RU2728733C1

RU2728733C1 - Gyroscope

Info

Publication number: RU2728733C1
Application number: RU2019129052A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Михайлович Макаров; Андрей Александрович Гуськов; Федор Владимирович Самулкин
Original assignee: Публичное акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА"
Priority date: 2019-09-13
Filing date: 2019-09-13
Publication date: 2020-07-30

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to instrument-making and can be used in creation of non-cardan gyroscopes on spherical ball bearing support. Gyroscope comprises housing with located inside it gyro-motor, which includes stator with coils and rotor on spherical ball bearing support, transformer-inductive angle sensors and electromagnetic torque sensors, arranged on body of gyroscope opposite end part of rotor, at that, on the electromagnet torque sensor cores there installed are two windings each: excitation winding and control winding, wherein the winding direction located on the same core coincides, and the windings direction located on the other core is opposite, wherein excitation windings to each other and control windings to each other are connected in series.

EFFECT: technical result is reduction of hardware.

1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к приборостроению и может использоваться при создании бескарданных гироскопов на сферической шарикоподшипниковой опоре, которые могут применяться, например, в качестве чувствительных элементов гиростабилизаторов или двухканальных измерителей угловой скорости.The invention relates to instrumentation and can be used to create cardless gyroscopes on a spherical ball bearing support, which can be used, for example, as sensitive elements of gyro stabilizers or two-channel angular velocity meters.

Известен трехстепенной гироскоп [1], содержащий корпус, гиромотор, карданов подвес, датчики угла и датчики момента, повернутые относительно друг друга на 90° вокруг продольной оси гироскопа.Known three-degree gyroscope [1], containing a housing, a gyromotor, gimbals, angle sensors and torque sensors rotated relative to each other by 90 ° around the longitudinal axis of the gyroscope.

Основным недостатком данного гироскопа является наличие карданова подвеса, что обуславливает значительный дрейф гироскопа из-за необходимости применения токоподводов для подачи электропитания на обмотки гиромотора и шарикоподшипников для обеспечения вращения рамок карданова подвеса.The main disadvantage of this gyroscope is the presence of a gimbal, which causes a significant drift of the gyroscope due to the need to use current leads to supply power to the windings of the gyromotor and ball bearings to ensure rotation of the gimbal frames.

Наиболее близким, по технической сущности, к заявленному устройству является гироскоп [2], содержащий корпус с расположенным внутри него гиродвигателем, включающим статор с катушками и ротор на сферической шарикоподшипниковой опоре, трансформаторно-индуктивные датчики угла и электромагнитные датчики момента, размещенные на корпусе гироскопа напротив торцевой части ротора.The closest, in technical essence, to the claimed device is a gyroscope [2] containing a housing with a gyro motor located inside it, including a stator with coils and a rotor on a spherical ball bearing support, transformer-inductive angle sensors and electromagnetic torque sensors located on the gyroscope housing opposite end part of the rotor.

Недостатком данного гироскопа является нелинейная (квадратичная) характеристика датчика момента, не позволяющая его применение в качестве чувствительного элемента гиростабилизатора или двухканального измерителя угловой скорости без использования дополнительных вычислительных устройств, линеаризующих статическую характеристику датчика момента.The disadvantage of this gyroscope is the non-linear (quadratic) characteristic of the torque sensor, which does not allow its use as a sensitive element of a gyrostabilizer or a two-channel angular velocity meter without using additional computing devices that linearize the static characteristic of the torque sensor.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение аппаратных затрат при использовании предложенного гироскопа, например, в качестве чувствительного элемента гиростабилизатора, за счет исключения дополнительных вычислительных устройств, необходимых для линеаризации статической характеристики датчика момента гироскопа.The problem to be solved by the invention is to reduce hardware costs when using the proposed gyroscope, for example, as a sensitive element of a gyrostabilizer, by eliminating additional computing devices necessary to linearize the static characteristics of the gyroscope torque sensor.

