RU197374U1

RU197374U1 - Гидродинамический гироскоп

Info

Publication number: RU197374U1
Application number: RU2019106250U
Authority: RU
Inventors: Пётр Колестратович Плотников
Original assignee: Пётр Колестратович Плотников
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2020-04-23

Abstract

Полезная модель относится к системам ориентации, навигации и управления подвижных объектов (ПО) - самолетов, кораблей и др. - и предназначено для определения двух компонентов вектора абсолютной угловой скорости. Прибор может быть выполнен в микромеханическом варианте.Гидродинамический гироскоп, в состав которого входят корпус, полый герметичный ротор, между ротором и корпусом частично залита жидкость, датчики съема угловой информации, электродвигатель привода ротора, в котором корпус закреплен на подвижном объекте, на роторе-поплавке цилиндрической формы помещен в центральной части электроизолированный, например, помедненный тонкостенный цилиндр, являющийся активной частью асинхронного электродвигателя, напротив него в центральной внутренней части корпуса помещен магнитопровод с обмотками статора электродвигателя привода ротора, с левого и правого торцев ротора нанесены круглые электроизолированые пластины торцевых подвижных электродов, на внутренней части корпуса напротив них размещены два разрезанных по диаметру электрода для осевого центрирования ротора-поплавка, с левого и правого цилиндрических сторон ротора расположены разрезные электроды с двумя диаметральными осевыми, направленными вдоль образующей прорезями, в свою очередь, против кольцевых подвижных разрезных силовых электродов расположены по двум окружностям электроизолированные пластины, составляющие по четыре пары неподвижных электродов межосевой радиальной коррекции, электроды расположены через 90 угловых градусов по окружностям, причем рядом между собой размещены два измерительных, а затем - два силовых электрода, и они строго соответствуют друг другу по четырем образующим цилиндра, при этом одноименные измерительные электроды, расположенные по одной окружности, соединены с соседними силовыми электродами этой же окружности через посредство последовательно соединенных двух блоков линеаризации нелинейностей в составе бортового контроллера, а также усилителя мощности, образуя четыре силовые цепочки, составляющие два контура радиальной коррекции по углам α и β, жидкость заполняет не менеечасти внутренней полости прибора, торцевые разрезные электроды подключены параллельно к источнику сверхвысокочастотного напряжения, к другим источникам сверхвысокочастотного напряжения подключены восемь электродов радиальной коррекции, статор электродвигателя соединен с источником трехфазного переменного напряжения для привода во вращение ротора, по четыре пары левых и правых неподвижных силовых электродов соединены через блок электроники с измерительными электродами, образующими датчики углов α и β используемые в контроллере для определения выходных сигналов по угловым скоростям ω, ω, вторые выходы измерительных электродов предназначены за счет зазоров на активной части ротора электродвигатели для определения частоты вращения ротора и управления ею с помощью блока электроники. 9 ил.

Description

Полезная модель относится к системам ориентации, навигации и управления подвижных объектов (ПО) - самолетов, кораблей и др. - и предназначено для определения двух компонентов вектора абсолютной угловой скорости. Прибор может быть выполнен в микромеханическом варианте.

Известен гидродинамический гироскоп (см. книгу К.П. Андрейченко «Динамика поплавковых гироскопов и акселерометров», М.: Машиностроение, 1987). Этот гироскоп содержит камеру в опорах вращения, внутренняя полость которой частично заполнена жидкостью, а в ней помещен ротор-поплавок с нулевой плавучестью, который имеет возможность измерять два компонента углового движения ПО. Недостатком его является наличие уводящих моментов, отсутствие осевого центрирования и достаточно сложные конструкция и технология изготовления прибора.

Известен гидродинамический гироскоп по патенту РФ №2116623 авторов Неудахина Ю.М. и др., МПК GO1C 19/20 от 27.07.1998 года, содержащий камеру с опорами, вращающуюся от внешнего электродвигателя, со сферической полостью, частично заполненной жидкостью, в которой размещен ротор-поплавок с нулевой остаточной плавучестью. Он предназначен для измерения двух компонентов углового движения ПО. Недостатком прибора является сложность конструкции и изготовления, отсутствие осевого центрирования ротора и невозможность создания на его основе микрогироскопа.

