RU2308680C2

RU2308680C2 - Gyroscope

Info

Publication number: RU2308680C2
Application number: RU2005137296/28A
Authority: RU
Inventors: Андрей Александрович Гуськов (RU); Андрей Александрович Гуськов; Анатолий Михайлович Макаров (RU); Анатолий Михайлович Макаров; знов Евгений Алексеевич Гр (RU); Евгений Алексеевич Грязнов; Лариса Евгеньевна Уракова (RU); Лариса Евгеньевна Уракова
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2007-10-20
Also published as: RU2005137296A

Abstract

FIELD: instrument industry.

SUBSTANCE: gyroscope comprises housing (1) that receives the gyroscopic motor having stator (2) with coils and rotor (3) mounted on spherical ball bearing (4) provided with a ring space with arc-shaped coils (8) of the moment pickups rigidly connected with housing (1). Rotor (3) is provided with ring magnetic circuit (6) of U-shaped cross-section and permanent magnets (7) of the moment pickups arranged in front of the top part of coils (8). According to the second version, rotor (3) has two ring magnetic circuits and two rows of permanent magnets of moment pickups. One row lies in front of the top part of coils (8), and the other row is in front of the bottom part of coils (8).

EFFECT: improved design.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретения относятся к приборостроению и могут использоваться при создании бескарданных гироскопов на сферической шарикоподшипниковой опоре, которые могут применяться, например, в качестве чувствительных элементов гиростабилизаторов или двухканальных измерителей угловой скорости.The invention relates to instrumentation and can be used to create gimballess gyroscopes on a spherical ball bearing, which can be used, for example, as sensitive elements of gyrostabilizers or two-channel angular velocity meters.

Известен гироскоп [1], содержащий корпус, гиромотор, карданов подвес, датчики угла и датчики момента, повернутые относительно друг друга на 90° вокруг продольной оси гироскопа.Known gyroscope [1] containing a housing, a gyromotor, cardan suspension, angle sensors and torque sensors, rotated relative to each other by 90 ° around the longitudinal axis of the gyroscope.

Основным недостатком данного гироскопа является наличие карданова подвеса, что обуславливает значительный дрейф гироскопа из-за необходимости применения токоподводов для подачи электропитания на обмотки гиромотора, датчиков угла и датчиков момента и шарикоподшипников - для обеспечения вращения рамок карданова подвеса. Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является гироскоп [2], содержащий корпус с герметично закрывающейся крышкой, гиромотор, ротор на сферической шарикоподшипниковой опоре, датчики угла взаимоиндуктивного типа и электромагнитные датчики момента. Статор гиродвигателя состоит из двух шихтованных пакетов, разделенных между собой немагнитным элементом, и обмотки, витки которой охватывают оба пакета. Обмотка гиродвигателя кроме основной своей функции выполняет функцию первичной обмотки взаимоиндуктивного датчика угла. Вторичные обмотки датчиков угла намотаны раздельно на каждом пакете, причем каждая пара обмоток геометрически сдвинута относительно друг друга на 90 градусов, что позволяет производить измерения по двум осям. Датчики момента конструктивно выполнены аналогично с датчиками угла и геометрически сдвинуты относительно них на 180 градусов. Недостатком данного гироскопа является нелинейная (квадратичная) характеристика датчика момента, не позволяющая его применение в качестве чувствительного элемента гиростабилизатора или двухканального измерителя угловой скорости без использования дополнительных вычислительных устройств, линеаризующих статическую характеристику датчика момента.The main disadvantage of this gyroscope is the presence of a cardan suspension, which leads to a significant drift of the gyroscope due to the need to use current leads to supply power to the windings of the gyromotor, angle sensors and torque sensors and ball bearings to ensure rotation of the frames of the cardan suspension. The closest in technical essence to the claimed device is a gyroscope [2], comprising a housing with a hermetically sealed cover, a gyromotor, a rotor on a spherical ball bearing, angle sensors of a mutually inductive type and electromagnetic torque sensors. The stator of the gyrodrive consists of two burst packages, separated by a non-magnetic element, and a winding, the turns of which cover both packages. The gyro motor winding, in addition to its main function, performs the function of the primary winding of a mutually inductive angle sensor. The secondary windings of the angle sensors are wound separately on each package, with each pair of windings geometrically shifted relative to each other by 90 degrees, which allows measurements on two axes. The torque sensors are structurally made similarly to angle sensors and are geometrically shifted 180 degrees relative to them. The disadvantage of this gyroscope is the nonlinear (quadratic) characteristic of the torque sensor, which does not allow its use as a sensitive element of a gyrostabilizer or a two-channel angular velocity meter without the use of additional computing devices that linearize the static characteristic of the torque sensor.