Технический результат заключается в снижении аппаратных затрат за счет исключения дополнительных вычислительных устройств.The technical result consists in reducing hardware costs by eliminating additional computing devices.

Поставленная задача для гироскопа, содержащего корпус с расположенным внутри него гиродвигателем, включающим статор с катушками и ротор на сферической шарикоподшипниковой опоре, трансформаторно-индуктивные датчики угла и электромагнитные датчики момента, размещенные на корпусе гироскопа напротив торцевой части ротора, решается за счет того, что на сердечниках электромагнитного датчика момента установлены по две обмотки: обмотка возбуждения и обмотка управления, причем направление обмоток, расположенных на одном сердечнике, совпадает, а направление обмоток, расположенных на другом сердечнике, противоположно, при этом обмотки возбуждения между собой и обмотки управления между собой соединены последовательно.The problem posed for a gyroscope containing a housing with a gyro motor located inside it, including a stator with coils and a rotor on a spherical ball bearing support, transformer-inductive angle sensors and electromagnetic moment sensors located on the gyroscope housing opposite the end of the rotor, is solved due to the fact that two windings are installed in the cores of the electromagnetic torque sensor: an excitation winding and a control winding, and the direction of the windings located on one core coincides, and the direction of the windings located on the other core is opposite, while the excitation windings are connected to each other and the control windings are connected in series ...

К существенным отличиям предложенного гироскопа по сравнению с известным является размещение на каждом сердечнике электромагнитного датчика момента двух обмоток: возбуждения и управления, причем направление обмоток, расположенных на одном сердечнике, совпадает, а направление обмоток, расположенных на другом сердечнике, противоположно; и последовательное соединение обмоток возбуждения между собой и обмоток управления между собой между собой, что позволяет реализовать линейную зависимость создаваемого момента от тока управления, а не квадратичную, как в устройстве-прототипе.The essential differences of the proposed gyroscope in comparison with the known is the placement on each core of the electromagnetic torque sensor of two windings: excitation and control, and the direction of the windings located on one core coincides, and the direction of the windings located on the other core is opposite; and series connection of the field windings with each other and the control windings with each other, which makes it possible to realize a linear dependence of the generated torque on the control current, and not a quadratic one, as in the prototype device.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлен предложенный гироскоп вид сбоку в разрезе; на фиг. 2 - вид гироскопа в сечении по линии А-А; на фиг. 3 - схема построения моментного преобразователя; на фиг. 4 - электрическая схема соединений моментного преобразователя.FIG. 1 shows the proposed gyroscope sectional side view; in fig. 2 is a cross-sectional view of the gyroscope along the line A-A; in fig. 3 is a diagram of the construction of a torque converter; in fig. 4 is an electrical diagram of the torque converter connections.

В предложенной схеме реализации гироскопа ротор 3 гироскопа (с гистерезисным кольцом 8 и кольцом 5, расположенным в торцевой части ротора) имеет колоколообразную форму и установлен во внутреннее кольцо сферической шарикоподшипниковой опоры 4. Сферическая шарикоподшипниковая опора 4 обеспечивает три степени свободы ротора 3, допуская неограниченный угол поворота вокруг собственной оси вращения (оси X) и ограниченные углы (±40') поворота вокруг двух других осей (Y и Z). Ротор 3 приводится во вращение гиродвигателем, статор 2 которого установлен на наружном кольце сферической шарикоподшипниковой опоры 4. Радиальный шарикоподшипник 10 выполняет роль упора и служит для ограничения углов поворота ротора 3 вокруг осей Y и Z.In the proposed scheme for the implementation of the gyroscope, the gyro rotor 3 (with a hysteresis ring 8 and a ring 5 located in the end part of the rotor) has a bell-shaped shape and is installed in the inner ring of a spherical ball bearing 4. The spherical ball bearing 4 provides three degrees of freedom of the rotor 3, allowing an unlimited angle rotation around its own axis of rotation (X-axis) and limited angles (± 40 ') of rotation around the other two axes (Y and Z). The rotor 3 is driven by a gyro motor, the stator 2 of which is mounted on the outer ring of a spherical ball bearing 4. The radial ball bearing 10 acts as a stop and serves to limit the angles of rotation of the rotor 3 around the Y and Z axes.