Известен гидродинамический гироскоп по книге Д.П. Лукьянова, В.Я. Распопова и Ю.В. Филатова: Прикладная теория гироскопов. - СПб.: ГНЦ РФ ЩАЩ «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2015. - 316 с. Он имеет твердый ротор - поплавок, размещенный в сферической полости корпуса, принудительно вращаемого в опорах вокруг оси, совпадающей с полярной осью ротора. Свободный объем между ротором и вращаемым корпусом заполнен жидкостью не полностью, и при вращении вблизи оси остается цилиндрическое газовое пространство. При вращении корпуса ротор - поплавок в радиальном направлении центрируется гидродинамическими силами. Устройство осевого центрирования состоит из шарика, жестко связанного с ротором, и двух игольчатых осевых упоров. Прибор измеряет две составляющие вектора абсолютной скорости ПО. Недостатком прибора является сложность конструкции и технологии его изготовления, в том числе из-за осевого центрирования ротора, и невозможность создания на его основе микрогироскопа.

Известны микромеханические гироскопы, которые сложны в изготовлении и эксплуатации.

Целью настоящего изобретения является значительное устранение отмеченных недостатков и в том числе обеспечение возможности создания микрогироскопа.

Техническим результатом изобретения является создание конструкции без подшипников и без вращающегося корпуса (камеры) за счет обеспечения непосредственного привода ротора от асинхронного двигателя, применение электростатического съема сигнала по двум углам, а также применение межосевой радиальной коррекции путем соединения через усилители и микроконтроллер указанных датчиков с электростатическими датчиками силы.

Поставленная задача решается тем, что гидродинамический гироскоп, в состав которого входят корпус, полый герметичный ротор, между ротором и корпусом частично залита жидкость, датчики съема угловой информации, электродвигатель привода ротора, отличительной особенностью является то, что герметичный корпус закреплен на подвижном объекте, на роторе-поплавке цилиндрической формы помещен в центральной части электроизолированный, например, помедненный тонкостенный цилиндр, являющийся активной частью асинхронного электродвигателя, напротив него в центральной внутренней части корпуса помещен магнитопровод с обмотками статора электродвигателя привода ротора, с левого и правого торцев ротора нанесены круглые электроизолированные пластины торцевых подвижных электродов, на внутренней части корпуса напротив них размещены два разрезанных по диаметру электрода для осевого центрирования ротора-поплавка, с левого и правого цилиндрических сторон ротора расположены разрезные электроды с двумя диаметральными осевыми, направленными вдоль образующей прорезями, в свою очередь, против кольцевых подвижных разрезных силовых электродов расположены по двум окружностям электроизолированные пластины, составляющие по четыре пары неподвижных электродов межосевой радиальной коррекции, электроды расположены через 90 угловых градусов по окружностям, причем рядом между собой размещены два измерительных, а затем - два силовых электрода, и они строго соответствуют друг другу по четырем образующим цилиндра, при этом одноименные измерительные электроды, расположенные по одной окружности, соединены с соседними силовыми электродами этой же окружности через посредство последовательно соединенных двух блоков линеаризации нелинейностей в составе бортового контроллера, а также усилителя мощности, образуя четыре силовые цепочки, составляющие два контура радиальной коррекции по углам α и β, жидкость заполняет не менее

части внутренней полости прибора, торцевые разрезные электроды подключены параллельно к источнику сверхвысокочастотного напряжения, к другим источникам сверхвысокочастотного напряжения подключены восемь электродов радиальной коррекции, статор электродвигателя соединен с источником трехфазного переменного напряжения для привода во вращение ротора, по четыре пары левых и правых неподвижных силовых электродов соединены через блок электроники с измерительными электродами, образующими датчики углов α и β, используемые в контроллере для определения выходных сигналов по угловым скоростям ω_x, ω_y, вторые выходы измерительных электродов предназначены за счет зазоров на активной части ротора электродвигатели для определения частоты вращения ротора и управления ею с помощью блока электроники.

Устройство и работа прибора поясняются схемами и чертежами, представленными на фиг. 1-9:

Фиг. 1 - Общий вид прибора.

Фиг. 2 - Вид по стрелке А.

Фиг. 3 - Вид по стрелке Б.

