ГИРОСКОП-АКСЕЛЬРОМЕТР С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ ПОДВЕСОМ РОТОРА

Полезная модель относится к области приборостроения и может быть использована в системах ориентации, навигации и управления таких подвижных объектов, как самолет, корабль, автомобиль, микроробот и другие, где требуется информация об угловых скоростях и кажущихся ускорениях. Особенность прибора состоит в том, что он является микромеханическим роторного типа.
Уровень техники в данной области характеризуется следующими техническими решениями.
ζ
Известен микромеханический гироскоп (ММГ), разработанный в лаборатории им. Дрейпера Массачусетского технологического института США [1]. Он является гироскопом камертонного типа и представляет собой две вибрирующие массы, подвешенные на двух гибких опорах. Это камертон с верхней и нижней ножками (торсионами). Закрепленные массы вибрируют под действием электростатических датчиков силы гребенчатой структуры во взаимно-встречных направлениях, т.е. совершают плоские противофазные колебания. При наличии измеряемой угловой скорости ω вокруг оси торсионов рамка с чувствительными массами под действием сил Кориолиса начинает совершать угловые колебания относительно корпуса, а также вокруг оси торсионов. Эти колебания измеряются с помощью емкостных датчиков перемещений, расположенных под чувствительными массами. Амплитуда измеренных колебаний пропорциональна величине измеряемой угловой скорости, а фаза определяет знак этой скорости.
Известна также конструкция [2] микромеханического гироскопа с чувствительным элементом в виде кольца, закрепленного с помощью растяжек на центральной стойке, связанной с корпусом через упругие элементы. С помощью электростатических датчиков силы кольцо приводится в колебательное движение вокруг оси растяжек. Для съема информации используется емкостный преобразователь.
3
-4
Недостатком обоих микромеханических гироскопов является недостаточно высокая точность из-за малой величины кинетического момента, что объясняется тем, что чувствительные элементы совершают не вращательное, а колебательные движения. В силу этого амплитудное значение кинетического момента составляет величины 10-10 гс⋅см⋅с. Поэтому повышение точности этого класса гироскопов достигается за счет снижения возмущающих воздействий, а осуществление этой меры требует больших конструктивных и технологических затрат.
Известен микромеханический гироскоп [3], в котором дисковый микроротор, выполненный в виде статически и динамически сбалансированной круглой пластины с отверстиями, его диаметр может лежать в пределах от нескольких десятков микрометров до единиц миллиметров при толщине от единиц до десятков микрометров, совершает непрерывное вращательное движение в неконтактном (электростатическом) подвесе.
Преимуществом такого устройства является возможность обеспечения при сравнимых с вибрационными микрогироскопами размерах значительно большей (на несколько порядков) величины кинетического момента, благодаря чему предоставляется возможность существенного повышения точности микрогироскопа.
Недостатками данного устройства, принятого за прототип предлагаемого изобретения, является применение позиционной коррекции, которая обеспечивает долгий переходный процесс, что приводит к увеличению времени готовности, а, следовательно, и ухудшению динамических характеристик прибора.
Задачей настоящей полезной модели является усовершенствование схемы и конструкции микромеханического гироскопа с электростатическим подвесом, путем добавления в схему прибора двух контуров радиальной коррекции, в результате чего улучшились динамические характеристики прибора.
Технический результат заключается в применении радиальной коррекции наряду с позиционной, что существенно сокращает время готовности прибора, а также улучшает динамические характеристики прибора. Разработанный прибор более технологичен, чем существующие ММГ. В данном гироскопе-акселерометре применен новый тип электродвигателя с электростатическим приводом.