Задачей, на решение которой направлены изобретения, является снижение аппаратных затрат при использовании предложенного гироскопа, например в качестве чувствительного элемента гиростабилизатора, за счет исключения дополнительных вычислительных устройств, необходимых для линеаризации статической характеристики датчика момента гироскопа.The problem to which the invention is directed is to reduce hardware costs when using the proposed gyroscope, for example, as a sensitive element of the gyrostabilizer, by eliminating additional computing devices necessary to linearize the static characteristics of the gyroscope moment sensor.

Поставленная задача для первого варианта гироскопа, содержащего корпус с расположенным внутри него гиромотором, включающим статор с катушками и ротор на сферической шарикоподшипниковой опоре, взаимоиндуктивные датчики угла и датчики момента, решается за счет того, что в роторе выполнена кольцевая полость, в которой расположены дугообразные катушки датчиков момента, жестко связанные с корпусом гироскопа, а на роторе расположены кольцевой магнитопровод П-образного сечения и постоянные магниты датчиков момента, расположенные напротив верхней части катушек. Второй вариант гироскопа отличается от первого тем, что на роторе расположены два кольцевых магнитопровода и два ряда постоянных магнитов датчиков момента, причем один ряд расположен напротив верхней части катушек, а другой ряд - напротив нижней части катушек, при этом линии намагниченности одного ряда направлены к центру гироскопа, а другого - в противоположную сторону.The task for the first version of the gyroscope, comprising a housing with a gyromotor located inside it, including a stator with coils and a rotor on a spherical ball bearing, mutually inductive angle sensors and torque sensors, is solved due to the fact that the rotor has an annular cavity in which arcuate coils are located torque sensors, rigidly connected with the gyroscope case, and on the rotor there is an annular U-shaped magnetic core and permanent magnets of torque sensors located opposite to top of the coils. The second version of the gyroscope differs from the first one in that there are two annular magnetic circuits and two rows of permanent magnets of torque sensors on the rotor, with one row opposite the top of the coils and the other row opposite the bottom of the coils, with the magnetization lines of one row facing the center a gyroscope, and the other in the opposite direction.

К существенным отличиям предложенного гироскопа по сравнению с известным является особая конструкция датчика момента, которая позволяет реализовать линейную зависимость создаваемого момента от тока управления, а не квадратичную, как в устройстве-прототипе.Significant differences of the proposed gyroscope compared to the known one is the special design of the torque sensor, which allows you to realize a linear dependence of the created moment on the control current, rather than quadratic, as in the prototype device.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 представлен вид первого варианта предложенного гироскопа сбоку в разрезе; на фиг.2 - вид первого варианта в сечении по линии А-А фиг.1; на фиг.3 представлен вид второго варианта предложенного гироскопа сбоку в разрезе, а на фиг.4 - второго варианта в сечении по линии Б-Б фиг.3.In Fig.1 presents a view of the first variant of the proposed gyroscope in side view in section; figure 2 is a view of the first option in cross section along the line aa of figure 1; figure 3 presents a view of the second variant of the proposed gyroscope in side sectional view, and figure 4 is a second variant in section along the line BB of figure 3.

На фиг.2 и 4 статор 2, ротор 3 и сферическая опора 4 условно не показаны.In figure 2 and 4, the stator 2, the rotor 3 and the spherical support 4 are conventionally not shown.

В предложенной предпочтительной реализации гироскопа по первому варианту он содержит корпус 1, гиромотор, включающий статор 2 с катушками и ротор 3 на сферической шарикоподшипниковой опоре 4, датчики 5 угла и датчики момента в виде кольцевого магнитопровода 6 П-образного сечения и подвижных постоянных магнитов 7, закрепленных на роторе 3, и четырех неподвижных дугообразных катушек 8, жестко связанных с корпусом гироскопа.In the proposed preferred implementation of the gyroscope according to the first embodiment, it comprises a housing 1, a gyromotor, including a stator 2 with coils and a rotor 3 on a spherical ball bearing 4, angle sensors 5 and torque sensors in the form of an annular magnetic circuit 6 of a U-shaped cross section and movable permanent magnets 7, fixed on the rotor 3, and four fixed arcuate coils 8, rigidly connected to the gyroscope body.