Для регистрации угла поворота ротора 3 вокруг измерительных осей Y и Z предназначены датчики 6 угла, неподвижная (статорная) часть которых выполнена, например, в виде П-образного сердечника, на который надеты две одинаковые катушки 14, одна из этих катушек является обмоткой возбуждения, а вторая - сигнальной обмоткой. Датчик 6 угла по каждому каналу содержит два таких сердечника с катушками 14, расположенных диаметрально и смещенных относительно осей чувствительности гироскопа на угол 45° (фиг. 2). Сигнальные обмотки соединены последовательно встречно так, что наводимые в них ЭДС вычитаются.To register the angle of rotation of the rotor 3 around the measuring axes Y and Z, angle sensors 6 are intended, the stationary (stator) part of which is made, for example, in the form of a U-shaped core, on which two identical coils 14 are put on, one of these coils is an excitation winding, and the second is a signal winding. The angle sensor 6 for each channel contains two such cores with coils 14, located diametrically and offset from the gyroscope sensitivity axes at an angle of 45 ° (Fig. 2). The signal windings are connected in series in opposite directions so that the EMF induced in them is subtracted.

Для создания управляющих моментов используются электромагнитные датчики 7 момента DMy1, DMy2, DMz1, DMz2, работающие на постоянном токе. Конструктивно датчик 7 момента содержит по каждому каналу два диаметрально расположенных на корпусе 1 и совмещенных с осями чувствительности гироскопа сердечника, например, Ш-образной формы. На средний стержень каждого сердечника 7 датчика момента установлены две обмотки: обмотка 12 возбуждения (ОВ) и обмотка 11 управления (ОУ), причем направление обмоток, расположенных на одном сердечнике, совпадает, а направление обмоток, расположенных на другом сердечнике, противоположно, причем направление обмоток, расположенных на одном сердечнике, совпадает, а направление обмоток, расположенных на другом сердечнике, противоположно, при этом обмотки возбуждения между собой и обмотки управления между собой соединены последовательно (фиг. 3, фиг. 4). Обмотки возбуждения подключены к источнику постоянного напряжения Uon, обеспечивающего протекание в обмотках возбуждения постоянного тока i_B. Создание управляющих моментов обеспечивается подачей в обмотки управления тока управления I_y.To create control torques, electromagnetic torque sensors 7 DMy1, DMy2, DMz1, DMz2, operating on direct current, are used. Structurally, the torque sensor 7 contains on each channel two cores diametrically located on the housing 1 and aligned with the sensitivity axes of the gyroscope, for example, W-shaped. Two windings are installed on the middle leg of each core 7 of the torque sensor: an excitation winding 12 (OB) and a control winding 11 (OP), and the direction of the windings located on one core coincides, and the direction of the windings located on the other core is opposite, and the direction the windings located on one core coincide, and the direction of the windings located on the other core is opposite, while the field windings are connected to each other and the control windings are connected in series with each other (Fig. 3, Fig. 4). The field windings are connected to a constant voltage source Uon, which ensures the flow of direct current i _B in the field windings. The creation of control torques is ensured by feeding the control current I _y into the control windings.

Значение момента, создаваемого датчиком момента по каждому каналу, определяется разностью:The value of the moment generated by the torque sensor for each channel is determined by the difference:

где М₁ и М₂ - моменты, создаваемые первым и вторым сердечниками одного канала;where M ₁ and M ₂ are the moments created by the first and second cores of one channel;

W_Σ1, W_Σ2 - суммарная энергия магнитного поля в зазоре между сердечником и ротором соответственно для первого и второго сердечника;W _Σ1 , W _Σ2 - total energy of the magnetic field in the gap between the core and the rotor, respectively, for the first and second core;

α - угол поворота ротора гироскопа.α is the angle of rotation of the gyroscope rotor.