доп
доп
доп
доп
доп
доп
доп
доп
Поставленная задача решается за счет того, что гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора содержит статически и динамически сбалансированный ротор в виде круглой пластины с отверстиями, имеющий электропроводящие части и окруженный статорами, в состав которых входит торцевой, нижний и верхний планарные статоры подвеса, а также нижний и верхний статоры вращающего момента, при этом торцевой статор подвеса состоит из четного числа плоских электродов, расположенных в экваториальной плоскости ротора по окружности и закрепленных в боковых стенках нижней электроизолирующей втулки, укрепленной в корпусе, нижний и верхний одинаковые планарные статоры подвеса, каждый выполненный в виде четного числа плоских электродов, расположенных по окружности и закрепленных в нижней и верхней электроизолирующих втулках, причем последняя укреплена в крышке гироскопа-акселерометра, кроме того, нижний и верхний планарные статоры вращающего момента, закрепленные в нижней и верхней электроизолирующих втулках, состоящих из плоских электродов, соединены в три секции, так что в каждую секцию входят электроды, расположенные через два соседних на третий, секции соединены с тремя фазами источника переменного тока, в состав устройства входит схема обработки информации, содержащая измерительные цепочки. Кроме того, в конструкцию введены 8 дополнительных электродов, представляющие собой тонкие металлический площадки, которые могут быть выполнены фотолитографическим способом на электроизолирующих нижней и верхней втулках, расположенных на внутренней поверхности корпуса прибора, и 8 усилителей, а также по 2 контроллера на измерение углов α и β, которые в совокупности образуют два контура радиальной коррекции вдоль измерительных осей OX и ОУ, включающие в себя три пары электродов с положительными координатами и три пары электродов с отрицательными координатами первой измерительной оси I (е2, е4 и е2', е4'), расположенные в плоскости Oξη, последовательно соединенные с входами контроллеров по углу α и входами устройства управления разностью электрических потенциалов (устройство обработки информации), а также три пары электродов с положительными координатами и три пары электродов с отрицательными координатами второй измерительной оси II (е1, е3 и е1', е3'), расположенные в плоскости Oξη, последовательно соединенные с входами контроллеров по углу β и входами устройства управления разностью электрических потенциалов (устройство обработки информации), причем каждый контроллер имеет два выхода, на которых происходит формирование сигнала, пропорционального углу поворота (изменение положения) ротора, который в свою очередь через усилители попадает на силовые электроды, которые вызывают прецессию, в результате которой происходит радиальная коррекция и ротор возвращается в нулевое положение.
η
ξ
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами: фиг. 1 - конструктивная схема электростатического микромеханического гироскопа-акселерометра, фиг. 2 - схема электрическая функциональная, фиг. 3 - схема электрическая комбинированная, фиг. 4 - схема питания статоров электродвигателя привода ротора, фиг. 5 - расположение измерительных и силовых планарных электродов, обеспечивающих радиально-позиционную коррекцию, фиг. 6 - Перемещения ротора при действии ускорения  и угловой скорости ω, фиг. 7 - Перемещения ротора при действии ускорения  и угловой скорости ω, фиг. 8 - Переходный процесс по изменению координат x и y при поступательном движении, фиг. 9 - Переходный процесс по изменению углов α и β с применением радиально-позиционной коррекции, фиг. 10 - Переходный процесс по изменению углов α и β с применением позиционной коррекции.
доп
доп
доп
доп
доп
доп
доп
доп
ц
доп
На чертежах приняты следующие обозначения: 1 - динамически симметричный плоский ротор; 2 - торцевой статор подвеса; 3 - плоские электроды торцевого статора подвеса 2; 4 - корпус прибора; 5 - крышка прибора; 6 - крепежная поверхность; 7 - юстировочная канавка; 8 - нижняя изолирующая втулка; 9 - верхняя изолирующая втулка; 10, 10' - нижний и верхний статоры подвеса; 11, 11' - нижний и верхний статоры электродвигателя привода ротора; 12, 12' - электроды нижнего статора подвеса 10 и верхнего статора подвеса 10'; 13 (13а, 13b, 13с…), 13' (13'а, 13'b, 13'c…) - электроды нижнего статора 11 и электроды верхнего статора 11' электродвигателя привода ротора; 14 - отверстия на роторе 1, необходимые для обеспечения условий создания вращающего момента; 15 -источник трехфазного напряжения для разгона ротора до номинальной скорости вращения; е1, е2, е3, е4 и е1', е2', е3', е4' - пара дополнительных электрически изолированных силовых сегментных электродов силовой цепочки верхнего и нижнего планарного статора подвеса; 16, 20, 24, 28, 16', 20', 24', 28' - дроссель, входящий в состав силовой цепочки; 17, 21, 25, 29, 17', 21, 25', 29' - эталонный резистор, входящий в состав силовой цепочки; 18, 22, 26, 30, 18', 22', 26', 30' - источник высокочастотного напряжения; 19, 23, 27, 31, 19', 23', 27', 31' - резистор, являющийся эквивалентом активного сопротивления дросселя 16, 20, 24, 28, 16', 20', 24', 28'; 32 - устройство обработки информации; 33, 34, 35, 36, 33', 34', 35', 36' - усилители тока с большим выходным сопротивлением; 37 и 40 - контроллер по углу α; 38 и 39 - контроллер по углу β; На фиг. 6 и 7 приняты следующие обозначения:  - система координат, связанная с объектом; 0 - центр подвеса ротора; О - центр масс ротора; 1 - ротор; ,  - левые верхние и нижние электроды (их по 4); ,  - правые верхние и нижние электроды (их по 4); е - дополнительные электроды, необходимые для функционирования радиальной коррекции (их 8); ,  - смещения точек ротора при повороте на угол α, β ;  - смещение ротора под действием инерциальной силы -  от кажущегося ускорения ; ,  - смещения точек ротора относительно его исходного положения по отношению к левому нижнему и левому верхнему электроду; ,  - смещение ротора относительно его исходного положения по отношению к правому нижнему и правому верхнему электроду; α, β - углы поворота ротора относительно корпуса прибора, на котором расположены неподвижные электроды ; у, -у и x, -x - экваториальные оси ротора.
