Гироскопический стабилизатор с контуром управления усилием в опорах гироблока
GYROSCOPIC STABILIZER WITH A FORCE CONTROL LOOP IN THE GYROBLOCK SUPPORTS

Изобретение относится к гироскопическому приборостроению и может быть применено для построения систем стабилизации видеокамер и измерительных приборов.
Известны силовые или индикаторно-силовые гиростабилизаторы [1], состоящие из рамы, с осью стабилизации (осью подвеса) которой кинематически связан стабилизирующий мотор (с редуктором или без редуктора). В раме установлен двухстепенной гироскоп (гироблок), с осью подвеса которого кинематически связаны коррекционный мотор и датчик угла прецессии, выход которого через усилитель стабилизации соединен с входом стабилизирующего мотора. При этом для обеспечения заданных динамических характеристик усилитель содержит интегро-дифференцирующие звенья.
Однако усилитель с корректирующими звеньями, обеспечивая заданные параметры переходных процессов, не позволяет без дополнительных технических средств оценить один из не менее важных параметров - нагрузку на подшипниковые узлы подвеса гироблока - обусловленную действием гироскопического момента и работой стабилизирующего мотора, что приводит к снижению долговечности этих узлов и прибора в целом. Неучет влияния нагрузки может привести также к уменьшению области устойчивости.
Известны силовые гировертикали МГВ-1СУ или МГВ-1СК, применяемые на самолетах и вертолетах [2], имеющие в своем составе два силовых  гиростабилизатора, каждый из которых состоит из рамы, с осью стабилизации (осью подвеса) которой кинематически связан стабилизирующий мотор (с редуктором). В раме установлен двухстепенной гироскоп (гироблок), с осью подвеса которого кинематически связаны коррекционный мотор и датчик углов прецессии, выход которого через усилитель стабилизации или непосредственно соединен с входом стабилизирующего мотора.
В обоих вариантах наличие редуктора между осью подвеса рамы и выходной осью стабилизирующего мотора приводит к увеличению приведенного к оси стабилизации момента электрического демпфирования стабилизирующего мотора, что повышает устойчивость работы, но и создает дополнительные возмущающие моменты относительно оси стабилизации за счет колебаний объекта относительно оси стабилизации. Это приводит к дополнительным динамическим ошибкам. При этом также не контролируются усилия в опорах подвеса гироблока, что снижает их долговечность.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении долговечности и устойчивости работы гиростабилизатора.
Технический результат достигается тем, что в гиростабилизаторе с контуром управления усилием в опорах гироблока, содержащем гироблок, установленный своими полуосями в опорах наружной рамы, при этом с полуосями гироблока кинематически связаны коррекционный мотор и датчик углов прецессии, выход которого по типу отрицательной обратной связи подключен на первый вход усилителя стабилизации, выход которого соединен с входом стабилизирующего мотора, новым является то, что дополнительно введен контур управления усилием, состоящий из  вмонтированных в опоры подвеса  гироблока первой оправки с первым и вторым датчиками усилий и второй оправки с третьим и четвертым датчиками усилий, при этом выходы первого и третьего датчиков усилий  подключены на второй и третий инвертирующие входы усилителя стабилизации, а выходы второго и четвертого датчиков усилий   подключены на четвертый и пятый неинвертирующие входы усилителя стабилизации.
Работа гиростабилизатора поясняется чертежами фиг.1 и фиг.2, на которых представлена кинематическая схема и структурная схема. На фиг.1 и фиг.2 приняты следующие обозначения.
1 - гироблок (гироузел);
2 - наружная рама;
3 - опоры подвеса наружной рамы;
4 - датчик угла прецессии;
5 - усилитель стабилизации;
6 - стабилизирующий мотор;
7 - редуктор;
8 - системный датчик угла;
9 - коррекционный мотор;
10 - полуоси подвеса гироблока;
11 - полуоси подвеса рамы;
12 - опоры подвеса гироблока;
13.1 - первая оправка с датчиками усилий;
13.2 - вторая оправка с датчиками усилий;
14 - первый датчик усилий;
15 - второй датчик усилий;
16 - третий датчик усилий;
17 - четвертый датчик усилий;
угол прецессии гироблока;
угловая скорость прецессии гироблока;
угловое отклонение платформы;
угловая скорость отклонения платформы;
ось подвеса рамы (ось стабилизации);
ось подвеса гиромотора гироблока;
ось подвеса гироблока;
кинетический момент гиромотора гироблока;
усилия, действующие на соответствующие датчики усилий;
напряжение датчика угла прецессии;
напряжения на выходе соответствующих датчиков усилий;
напряжение стабилизирующего мотора;
возмущающий момент;
момент стабилизирующего мотора.