В роторе гироскопа выполнена кольцевая полость П-образного сечения, в которой закреплен магнитопровод 6. На магнитоповоде 6 расположен один ряд, например, из девяти постоянных магнитов 7, линии намагниченности которых направлены в одном направлении (к центру или от центра). Неподвижные дугообразные катушки 8 закреплены на корпусе гироскопа и расположены в П-образной полости ротора таким образом, что верхняя часть намотки катушки размещена напротив ряда постоянных магнитов 7. Датчики 5 угла выполнены, например, в виде четырех П-образных сердечников, размещенных на корпусе 1 гироскопа попарно вдоль измерительных осей гироскопа. На каждом сердечнике датчиков 5 угла расположены две катушки: возбуждения и съема сигнала. Подвижным элементом датчиков 5 угла является кольцо 9 из магнитного материала, располагаемое на роторе 3 гироскопа. Такая конструкция датчиков 5 угла позволяет производить измерения по двум осям. Сигнальные катушки датчиков 5 угла каждого из двух измерительных каналов включены последовательно встречно так, что наводимые в них ЭДС вычитаются.An annular cavity of a U-shaped cross-section is made in the gyroscope rotor, in which the magnetic circuit 6 is fixed. On the magnetic circuit 6 there is one row, for example, of nine permanent magnets 7, the magnetization lines of which are directed in one direction (to the center or from the center). Fixed arcuate coils 8 are mounted on the gyroscope body and are located in the U-shaped cavity of the rotor so that the upper part of the coil winding is placed opposite a number of permanent magnets 7. The angle sensors 5 are made, for example, in the form of four U-shaped cores placed on the housing 1 a gyroscope in pairs along the measuring axes of the gyroscope. On each core of the angle sensors 5 there are two coils: excitation and signal pickup. The movable element of the angle sensors 5 is a ring 9 of magnetic material located on the rotor 3 of the gyroscope. This design of the angle sensors 5 allows measurements on two axes. The signal coils of the angle sensors 5 of each of the two measuring channels are connected in series with each other so that the emf induced in them are subtracted.

Гироскоп работает следующим образом. В нулевом положении в силу симметрии выходной сигнал с датчиков 5 угла отсутствует. В режиме измерения при наличии угловой скорости, например, относительно оси Y корпус 1 гироскопа начнет разворачиваться относительно этой оси, а ротор 3 будет стремиться сохранить неизменным в инерциальном пространстве направление вектора кинетического момента. Зазоры между магнитным кольцом 9 и торцевыми поверхностями сердечников датчика 5 угла изменятся, и на выходе датчика 5 угла появится сигнал, амплитуда которого пропорциональна измеряемому углу, а фаза определяет знак углового перемещения. Данный сигнал выпрямляется и подается в катушки 8 датчика момента по оси Z. За счет эффекта силового взаимодействия тока, протекающего в катушках 8, и поля постоянных магнитов 7 создается момент, стремящийся развернуть ротор 3 относительно оси Z, при этом ротор 3 по правилу прецессии будет поворачиваться относительно оси Y, стремясь уменьшить до нуля рассогласование на датчике 5 угла. Катушки 8 датчиков момента по каждой из осей, расположенные напротив друг друга, включены таким образом, что при протекании в них тока создаваемые моменты складываются. Мерой угловой скорости является ток в катушках 8 датчика момента. При вращении ротора 3 индукция магнитного поля в воздушном зазоре остается в среднем постоянной, статическая характеристика гироскопа при этом является линейной:The gyroscope works as follows. In the zero position, due to symmetry, the output signal from the angle sensors 5 is absent. In the measurement mode, if there is an angular velocity, for example, relative to the Y axis, the gyroscope body 1 will begin to turn around this axis, and the rotor 3 will tend to keep the direction of the kinetic moment vector unchanged in inertial space. The gaps between the magnetic ring 9 and the end surfaces of the cores of the angle sensor 5 will change, and a signal will appear at the output of the angle sensor 5, the amplitude of which is proportional to the measured angle, and the phase determines the sign of the angular displacement. This signal is rectified and supplied to the coils 8 of the torque sensor along the Z axis. Due to the effect of the force interaction of the current flowing in the coils 8 and the field of permanent magnets 7, a moment is created that tends to rotate the rotor 3 relative to the Z axis, while the rotor 3 according to the precession rule rotate about the Y axis, trying to reduce to zero the mismatch on the angle sensor 5. Coils 8 of the torque sensors along each of the axes, located opposite each other, are turned on in such a way that when current flows through them, the generated moments are added. A measure of angular velocity is the current in the coils 8 of the torque sensor. When the rotor 3 rotates, the magnetic field induction in the air gap remains constant on average, the static characteristic of the gyroscope is linear:

где ω - измеряемая угловая скорость,where ω is the measured angular velocity,

М_дм - момент, создаваемый датчиком момента,M _dm - the moment created by the torque sensor,

Н - кинетический момент ротора 3 гироскопа,N is the kinetic moment of the rotor 3 of the gyroscope,

В_ср - среднее значение индукции магнитного поля в воздушном зазоре,In _cf - the average value of the magnetic field induction in the air gap,

w - число витков одной катушки 8 датчика момента,w is the number of turns of one coil 8 of the torque sensor,

l_а - длина одной активной части катушки 8,l _a - the length of one active part of the coil 8,

i - ток в катушках 8 датчика момента.i - current in the coils 8 of the torque sensor.

