ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП - АКСЕЛЕРОМЕТР

Полезная модель относится к системам ориентации, навигации и управления подвижных объектов (ПО) - самолетов, кораблей и др. - и предназначена для определения двух компонентов вектора абсолютной угловой скорости и трех компонентов кажущегося ускорения ПО. 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 G01C 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 - акселерометра.
Техническим результатом изобретения является создание прибора без вращающегося корпуса (камеры) с приводом ротора-поплавка от асинхронного двигателя, за счет применения электростатического съема сигнала по двум углам, а также применения межосевой радиальной коррекции путем соединения через усилители и микроконтроллер указанных датчиков с электростатическими датчиками силы. Дополнительно введены усилитель торцевого датчика перемещений ротора-поплавка, микропроцессор, внутренняя полость прибора заполнена двумя несмешивающимися жидкостями, применен компенсатор объемного расширения жидкостей, например, в виде сильфона. Все это позволило измерять не только два компонента угловой скорости ПО, но и три компонента кажущегося ускорения.
x
y
Поставленная задача решается за счет того, что гидродинамический гироскоп - акселерометр, в состав которого входят корпус, датчики съема угловой информации, электродвигатель привода ротора, полый герметичный ротор, между ротором и корпусом залита жидкость, в центральной части герметичного корпуса размещен ротор-поплавок цилиндрической формы, представляющий 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, 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, отличительной особенностью является то, что внутренняя полость прибора заполнена двумя несмешивающимися маловязкими жидкостями с возможно большей разницей плотностей, объем менее плотной жидкости должен составлять 30-40% от общего объема жидкостей, ротор-поплавок должен иметь либо остаточную плавучесть, либо выталкивающую силу для создания акселерометра, в конструкции применен компенсатор объемного расширения жидкости, например, в виде сильфона,, в схему обработки сигналов введен усилитель сигнала, его вход соединен с выходом электростатического датчика осевых перемещений ротора-поплавка, а выход - со входом микроконтроллера, в котором предусмотрен элемент схемы по выделению по сигналам датчиков перемещений вдоль осей ох, оу сигналов по углам α и β, а также по поступательным перемещениям вдоль осей ох и оу, сигнала датчика вдоль оси oz перемещений с его усилителем, которые соединены через микроконтроллер с микропроцессором, выходом которого являются два компонента угловой скорости и три компонента кажущегося ускорения подвижного объекта.
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 - жидкости маловязкие;
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, 15' - электроизоляционные части ротора - кольцевые и осевые;
16 - магнитопровод обмотки асинхронного электродвигателя;
17 - сильфон
x
y
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 18'-21'. Каждая из пар левого (фиг. 4) или, что то же самое, верхнего (фиг. 2-5) ряда электродов 18-21 соответствует парам (18'-21') 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 18-18', 19-19' и оценок угловых скоростей ω, ω соответственно. Усилители 22, 23 сверхвысокочастотных напряжений предназначены для определения и усиления сигналов углов α и β по сигналам измерительных электродов 18-18, 19-19 и для выработки сигналов для усилителей мощности 24, 25. Они соединены с силовыми электродами 20-20', 21-21' фиг. 5, служащими для создания моментов сил коррекции.
