УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ГРЕБЕНЧАТЫМ ДВИГАТЕЛЕМ МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО ДАТЧИКА С РЕЗОНАНСНЫМ ПОДВЕСОМ ДИСКОВОГО РОТОРА

Предлагаемое устройство относится к приборам, измеряющим угловую скорость, в частности к управляющим устройствам этих приборов.
В настоящее время разработаны и широко используются микромеханические устройства, содержащие подвижный механический элемент, электростатический задатчик силы и датчик перемещения подвижного элемента. Такие микромеханические элементы используются в микромеханических акселерометрах, гироскопах, датчиках давления и т.д. (см. В.Я.Распопов Микромеханические приборы. Учебное пособие. Тул.гос. университет., Тула, 2002 г., 392 стр.).
Известны микромеханические гироскопы (ММГ) LL- и RR-типов с гребенчатыми двигателями, описанные в литературе (см., например, М.И.Евстифеев Состояние разработок и перспективы развития микромеханических гироскопов // Навигация и управление движением: Сборник докладов II научно-технической конференции молодых ученых. - СПб.: ЦНИИ «Электроприбор», 2000. - С.54-71., патент США №5025346, свидетельство России на полезную модель №18768). Формирования силы или момента (в случае гироскопов RR-типа) в них осуществляется путем подачи на электроды постоянного и переменного напряжений от устройства управления гребенчатым двигателем. Суммарное напряжение, поступающее на электроды, имеет вид (см. столбец 4 патента США №5025346):
Р
где: U - величина постоянного напряжения;
d
U - амплитуда переменной составляющей;
ω - угловая частота, равная резонансной частоте подвеса ротора.
Недостатком гироскопов с такой формой силового сигнала является то, что в них силовой и измерительный сигналы имеют одинаковую частоту. Поэтому подавление паразитной составляющей измерительного сигнала, обусловленной прохождением силового сигнала в измерительный тракт представляет значительные трудности. Одним из возможных решений этой проблемы является введение изолирующих канавок в гироскопе (см. патент США №6626039), гальванически разделяющих силовые и измерительные цепи. Другое решение описано в патенте США №5530342, которое является наиболее близким по технической сущности и принято за прототип. В нем описан ММГ LL-типа, содержащий устройство управления гребенчатым двигателем, формирующее управляющее напряжение на частоте, равной половине резонансной частоты ротора и усилитель с двумя выходами, подключенными к противоположным статорам. Выходные напряжения усилителя могут быть как синфазными, так и противофазными. Аналогичное решение можно использовать и в ММГ RR-типа, однако, в этом случае только один выход усилителя должен быть подключен только к одному силовому электроду или группе электродов, создающих момент в одном направлении. Это является недостатком, т.к. снижает максимальную величину момента, развиваемого гребенчатым двигателем, амплитуду колебаний дискового ротора и, как следствие, точность ММГ. Возможность повышения момента за счет повышения амплитуды напряжения на выходе усилителя ограничена предельно допустимой величиной межэлектродного напряжения. Если же второй выход усилителя подключить ко второму силовому электроду, создав момент в противоположном направлении, то суммарный момент будет равен нулю.
Задачей, на решение которой направлено изобретение является увеличение момента, развиваемого гребенчатым двигателем микромеханического датчика RR-типа при сохранении высокой
помехоустойчивости, присущей схемам привода с возбуждением на частоте, отличной от резонансной.
Решение указанной задачи достигается тем, что в устройстве управления гребенчатым двигателем микромеханического датчика с резонансным подвесом дискового ротора, содержащем преобразователь кругового перемещения ротора в электрический сигнал, подключенный входом к измерительным электродам датчика, два выходных усилителя, подключенных выходами к силовым электродам датчика, устройство формирования управляющего сигнала на половинной частоте резонанса, включенное между выходом преобразователя кругового вращения ротора и входами выходных усилителей, введено устройство сдвига фазы на 90°, подключенное между выходом устройства формирования управляющего сигнала и входом одного из выходных усилителей.
Основное преимущество предлагаемого изобретения обусловлено введением устройства сдвига фазы на 90°, что позволяет увеличить момент, развиваемый гребенчатым двигателем при сохранении высокой помехоустойчивости.
Заявленная совокупность признаков позволяет увеличить момент, развиваемый гребенчатым двигателем при сохранении высокой помехоустойчивости.