В соответствии с кинематической схемой, представленной на фиг.1, гиростабилизатор состоит из гироблока 1, в котором размещен гиромотор с кинетическим моментом  Гироблок 1 своими полуосями 10 установлен с помощью опор подвеса 12, вмонтированных в первую 13.1 и вторую 13.2 оправки, в наружную раму 2. С полуосями гироблока 1 связаны датчик углов прецессии 4, который измеряет угол прецессии  и коррекционный мотор 9, который можно использовать для управления положением наружной рамы 2 по углу  В первую 13.1 и вторую 13.2 оправки соответственно вмонтированы датчики усилий и , которые на фиг.1 имеют обозначения 14 - 15 и 16 - 17 и, например, могут быть выполнены в виде пьезодатчиков. Наружная рама 2 с помощью полуосей 11 и опор подвеса 3 установлена в корпусе гиростабилизатора. С полуосями 11 с одной стороны через редуктор 7 кинематически соединен стабилизирующий мотор 6, а с другой стороны - системный датчик угла 8.
Формирование контуров управления стабилизирующим мотором 6 поясняется фиг.2, в соответствии с которой вход стабилизирующего мотора электрически соединен с выходом пятивходового усилителя стабилизации 5.
При этом стандартный контур стабилизации включает датчик углов прецессии 4, который через первый вход усилителя стабилизации 5, подключен на вход стабилизирующего мотора 6 по типу отрицательной обратной связи.
Контур управления усилием в опорах подвеса гироблока включает: две оправки, в первую13.1 из которых вмонтированы первый 14 и второй 15, а во вторую 13.2 соответственно третий 16 и четвертый 17 датчики усилий. Датчики усилий в зависимости от действующих усилий  вырабатывают напряжения  подаваемые на второй и третий инвертирующие входы усилителя стабилизации 5, и  подаваемые на четвертый и пятый неинвертирующие входы усилителя стабилизации 5.
Рассмотрим работу основного контура стабилизации и контура управления усилием в опорах подвеса гироблока при действии возмущающего момента по оси стабилизации  При действии возмущающего момента практически одновременно возникают угловая скорость прецессии  гироблока 1 и угол прецессии  При этом угловая скорость прецессии создает гироскопический момент , а по сигналу угла прецессии по типу отрицательной обратной связи формируется момент стабилизирующего мотора
,
где  крутизна датчика угла прецессии 4 и коэффициент усиления   усилителя стабилизации 5 по первому входу;  коэффициент момента и  активное сопротивление обмотки якоря стабилизирующего мотора 6;  передаточное число редуктора 7.
В процессе компенсации  гироскопический момент будет действовать совместно с моментом стабилизирующего мотора, и создавать в опорах подвеса 12 соответствующие усилия,  или , которые не измеряются, но существуют и вызывают повышенные нагрузки на опоры подвеса, что приводит к снижению долговечности опор.
Введение дополнительного конура, построенного на измерении усилий в опорах подвеса гироблока, позволяет управлять усилиями в опорах подвеса гироблока и тем самым снижать нагрузку на опоры при работе основного контура стабилизации. Так как датчики усилия при нагружении их силами от действия моментов по оси наружной рамы выдают сигнал одного знака, то для правильного использования этих сигналов нужно датчики 14 и 16, измеряющие усилия , подключать на второй и третий инвертирующие входы усилителя стабилизации (5), а датчики 15 и 17, измеряющие усилия , подключать на четвертый и пятый неинвертирующие входы усилителя стабилизации (5). При этом напряжение управления на выходе усилителя стабилизации (5) будет иметь вид
,
где  коэффициент крутизны датчика усилий и коэффициент усиления усилителя дополнительного контура.
Так как суммарный момент (гироскопический ), действующий относительно оси наружной рамы создает в динамике усилия в опорах подвеса гироблока одного знака, то для получения напряжений разных знаков в зависимости от знака выражения необходимо правильно подключить датчики усилий  и , о чем указано выше.
Для подтверждения эффективности работы контура управления усилием проведено  моделирование гиростабилизатора с основным контуром и с двумя контурами. В математической модели учитывались инерционные и гироскопические моменты, а также возмущающий момент и момент стабилизирующего мотора, который представлял моментный двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов с учетом электрической постоянной времени обмотки ротора.
Результаты моделирования показали, что введение дополнительного контура, использующего в качестве измерительной информации усилие в опорах гироблока, снижает для гиростабилизатора с конкретными параметрами усилие в опорах гироблока на 20% - 30% и одновременно расширяет область устойчивости.
Источники информации.
1. Бесекерский В.А., Фабрикант Е.А. Динамический синтез систем гироскопической стабилизации / Ленинград: Издательство «Судостроение», 1968. - 351с.
2. Малогабаритная гировертикаль МГВ-1С. Техническое описание и инструкция по эксплуатации / М.: Машиностроение, 1974.