Изображенный на фиг. 1 микромеханический гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора содержит динамически симметричный ротор 1, полностью выполненный из электропроводящего материала. Ротор 1 является плоским, выполненным в виде статически и динамически сбалансированной круглой пластины с отверстиями.
ξ
η
В экваториальной плоскости ротора 1 расположен торцевой статор подвеса 2, состоящий из четного числа одинаковых плоских торцевых электродов 3, расположенных в экваториальной плоскости ротора по окружности, предназначенных для создания электростатических сил для удержания ротора 1 вдоль осей 0 и 0, связанных с корпусом 4 устройства.
ξ
η
Крышка 5 вместе с корпусом 4 обеспечивают герметичность внутренней полости устройства. Крепежные поверхности 6 вместе с юстировочной канавкой 7 обеспечивают совмещение измерительных осей 0, , 0 устройства с соответствующими строительными осями подвижного объекта (ПО), на котором устройство устанавливается. Плоские электроды 3 статора 2 закреплены в боковых стенках нижней изолирующей втулки 8. В крышке 5 имеется верхняя электрически изолирующая втулка 9, имеющая одинаковый внутренний диаметр с диаметром нижней втулки 8. С внутренними плоскими частями нижней и верхней втулок 8, 9 соединены нижний и верхний 10 и 10' соответственно одинаковые планарные статоры подвеса, а также нижний и верхний 11 и 11' соответственно статоры электродвигателя привода ротора. Статоры имеют одинаковую планарную конструкцию, состоят из четного числа плоских электродов 12 нижнего статора подвеса 10 и таких же электродов 12' верхнего статора 10' (на виде в плане (сечение ВВ) не показаны), а также из электродов 13 (13а, 13b, 13с,…) нижнего статора 11 электродвигателя привода ротора. Такие же электроды, являющиеся зеркальным отображением нижних относительно плоскости 0ξη, входят в состав верхнего статора 11' электродвигателя привода ротора.
доп
доп
доп
доп
доп
доп
доп
доп
доп
доп
доп
доп
доп
доп
доп
доп
В конструкцию введены 8 дополнительных электродов е1, е2, е3, е4 и е1', е2', е3', е4' -, представляющие собой тонкие металлический площадки, которые также как электроды 3 статора 2 и статоры планарной конструкции 10, 10', 11, 11' могут быть выполнены фотолитографическим способом на электроизолирующих нижней и верхней втулках 8 и 9 соответственно, и 8 усилителей (33, 34, 35, 36, 33', 34', 35', 36'), а также по 2 контроллера на измерение углов α (37, 40) и β (38, 39), которые в совокупности образуют два контура радиальной коррекции вдоль измерительных осей ОХ и ОУ, включающие в себя три пары электродов с положительными координатами и три пары электродов с отрицательными координатами первой измерительной оси I (е2, е4 и е2', е4'), расположенные в плоскости Оξη, последовательно соединенные с входами контроллеров по углу α (37, 40) и входами устройства управления разностью электрических потенциалов 32 (устройство обработки информации), а также три пары электродов с положительными координатами и три пары электродов с отрицательными координатами второй измерительной оси II (е1, е3 и е1', е3'), расположенные в плоскости Оξη, последовательно соединенные с входами контроллеров по углу β (38, 40) и входами устройства управления разностью электрических потенциалов 32.
В состав устройства входят силовые и измерительные цепочки, представляющие собой последовательное соединение дросселя (16, 20, 24, 28, 16', 20', 24', 28'), эталонного резистора (17, 21, 25, 29, 17', 21', 25', 29'), источника высокочастотного напряжения (18, 22, 26, 30, 18', 22', 26', 30'), резистора, являющимся эквивалентом активного сопротивления дросселя 16, 20, 24, 28, 16', 20', 24', 28' (19, 23, 27, 31, 19', 23', 27', 31').