Фиг. 4 - Кинематическая схема.

Фиг. 5 - Электрокинематическая схема с соединениями электродов и блока электроники.

Фиг. 6, 7 - схемы поворотов электродов.

Фиг. 8 - Схема электрическая асинхронного электродвигателя.

Фиг. 9 - Схема электрическая измерительной цепочки.

На фиг. 1-9 приняты следующие обозначения:

1 - ротор - поплавок;

2 - корпус неподвижный;

3 - посадочный фланец с отверстием для установки на корпусе;

4 - юстировочная прорезь;

5 - крышка;

6 - жидкость маловязкая;

7 - активная (например, покрытая слоем меди) часть ротора асинхронного электродвигателя привода ротора;

8 - статор асинхронного электродвигателя;

9 - кольцевые разрезные электроды датчиков сил и перемещений радиальной коррекции гироскопа, расположенные на роторе;

10 - электроды датчиков сил и перемещений радиальной коррекции, расположенные на корпусе и образующие статоры датчиков сил и перемещений;

11, 12 - торцевые электроды, расположенные на роторе;

13, 14 - торцевые электроды, расположенные на корпусе;

15, 16 - электроизоляционные части ротора - кольцевые и осевые;

17 - магнитопровод обмотки асинхронного электродвигателя.

Два электрода 9, расположенные на подвижной цилиндрической части ротора 1 - разрезаны вдоль образующих цилиндрического ротора в двух диаметрально расположенных зонах с целью создания возможности определения частоты вращения ротора и осуществления ее стабилизации. Против каждого кольцевого подвижного электрода на корпусе 2 прибора расположены по четыре пары неподвижных электродов 18-21 и

. Каждая из пар левого (фиг. 4) или, что то же самое, верхнего (фиг. 2-5) ряда электродов 18-21 соответствует парам

правого (нижнего) ряда электродов, смещенных вдоль образующей цилиндрической части ротора 1. Указанные пары неподвижных электродов и два кольцевых с разрезами электродов 9 образуют два датчика моментов межосевой радиальной коррекции, а также два датчика углов. В состав блоков 22-26 входят источники переменных напряжений, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, контроллер 26 для определения углов α и β по сигналам измерительных электродов

,

и оценок угловых скоростей ω_х, ω_у соответственно. Усилители 22, 23 сверхвысокочастотных напряжений предназначены для определения и усиления сигналов углов α и β по сигналам измерительных электродов

,

и для выработки сигналов для усилителей мощности 24, 25. Они соединены с силовыми электродами

,

фиг. 5, служащими для создания моментов сил коррекции. Контроллер 26 служит для определения оценок угловых скоростей ω_х, ω_у соответственно.

В состав прибора входят четыре контура межосевой радиальной коррекции, включающих электроды 18-21 и

; усилители 22 - 25; контроллер 26. При этом контроллер 26 предназначен, кроме вышеупомянутых функции, для выполнения операций линеаризации нелинейных функций зависимостей моментов сил коррекции от напряжений, выходы его 27 соединены со входами усилителей 24, 25 (не показаны).

Все токоведущие элементы электрически изолированы. В частности, торцевые электроды на роторе и корпусе крепятся через электроизоляционный слой. Жидкость - маловязкая, химически и физически нейтральная, с большой удельной плотностью. Она предназначена для обеспечения нулевой плавучести и центрирования цилиндрического герметичного ротора в кольцевом зазоре за счет центробежных сил. Для осевого центрирования ротора предназначены торцевые, имеющие разрезы, электроды 13 и 14, например, медные, расположенные на корпусе 2, а также сплошные торцевые, например, медные электроды 11 и 12, расположенные на роторе. Электроды 13 и 14 подключены к источнику СВЧ напряжения U₃. Его частота выбирается такой, что лежит в зарезонансной области амплитудно-частотной характеристики каждой торцевой (левой и правой 5) электрической цепочек R, L, C (Фиг. 9), где С - междуэлектродная емкость. В этом режиме между неподвижным и подвижными электродами возникают силы отталкивания, как у механических пружин, и они центрируют ротор вдоль оси - фиг. 1 и 4. Ротор 1 - составной, герметичный, статически и динамически сбалансированный. Жидкость - приборная, маловязкая, например, марки ПФДМЦГ - 1, плотность 1.82-1.92 г на кубический сантиметр.