В состав прибора входят четыре контура межосевой радиальной коррекции, включающих электроды 18-21 и 18'-21'; усилители 22-25, 27; контроллер 26. При этом микроконтроллер 26 предназначен, кроме вышеупомянутых функции, для выполнения операций линеаризации нелинейных функций зависимостей моментов сил коррекции от напряжений, выходы его соединены со входами усилителей 24, 25, 27 (не показаны), для соединения датчиков перемещений с микропроцессором 28. Он служит для определения трех компонентов оценок кажущегося ускорения ПО
э
2
Все токоведущие элементы электрически изолированы. В частности, торцевые электроды на роторе и корпусе крепятся через электроизоляционный прокладку. Жидкости - маловязкие, химически и физически нейтральные, одна - с большой, другая - с малой удельными плотностями. Они предназначены для обеспечения ненулевой плавучести и центрирования цилиндрического герметичного ротора - поплавка 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 U. 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. В то же время вес ротора - поплавка не равен выталкивающей силе вытесненной им жидкости, что сделано для обеспечения свойства реагировать на кажущиеся ускорения. Жидкости, например, а) вода и приборная, маловязкая, марки ПФДМЦГ - 1, плотность 1.82-1.92 г на кубический сантиметр; б) керосин (или вода) - приборная жидкость БЛ - П (плотность 1.9-1.93 г на кубический сантиметр, кинематическая вязкость при 20 град Цельсия 2.5 - 4, мм/с. ТУ 6-01-935-89 з 11.01. 2011 г. 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,
0
ε, ε - 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;
x
a
R, L, R - резисторы регулирования тока и распределенные индуктивность и активное сопротивление элементов схемы фиг. 9. Считая, что U=U sin ωt, получим в частотно-временной области:
c
Падение напряжения U на электродах:
В зарезонансной области частот фазовый сдвиг ϕ2=-180°, поэтому имеем:
0
Так как  или , где D=εεs,
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 12, 13, 18-18', 19-19', 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):
18
z
где d, …, d - начальные зазоры.
Для получения информации об углах и перемещениях имеем следующие формулы для амплитуд напряжений на измерительных электродах для зарезонансной частоты напряжения их питания:
Параметры индуктивностей и площади электродов одинаковы (кроме торцевых), исходные зазоры также одинаковы поэтому, опуская лишние индексы, имеем:
Процесс работы гидродинамического гироскопа
x
гу
х
После подключения напряжений питания ко всем необходимым электроэлементам, ротор-поплавок 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 жидкости он центрируется в радиальных направлениях. В приборе обеспечена ненулевая плавучесть или остаточный вес. 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, возникает гироскопический момент М=Нω, где H - 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 19' в пропорциональные этому углу напряжения. Напряжение с электродов 19, равное
а также с электродов 19', равное
20
20'
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 F и F, а, в итоге, момент сил коррекции Мку. Имеем:
0
где k - 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
y
Аналогичные функции выполняют два канала, составленные из элементов 18, 23, 25 и 21, а также элементов 18', 23, 25 и 21' для определения второго компонента абсолютной угловой скорости ПО ω. 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, 18', 19, 19' в контроллере 26 и используются для линеаризации сигналов с измерительных электродов с помощью контроллера 26, как это описано выше.
Информация (13) и (17) является выходной для угловой скорости для прибора.
Рассмотрим работу его в процессе определения кажущихся ускорений.
z
При появлении кажущегося ускорения W инерционная сила от него сместит ротор-поплавок 1 в отрицательном направлении. За счет этого смещения появится противодействующая электростатическая сила от «электрических пружин» за счет пар торцевых электродов на роторе - поплавке и корпусе 2. По окончании переходного процесса будет наблюдаться равенство сил:
z
z
z
z
где силы левой и правой опор определяются при их идентичности по формуле (6) с учетом выражения для напряжения U=T(d-z)/D из соотношений (9). После выкладок, которые опущены, имеем
z
Здесь K - коэффициент жесткости от действия электростатических сил вдоль оси oz. Остальные коэффициенты выше обозначены, индекс z означает, что эти параметры соответствуют этой оси. Из формулы (18) имеем оценку кажущегося ускорения:
Перемещение z определяется датчиком 13. Может быть применена схема, в которой используются датчики 12 и 13.
В микропроцессоре определяются еще два компонента кажущегося ускорения. Из формул (7)-(9) находим:
Инерционные силы вдоль осей уравновешиваются гидродинамическими силами центрирования за счет вращения ротора - поплавка и жидкостей (см. книгу К.П. Андрейченко «Динамика поплавковых гироскопов и акселерометров», М: Машиностроение, 1987):
Из (22) находим:
x
y
Здесь K, K - коэффициенты жесткости гидродинамического подвеса. Формулы (22), (23) и (20) описывают информацию на выходе микропроцессора 28 о кажущихся ускорениях ПО.
Показано, что прибор определяет пять компонентов первичной инерциальной информации, что является новым, свидетельствует о реализуемости и полезности полезной модели.