another amplifier-converter, the output of which is connected to a pair of windings of the torque sensor, one of the windings of which also contains phase-shifting capacitor, developmental moment around the axis OX in series with the windings torque sensor including reference resistors, the voltage drop across which carries information about estimates of the angular velocity ω _X and ω _Y object powerplant pair are electrically isolated segment electrodes arranged along the axis OX, connected in series with a high-frequency voltage source, a choke and a resistor, forming an oscillation excitation circuit, a measuring pair of electrically isolated segmented electrodes located along the ΟY axis, connected in series with the inductor and a reference resistor that is connected to the input of the phase-sensitive rectifier, the output of the phase-sensitive rectifier is connected to the input of the scaling device, the output of which forms an electric signal proportional to the measured estimate ω _{Z of the} angular velocity of the object around the ΟΖ axis.