Статор асинхронного электродвигателя привода ротора имеет магнитопровод 17, в пазах которого уложена, например, трехфазная обмотка статора, запитываемая от источника трехфазного переменного тока частоты 200-500, Гц. Активная часть ротора 7 - кольцевая, тонкая, омедненная.

Приведем сводку формул, необходимых для обоснования работы прибора.

Силы электростатического взаимодействия электродов определяются общей формулой:

где емкость между электродами выражается формулой:

где U - переменное напряжение,

ε, ε₀ - электрическая проницаемость и электрическая постоянная;

d - расстояние между пластинками;

S - площадь меньшей из пластин.

При отсутствии силовых внешних воздействий на ротор-поплавок он занимает симметричное положение, и все зазоры между кольцевыми электродами одинаковы. Одинаковы между собой также торцевые зазоры. Это обеспечивается за счет подбора материала ротора, плотности, объема и вязкости жидкости - она должна составлять не менее половины объема внутренней полости. При номинальной скорости вращения ротора должны быть обеспечены нулевая плавучесть ротора и его объемная балансировка.

В соответствии со схемой включения измерительной цепочки (фиг. 9) будем иметь для ее силы тока формулу:

где U - СВЧ-напряжение источника напряжения;

С - емкость; S - символ дифференцирования;

R, L, R_x - резисторы регулирования тока и распределенные индуктивность и активное сопротивление элементов схемы фиг. 9. Считая, что U=U_asin ωt, получим в частотно-временной области:

Падение напряжения U_c на электродах:

В зарезонансной области частот фазовый сдвиг ϕ2=-180°, поэтому имеем:

Так как

или

амплитуда напряжения на измерительных электродах равна

Так формируется выходная информация на измерительных электродах. Для каждого электрода будет присваиваться свой индекс, равный номеру его позиции.

- амплитуда переменного напряжения на измерительных электродах. На силовых электродах от подведенного напряжения

развивается сила

Напряжения на измерительных и силовых электродах - различные. Напряжения на силовые торцевые электроды подводятся от источников СВЧ - напряжений постоянной амплитуды, а на силовые электроды радиальной коррекции - от соответствующих СВЧ - усилителей мощности 24, 25.

Для соответствующего номера электрода формулам (1) и (2) придается соответствующий ему индекс. Съем сигналов производится с измерительных электродов

к которым подводится сверхвысокочастотное напряжение зарезонансной частоты для каждой измерительной цепочки с последовательно включенными источником - усилителем СВЧ-напряжения и электроэлементами: индуктивности, резистора и конденсатора, образованного соответствующими электродами. Согласно фиг. 5-7 для указанных выше измерительных электродов по формулам (2) и (4) будем иметь (учитывая соответствующие номера электродов):

Для получения информации об углах имеем следующие формулы для амплитуд напряжений на измерительных электродах для зарезонансной частоты напряжения их питания:

Параметры индуктивности и площади электродов одинаковы, исходные зазоры также одинаковы поэтому, опуская лишние индексы, имеем:

Процесс работы гидродинамического гироскопа.

После подключения напряжений питания ко всем необходимым эектроэлементам ротор 1 устанавливается за счет действия электростатических сил в положение, близкое к исходному. Затем он приводится во вращение с помощью асинхронного электродвигателя. Ротор увлекает во вращение жидкость, и за счет центробежных сил он центрируется в радиальных направлениях. В приборе обеспечена нулевая плавучесть. Если ротор имеет осевое смещение, то за счет сверхвысокочастотного напряжения, подводимого к половинкам двух торцевых неподвижных электродов, при его зарезонансной частоте - для электрических цепочек подключения электродов, между неподвижными и подвижными электродами с каждой стороны ротора возникают встречные силы отталкивания. Они подобны действию механических пружин, и в итоге устанавливают ротор в осевом устойчивом положении при одинаковых торцевых зазорах. За счет действия двух систем радиальной коррекции углы отклонения оси ротора от оси вращения также будут отсутствовать. Картина симметрии изменяется при появлении угловых скоростей поворотов ПО. Если появляется угловая скорость подвижного объекта ω_х, возникает гироскопический момент М_гу=Нω_х, где Н - кинетический момент гироскопа с увлеченной во вращение жидкостью. Он вызывает угловую скорость прецессии -α- вокруг оси ох, за счет которой появляется угол -α. Он преобразуется двумя измерительными парами электродов 19 и

