БЕСКАРДАННЫЙ ГИРОИНТЕГРАТОР ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ

Полезная модель относится к области точного приборостроения и может быть использована при создании миниатюрных датчиков систем инерциальной навигации и управления подвижными объектами, в которых используется измерение ускорения с целью получения требуемых навигационных параметров.
Известна конструкция гироинтегратора (далее по тексту ГИ) [Одинцов, А.А. Теория и расчет гироскопических приборов / А.А.Одинцов. - Киев: Высшая школа, 1985. - с.342-382], представляющая собой трехстепенный гироскоп в кардановом подвесе со смещенным центром масс гироузла относительно оси его подвеса. Работа такого ГИ предполагает функционирование системы межрамочной коррекции (далее по тексту МРК), обеспечивающей перпендикулярность выходной оси прибора и оси собственного вращения ротора гироскопа. Упомянутая конструкция содержит датчик выходной информации (датчик угла поворота наружной рамы, состоящий из статора, расположенного на корпусе прибора и ротора, расположенного на оси наружной рамы), показания которого пропорциональны интегралу от проекции кажущегося ускорения на входную (выходную) ось. Этот прибор является классическим ГИ, конструктивные варианты реализации которого, а также уравнения движения, их решения и погрешности общеизвестны. В связи со сложной электромеханической схемой указанного классического ГИ, построенного с использованием карданова подвеса, упомянутое техническое решение не обеспечивает возможность миниатюризации и снижения потребляемой мощности.
В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков принят ГИ [Ромашов, В.В., Горский, А.И., Шаргина О.И. Гироинтегратор линейных ускорений // Патент РФ №2097701, G01C 19/02. -1997.], включающий ротор, подвес ротора, обеспечивающий три степени свободы, датчики углов, датчик момента, усилитель, систему МРК и вычислитель. Применение в данной конструкции карданова подвеса создает упомянутые сложности при попытке миниатюризации и снижении потребляемой мощности.
Для приборов, входящих в состав систем управления подвижными объектами, существует тенденция к снижению габаритно-весовых характеристик и потребляемой мощности.
Технической задачей полезной модели является упрощение конструкции ГИ, уменьшение его габаритно-весовых характеристик и потребляемой мощности.
Поставленная техническая задача решается тем, что в заявляемом бескарданном гироинтеграторе линейных ускорений, включающем ротор, подвес ротора с тремя степенями свободы, вычислитель, систему межрамочной коррекции, содержащую усилитель-преобразователь и датчик момента, согласно полезной модели, гироинтегратор выполнен в виде миниатюрного намагниченного ротора сферической формы, размещенного в сферической полости вкладыша корпуса прибора с зазором, составляющим 0,1…0,01 радиуса ротора, причем центр масс ротора смещен вдоль оси его вращения, при этом сферическая полость заполнена маловязкой немагнитной жидкостью, образующей гидроподвес ротора, и охвачена обмотками, расположенными на вкладыше корпуса и соединенными с вычислителем и блоком управления двигателем, при этом синхронизирующие обмотки и сигнальная обмотка, расположенные в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, одновременно соединены со входом вычислителя, выход которого соединен с обмоткой датчика момента и второй рабочей обмоткой, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, параллельных входной оси прибора, причем синхронизирующие обмотки соединены со входом блока управления двигателем, выход которого соединен с рабочими обмотками, а выход вычислителя соединен с индикатором вычисленного кажущегося ускорения.
При этом осевой момент инерции ротора относительно оси его вращения, превышает его экваториальные моменты инерции.
Также число пар полюсов намагниченного ротора в плоскости, перпендикулярной оси вращения, равно трем.
Отличие полезной модели состоит в том, что применение миниатюрного намагниченного ротора сферической формы со смещенным центром масс, размещенного в сферической полости вкладыша корпуса приводит к существенному упрощению конструкции ГИ и к снижению потребляемой мощности.
Смещение центра масс сферического ротора обеспечивается формированием отверстия, проходящего через геометрический центр ротора, и вставкой из материала, плотность которого меньше плотности материала ротора с возможностью регулировки положения этой вставки вдоль оси отверстия. Оставшаяся часть отверстия заливается компаундом, плотность которого меньше плотностей материалов вставки и ротора. Возможность регулировки положения центра масс обеспечивается подбором плотности материала заливки. Это обеспечивает условие максимальности осевого момента инерции вокруг оси вращения ротора по сравнению с его экваториальными моментами инерции. Указанное обстоятельство приводит к определенности положения плоскости полюсов намагниченного ротора. Также определенность положения плоскости полюсов ротора достигается тем, что число пар полюсов его в плоскости, перпендикулярной оси вращения, равно трем.
Прибор заполнен маловязкой немагнитной жидкостью, заполняющей зазор между ротором и сферической полостью вкладыша корпуса и образующей гидроподвес, центрирующий ротор в режиме работы прибора. Таким образом, применение в конструкции заявляемого ГИ гидроподвеса вместо традиционно используемого трехстепенного карданова подвеса обусловливает возможность миниатюризации и снижения потребляемой мощности.