При использовании гироскопа в качестве чувствительного элемента гиростабилизатора в режиме управления при необходимости разворота гироплатформы, например, относительно оси Y управляющий сигнал подается в катушки 8 датчика момента по оси Z. Создается момент, стремящийся развернуть ротор 3 относительно оси Z, при этом ротор 3 по правилу прецессии будет поворачиваться относительно оси Y. На выходе датчика 5 угла Y появится сигнал, который выпрямляется и подается, например, на двигатель разгрузки, разворачивающий платформу, таким образом, чтобы уменьшить до нуля рассогласование на датчике 5 угла. При этом обеспечивается линейность закона управления:When using the gyroscope as a sensitive element of the gyrostabilizer in the control mode, if the gyro platform is required to be rotated, for example, relative to the Y axis, the control signal is supplied to the coil 8 of the torque sensor along the Z axis. A moment is created that tends to rotate the rotor 3 relative to the Z axis, while the rotor 3 according to the rule the precession will be rotated about the Y axis. At the output of the Y-angle sensor 5, a signal will appear that is rectified and fed, for example, to the unloading motor, which unfolds the platform, so that reduce to zero the mismatch on the angle sensor 5. This ensures the linearity of the control law:

где ω_упр - скорость управления,where ω _CPR - _control speed,

i_упр - управляющий сигнал (ток в катушках датчика момента).i _control - control signal (current in the coils of the torque sensor).

Во втором варианте гироскопа (фиг.3, 4) на роторе 3 в полости П-образного сечения закреплены два магнитопровода 6 и 10. На магнитоповоде 6 расположены два ряда постоянных магнитов 7 датчиков момента, например, из девяти магнитов 7 каждый, при этом линии намагниченности одного ряда направлены к центру гироскопа, а другого - от центра. Четыре неподвижные дугообразные катушки 8 закреплены на корпусе 1 гироскопа и расположены в П-образной полости ротора 3 таким образом, что верхняя часть намотки катушки 8 размещена напротив одного ряда постоянных магнитов 7, а нижняя часть - напротив другого.In the second version of the gyroscope (Figs. 3, 4), two magnetic cores 6 and 10 are fixed on the rotor 3 in the cavity of the U-shaped cross-section. Two rows of permanent magnets 7 of the torque sensors are located on the magnetic core 6, for example, of nine magnets 7 each, with lines The magnetizations of one row are directed toward the center of the gyroscope, and the other from the center. Four stationary arcuate coils 8 are mounted on the gyroscope body 1 and are located in the U-shaped cavity of the rotor 3 so that the upper part of the coil 8 is placed opposite one row of permanent magnets 7, and the lower part is opposite the other.

За счет такого расположения увеличивается рабочая длина каждой катушки 8, и, следовательно, увеличивается крутизна характеристики датчика момента. При этом зависимость скорости управления от тока в катушках 8 датчика момента остается линейной, а скорость управления по сравнению с рассмотренной выше конструкцией при прочих равных параметрах увеличивается в два раза:Due to this arrangement, the working length of each coil 8 is increased, and, therefore, the slope of the torque sensor characteristic is increased. In this case, the dependence of the control speed on the current in the coils 8 of the torque sensor remains linear, and the control speed in comparison with the design considered above, ceteris paribus, doubles:

Таким образом, в сравнении с прототипом использование предлагаемого устройства в качестве чувствительных элементов гиростабилизаторов обеспечивает линейный закон управления без применения дополнительных вычислительных устройств.Thus, in comparison with the prototype, the use of the proposed device as sensitive elements of gyrostabilizers provides a linear control law without the use of additional computing devices.

Claims

1. A gyroscope containing a housing with a gyromotor located inside it, including a stator with coils and a rotor on a spherical ball bearing, mutually inductive angle sensors and torque sensors, characterized in that the rotor has an annular cavity in which arc-shaped coils of torque sensors are located, rigidly connected with the gyroscope case, and on the rotor there is an annular U-shaped magnetic core and permanent magnets of torque sensors located opposite the upper part of the coils.

2. A gyroscope containing a housing with a gyromotor located inside it, including a stator with coils and a rotor on a spherical ball bearing, mutually inductive angle sensors and torque sensors, characterized in that the rotor has an annular cavity in which arcuate coils of torque sensors are located, rigidly connected with the gyroscope case, and on the rotor there are two annular magnetic circuits and two rows of permanent magnets of torque sensors, with one row located opposite the top of the coils, and the other row opposite willow in the lower part of the coils, while the magnetization lines of one row are directed to the center of the gyroscope, and the other in the opposite direction.