Съем полезной информации об угловом положении ротора производится по компенсационному методу, при помощи эталонного резистора 17, 21, 25, 29, 17', 21', 25', 29', на котором устройство обработки информации 32 производит измерение падения напряжения.
Для поддержания плоского ротора 1 гироскопа-акселерометра во взвешенном состоянии имеются торцевые 2 и планарные электроды 10 и 10' (фиг. 1). Для коррекции и стабилизации линейного и углового положения ротора, в систему введены устройства управления разностью потенциалов 32 на парах противоположных силовых поддерживающих электродах. На входы устройства управления разностью электрических потенциалов 32 подаются электрические сигналы с емкостных датчиков (37, 38, 39, 40), пропорциональные перемещению ротора 1 вдоль соответствующих осей.
Для разгона ротора 1 в конструкции прибора имеется трехфазный асинхронный электродвигатель (АЭД), статоры 11 и 11', состоят из плоских электродов, соединены в три секции, так что в каждую секцию входят электроды, расположенные через два соседних на третий, секции запитываются от источника переменного высокочастотного напряжения 15 (фиг. 4) и расположены в плоскости OXY, жестко связаны с корпусом вакуумной камеры прибора.
Устройство работает следующим образом.
Работает гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора следующим образом. Перед включением питания прибор устанавливают на корпус подвижного объекта (ПО) и выставляют его оси по осям системы координат , связанной с корпусом прибора. При включении питающих источников высокочастотных напряжений статоры левитации 2, 10 и 10' устанавливают ротор 1 в исходное положение (фиг. 1), т.е. ротор 1 начинает левитировать относительно статоров под действием устанавливающих электростатических сил. После этого устройство обработки информации 32 подключает питающее трехфазное напряжение к верхнему 11' и нижнему 11 статорам электродвигателя привода ротора. Под действием тангенциальных электростатических сил ротор 1 разгоняется (т.е. возникает вращающееся магнитное поле, увлекающее за собой ротор) и приобретает угловую скорость Ω, и кинетический момент Н, равный Н=J⋅Ω, где J - полярный момент инерции ротора 1. При достижении номинальной скорости вращения ротора, источник переменного напряжения 15 (фиг. 4) отключается автоматически, а сохранение кинетического момента обеспечивается за счет вакуума и отсутствия трения в подвесе.
η
ξ
При движении подвижного объекта возникают абсолютные угловые скорости и ускорения. Заявленный прибор измеряет , , , ω, ω.
Системы коррекции и подвес совмещают ось собственного вращения ротора с осью OZ объекта.
η
ξ
доп
доп
доп
доп
Канал коррекции положения ротора вокруг оси О (ОХ) за счет момента М включает в себя: три пары электродов с положительными координатами и три пары электродов с отрицательными координатами первой измерительной оси I (е2, е4 и е2', е4') (фиг. 3), расположенные в плоскости Oξη, последовательно соединенные с входами контроллеров по углу α (38 и 39) и входами устройства управления разностью электрических потенциалов (устройство обработки информации 32).
η
доп
доп
доп
доп
Аналогично, канал коррекции положения ротора вокруг оси Oξ за счет момента M включает в себя: три пары электродов с положительными координатами и три пары электродов с отрицательными координатами второй измерительной оси II (е1, е3 и е1', е3'), расположенные в плоскости Oξη, последовательно соединенные с входами контроллеров по углу β (37 и 40) и входами устройства управления разностью электрических потенциалов (устройство обработки информации 32).
Съем полезной информации об угловом положении ротора производится по компенсационному методу, при помощи эталонного резистора 17, 21, 25, 29, 17', 21', 25', 29', на котором устройство обработки информации 32 производит измерение падения напряжения.
Каждый контроллер имеет два выхода, на которых происходит формирование сигнала, пропорционального углу поворота (изменение положения) ротора, который поступает на четыре усилителя (33, 33', 35, 35' для угла α и 34, 34', 36, 36' для угла β), причем на одной паре усилителей происходит усиление суммы напряжений, снимаемых с соответствующих эталонных резисторов, выходы которого подключены к датчику момента межосевой радиальной коррекции, представляют собой силовые электроды, а на другой паре усилителей усиление разности напряжений, снимаемых с соответствующих эталонных резисторов, выходы которого подключены к датчику момента межосевой радиальной коррекции, которые в свою очередь вызывают прецессию, в результате которой происходит радиальная коррекция и ротор возвращается в нулевое положение.