Применение обмоток, соединенных с вычислителем и расположенных на вкладыше корпуса во взаимно перпендикулярных плоскостях (линия пересечения этих плоскостей совпадает с осью вращения ротора), приводит к упрощению конструкции вследствие отсутствия типичных датчиков углов и датчика момента, состоящих из ротора и статора, размещенных по физическим осям (полуосям) карданова подвеса классического ГИ. Для определения углов, измерение которых необходимо для работы прибора в качестве ГИ, используются две синхронизирующие и сигнальная обмотки, расположенные в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и соединенные с вычислителем, осуществляющим обработку сигналов и вычисление угла α прецессии гироскопа вокруг выходной оси и угла β, определяющего неперпендикулярность вектора кинетического момента и входной (выходной) оси и необходимого для работы системы МРК. Выход вычислителя соединен с обмоткой датчика момента системы МРК и рабочей обмоткой. Несмотря на отсутствие в заявляемой конструкции рам карданова подвеса, назначение системы межрамочной коррекции остается таким же, что и в конструкции прототипа - поддержание перпендикулярности вектора кинетического момента и входной (выходной) оси ГИ.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен сборочный чертеж заявляемого ГИ, на фиг.2 - принципиальная схема заявляемого ГИ, на фиг.3, 4 - блок-схема заявляемого ГИ.
На фиг.1-4 обозначены:
1 - ротор;
2 - вкладыш корпуса;
3, 5 - рабочие обмотки;
4, 6 - синхронизирующие обмотки;
7 - обмотка датчика момента;
8 - сигнальная обмотка;
9 - узел гермовводов;
10 - фланец;
11 - крышка корпуса;
12 - мембрана;
13 - вычислитель;
14 - усилитель-преобразователь;
15 - блок управления двигателем;
16 - процессор;
17, 19 - сглаживающие фильтры нижних частот;
18, 20 - умножители;
21 - фазосдвигающее устройство;
1
х - входная (выходная ось) ГИ;
- направление вектора кинетического момента ротора.
Ротор 1 помещен в сферическую полость немагнитного вкладыша 2, охваченного обмотками 3-8 и установленного в корпусе 11. Сферическая полость заполнена маловязкой немагнитной жидкостью, обеспечивающей гидроподвес ротора (фиг.1). Рабочие и синхронизирующие обмотки 3-6 соединены с блоком управления двигателем 15, представляющим собой управляемый источник питания. Синхронизирующие обмотки 4, 6 и сигнальная обмотка 8 соединены с вычислителем 13, выход которого соединен с обмоткой датчика момента системы МРК 7 и рабочей обмоткой 3 и с индикатором вычисленного кажущегося ускорения (на чертеже не указан). Для компенсации температурных изменений объема жидкости в приборе предусмотрен упругий элемент (мембрана) 12.
1
1
Гироинтегратор предлагаемой конструкции работает следующим образом. Разгон ротора со смещенным центром масс до номинальной скорости осуществляется с помощью двух пар рабочих и синхронизирующих обмоток развивающих момент движущих сил и соединенных с блоком управления двигателем. По достижении ротором номинальной скорости рабочая обмотка 3 используется как обмотка датчика момента, а синхронизирующая обмотка 4 используется для получения навигационной информации (фиг.2). Вращение ротора поддерживается за счет управления током, подаваемым в оставшуюся рабочую обмотку 5 с использованием информации синхронизирующей обмотки 6 о частоте вращения ротора. При наличии ускорения объекта в направлении входной оси х прибора возникает сила инерции, которая создает на плече смещения центра масс ротора момент, вызывающий прецессионное движение гироскопа вокруг оси х со скоростью, пропорциональной проекции кажущегося ускорения на входную ось прибора. Для определения углов, измерение которых необходимо для работы прибора в качестве ГИ, используются синхронизирующие обмотки 4, 6, и сигнальная обмотка 8, расположенные в трех взаимно перпендикулярных плоскостях и соединенные с вычислителем. ЭДС, наводимые вращающимся намагниченным ротором в синхронизирующих обмотках 4, 6 и сигнальной обмотке 8, содержат информацию об углах относительных поворотов ротора. После обработки сигналов, снимаемых с синхронизирующих обмоток 4, 6 и с сигнальной обмотки 8, вычисляются углы α и β, при этом угол α является выходной информацией ГИ и используется в системе управления подвижным объектом, а угол β используется для работы системы МРК. Обработка сигналов с указанных обмоток предполагает их демодуляцию с целью выделения низкочастотных составляющих этих сигналов, пропорциональных величинам β и sin α, и вычисление углов α и β с использованием программируемого вычислителя (фиг.3, 4).
Использование предложенного гироинтегратора позволяет существенно упростить конструкцию известного аналога, уменьшить ее габариты и снизить потребляемую мощность. Таким образом, заявляемая конструкция обеспечивает указанный технический результат.