в пропорциональные этому углу напряжения. Напряжения с электродов 19, равное

а также с электродов

равное

подводится к соответствующим входам усилителя 22. В усилителе 22 сигналы суммируются, усиливаются и поступают затем в усилитель мощности 24. Если напряжения непосредственно, с учетом усиления в усилителе мощности, подключить к силовым электродам, то, согласно формуле (6), моменты будут зависеть от квадратов напряжений, т.е. нелинейно. Для исключения этого с помощью контроллера (26) напряжения линеаризуются, усиливаются в усилителе мощности 24 и подводятся к силовым электродам 20 и 20/, развивающим силы F₂₀ и F_20/, а, в итоге, момент сил коррекции Мку. Имеем:

где к₀ - коэффициент усиления усилителя мощности. В установившемся режиме

В контроллере 26 по сигналам с 22 и 24 вырабатывается выходной сигнал по первому компоненту абсолютной угловой скорости ПО

Аналогичные функции выполняют два канала, составленные из элементов 18, 23, 25 и 21, а также элементов

23, 25 и

для определения второго компонента абсолютной угловой скорости ПО ω_у. В итоге имеет место момент сил межосевой радиальной коррекции

В установившемся режиме

В контроллере 26 формируется выходной сигнал по второму компоненту угловой скорости поворотов ПО:

Углы α и β определяются по сигналам информационных датчиков 18,

19,

в контроллере 26 и используются с выходов 27 для линеаризации сигналов с измерительных электродов с помощью контроллера 26, как это описано выше.

Информация (13) и (17) является выходной для прибора.

Claims

Гидродинамический гироскоп, в состав которого входят корпус, полый герметичный ротор, между ротором и корпусом частично залита жидкость, датчики съема угловой информации, электродвигатель привода ротора, отличающийся тем, что корпус установлен неподвижно относительно корпуса подвижного объекта, на роторе-поплавке цилиндрической формы помещен в центральной части электроизолированный, например, помедненный тонкостенный цилиндр, являющийся активной частью асинхронного электродвигателя, напротив него в центральной внутренней части корпуса помещен магнитопровод с обмотками статора электродвигателя привода ротора, с левого и правого торцев ротора нанесены круглые электроизолированые пластины торцевых подвижных электродов, на внутренней части корпуса напротив них размещены два разрезанных по диаметру электрода для осевого центрирования ротора-поплавка, с левого и правого цилиндрических сторон ротора расположены разрезные электроды с двумя диаметральными осевыми, направленными вдоль образующей прорезями, в свою очередь, против кольцевых подвижных разрезных силовых электродов расположены по двум окружностям электроизолированные пластины, составляющие по четыре пары неподвижных электродов межосевой радиальной коррекции, электроды расположены через 90 угловых градусов по окружностям, причем рядом между собой размещены два измерительных, а затем - два силовых электрода, и они строго соответствуют друг другу по четырем образующим цилиндра, при этом одноименные измерительные электроды, расположенные по одной окружности, соединены с соседними силовыми электродами этой же окружности через посредство последовательно соединенных двух блоков линеаризации нелинейностей в составе бортового контроллера, а также усилителя мощности, образуя четыре силовые цепочки, составляющие два контура радиальной коррекции по углам α и β, жидкость заполняет не менее
части внутренней полости прибора, торцевые разрезные электроды подключены параллельно к источнику сверхвысокочастотного напряжения, к другим источникам сверхвысокочастотного напряжения подключены восемь электродов радиальной коррекции, статор электродвигателя соединен с источником трехфазного переменного напряжения для привода во вращение ротора, по четыре пары левых и правых неподвижных силовых электродов соединены через блок электроники с измерительными электродами, образующими датчики углов α и β, используемые в контроллере для определения выходных сигналов по угловым скоростям ω_х, ω_у, вторые выходы измерительных электродов предназначены за счет зазоров на активной части ротора электродвигатели для определения частоты вращения ротора и управления ею с помощью блока электроники.