Заявленное устройство поясняется чертежами.
На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства.
На фиг.1 приняты следующие обозначения:
1 - преобразователь кругового перемещения ротора в электрический сигнал;
рез
2 - устройство формирования управляющего сигнала на частоте ω/2;
3 - устройство сдвига фазы на 90°;
4, 5 - выходные усилители.
На фиг.2 приведен упрощенный чертеж одного из возможных гребенчатых двигателей микромеханического датчика с резонансным подвесом дискового ротора.
На фиг.2 приняты следующие обозначения:
6, 8, 12, 14 - статоры, при подаче управляющего напряжения на которые, создаваемый момент направлен против часовой стрелки;
7, 9, 13, 15 - статоры, при подаче управляющего напряжения на которые, создаваемый момент направлен по часовой стрелке;
10 - дисковый ротор;
11 - торсион.
На фиг.3 приведены графики нормированных сигналов на выходах выходных усилителей 4 и 5, а также моментов, создаваемых гребенками статоров и дискового ротора:
4
5
U и U - формы сигналов на выходах выходных усилителей 4 и 5 соответственно;
1
4
М - момент, создаваемый гребенками группы статоров 6, 8, 12, 14 и гребенками дискового ротора 10 при прикладывании к ним напряжения U;
2
5
M - момент, создаваемый гребенками группы статоров 7, 9, 13, 15 и гребенками дискового ротора 10 при прикладывании к ним напряжения U;
12
М - результирующий момент, действующий на дисковый ротор 10.
рез
рез
Устройство управления гребенчатым двигателем микромеханического датчика с резонансным подвесом дискового ротора содержит преобразователь кругового перемещения ротора в электрический сигнал 1, выход которого соединен со входом устройства 2 - устройства формирования управляющего сигнала на частоте ω/2, выход устройства формирования управляющего сигнала на частоте ω/2 соединен со входом выходного усилителя 5 и входом устройства 3 - устройства сдвига фазы на 90°, выход устройства сдвига фазы на 90° соединен с входом выходного усилителя 4.
Устройство работает следующим образом: при угловых перемещениях дискового ротора 10, подвешенного на торсионах 11, изменяется емкость
рез
рез
рез
рез
рез
2
конденсатора, образованного гребенкой дискового ротора 10 и статорами 6-9, 12-15. Это изменение емкости преобразователь кругового перемещения ротора в электрический сигнал 1 преобразует в напряжение, в частности, в случае периодических колебаний дискового ротора 10 на резонансной частоте ω преобразуются в переменное напряжение, частота которого равна частоте колебаний дискового ротора 10. В качестве устройства 1 могут использоваться известные преобразователи емкости в напряжение, в частности, микросхема MS3110. Это переменное напряжение частоты ω с выхода устройства 1 поступает на вход устройства 2 - устройства формирования управляющего сигнала на частоте ω/2, которое из входного сигнала частоты ω формирует напряжение частоты ω/2. В качестве устройства 2 могут использоваться известные схемы деления частоты пополам. Выходное напряжение устройства 2 U поступает на вход выходного усилителя 5 и вход устройства 3 - устройства сдвига фазы на 90°, сигнал с выхода которого поступает на вход выходного усилителя 4. Отметим, что в качестве устройства 3 могут использоваться известные схемы сдвига фазы на RC-элементах или схемы интеграторов на операционных усилителях. После описанных преобразований напряжения на выходах усилителей 4 и 5 имеют вид:
4
5
1
2
4
5
Напряжение U с выхода выходного усилителя 4 поступает на группу статоров 6, 8, 12, 14. Напряжение U с выхода выходного усилителя 5 поступает на группу статоров 7, 9, 13, 15. Напряжение на каждый статор приложено относительно дискового ротора 10. Моменты М и М, создаваемые гребенками групп статоров и дискового ротора 10, пропорциональны квадрату приложенных к гребенкам напряжений U и U:
1
2
12
Как видно из фиг.3 создаваемые статорами 6, 8, 12, 14 и статорами 7, 9, 13, 15 моменты М и М, действуя на дисковый ротор 10 в противоположных направлениях, изменяются в противофазе. Это обеспечивает увеличение результирующего момента М действующего на дисковый ротор 10 в два раза по сравнению с прототипом.