Стоит заметить, что измерительная и силовая часть, каждая состоит из трех электродов, при этом один электрод является общим для измерительной и силовой части, что необходимо для выполнения условий работы.
Прецизионное центрирование плоского ротора и поддержание его во взвешенном состоянии относительно корпуса прибора осуществляется с помощью электростатического подвеса.
Плоский ротор (выполненный в виде статически и динамически сбалансированной круглой пластины с отверстиями) окружен поддерживающими силовыми электродами образующие верхний, нижний, боковой (торцевой) статоры подвеса. Силовые электроды представляют собой тонкие металлический площадки, которые могут быть выполнены фотолитографическим способом на электроизолирующих нижней и верхней втулках, расположенных на внутренней поверхности корпуса прибора.
Для того чтобы напряженность поля была равномерной на всей площади электрода, в виду особенностей питающего высокочастотного напряжения в конструкции электродов и токоподводов к ним, следует избегать пик шероховатости поверхности и острых граней, например, при прямоугольной или квадратной форме электродов следует скруглять углы, так как напряженность поля на них будет больше чем на основной поверхности, в результате чего может образовываться "коронный разряд", т.е. электрический пробой или дуговой разряд.
Образуемый подвес выполняет функцию естественного центрирования ротора, поэтому основное внимание необходимо уделить уменьшению времени коррекции положения ротора при изменении положения в пространстве.
η
ξ
При работе системы коррекции к датчикам момента, представляющие собой силовые электроды, подводят напряжения U, U пропорциональные угловой скорости подвижного объекта вокруг осей объекта Оξ и Oη.
Зависимость напряжения от кинетического момента и угловой скорости:
э
η
ξ
ДМ
где R - сопротивление эталонного резистора; U, U - напряжения коррекции, подводимые к датчику момента вокруг осей Oη и Оξ, К - коэффициент датчика момента.
На выходе устройства обработки информации 32 формируются оценки угловых скоростей:
Смещение диаметрально противоположных точек ротора относительно соответствующих электродов складывается из поступательного смещения  и из смещений точек при повороте ротора на угол α (или β).
Для моментов радиальной коррекции получены следующие зависимости:
Для моментов позиционной коррекции получены следующие зависимости:
-3
В результате расчета определили массу ротора, которая составляет 0.022⋅10 кг.
Определили емкости между ротором и планарными электродами в исходном положении, которая составляет 0.531 пФ, а также между ротором и торцовыми электродами, которая составляет 0.27 пФ.
Определил значения резонансных частот RLC цепи для торцевых и планарных электродов, которые составляют 38.2 МГц и 27 МГц.
-6
-6
Определили напряжения на конденсаторных переходах и силы создаваемые электродами в исходном положении, которые составляют 32.2 и 106В, 6.9⋅10 и 150⋅10 Н. Полученные силы в электродах подвеса обеспечивают подвес ротора (выдерживает перегрузку в 5g).
Данный прибор имеет малые размеры 5/5/3 мм, а также обладает допустимыми погрешностями.
Технико - экономическая эффективность заключается в усовершенствовании схемы и конструкции микромеханического гироскопа с электростатическим подвесом, путем добавления в схему прибора двух контуров радиальной коррекции, в результате значительно улучшились динамические характеристики прибора при сравнимой стоимости прибора с прототипом.
Вывод: в результате математического моделирования дифференциальных уравнений движения ротора, мы убедились, что введение дополнительной радиальной коррекции к существующей позиционной, существенно снижает время переходного процесса по приведению ротора в начальное положение и исключает статическое отклонение.
Литература.
1. Barbour N., Conelly J., Gilmore J., e.a. "Micro-Electromechanical Instrument and Systems Development at Draper Laboratory" // 3rd Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. Part 1, May 1996, p.p. 3-10.
2. Северов Л.А., Пономарев В.К., Панкратов А.И. и др. Микромеханические гироскопы: конструкции, характеристики, технологии, пути развития. // Изв. вузов РФ - Приборостроение. 1998, №1-2, с. 57.
3. Пат. 2158903 Российская Федерация, МПК G01C 19/24. Гироскоп-акселерометр с электростатическим подвесом ротора / Чеботаревский Ю.В., Мельников А.В., Плотников П.К; заявитель и патентообладатель Саратовский государственный технический университет. Заявл. 29.06.1999; опубл. 10.11.2000.