Энергии магнитного поля в зазоре между сердечником и ротором соответственно для первого и второго сердечника равны:The energies of the magnetic field in the gap between the core and the rotor, respectively, for the first and second cores are:

где w_в,w_у - число витков обмотки возбуждения и обмотки управления соответственно;where w _in , w _y - the number of turns of the excitation winding and control winding, respectively;

G_Σ1,G_Σ2 - значение суммарной магнитной проводимости для первого и второго сердечника соответственно.G _Σ1 , G _Σ2 - the value of the total magnetic conductivity for the first and second cores, respectively.

Таким образом, с учетом (2), (3) момент, создаваемый датчиком момента по каждому каналу, равен:Thus, taking into account (2), (3) the torque created by the torque sensor for each channel is equal to:

При нулевом положении ротора суммарные магнитные проводимости для первого и второго сердечников одинаковы:At the zero position of the rotor, the total magnetic conductivity for the first and second cores are the same:

а их производные по углу поворота а отличаются знаком, который учитывается при вычитании моментов (1). При этом для датчика момента по каждому каналу зависимость (4) момента от тока управления является линейной:and their derivatives with respect to the angle of rotation a differ in sign, which is taken into account when subtracting the moments (1). In this case, for the torque sensor for each channel, the dependence (4) of the torque on the control current is linear:

Подвижным элементом (ротором), общим для датчиков 6 угла и датчиков 7 момента, является кольцо 5 из магнитного материала, располагаемое в торцевой части ротора 3 гироскопа.The movable element (rotor) common to the angle sensors 6 and the moment sensors 7 is a ring 5 of magnetic material located in the end part of the gyroscope rotor 3.

Гироскоп закрыт кожухом 9, выполнен герметичным и заполнен гелиеводородной смесью до давления, например, 750 мм рт.ст. в целях снижения аэродинамического момента сопротивления и его влияния на дрейф гироскопа (через проекции этого момента на оси чувствительности гироскопа). Для съема и подачи электрических сигналов служат гермовводы 13.The gyroscope is closed by a casing 9, made sealed and filled with a helium-hydrogen mixture up to a pressure of, for example, 750 mm Hg. in order to reduce the aerodynamic drag moment and its influence on the gyroscope drift (through the projections of this moment on the gyroscope sensitivity axis). Sealed leads 13 are used to remove and supply electrical signals.

Гироскоп работает следующим образом.The gyroscope works as follows.

В нулевом положении, в силу симметрии, выходной сигнал с датчиков 6 угла отсутствует. В режиме измерения при наличии угловой скорости, например, относительно оси Y корпус 1 гироскопа начинает поворачиваться относительно этой оси, а ротор 3 будет стремиться сохранять неизменным в инерциальном пространстве направление вектора кинетического момента. Зазоры между магнитным кольцом 5 и торцевыми поверхностями сердечников датчиков 6 угла изменятся, и на выходе датчика 6 угла появится сигнал, амплитуда которого пропорциональна измеряемому углу, а фаза определяет знак углового перемещения. Данный сигнал выпрямляется и подается в обмотки управления датчика момента по оси Z, при этом ротор 3 по правилу прецессии будет поворачиваться вокруг оси Y, стремясь уменьшить до нуля рассогласование на датчике 6 угла.In the zero position, due to symmetry, the output signal from the angle sensors 6 is absent. In the measurement mode in the presence of angular velocity, for example, relative to the Y axis, the gyroscope body 1 begins to rotate about this axis, and the rotor 3 will tend to keep the direction of the angular momentum vector unchanged in inertial space. The gaps between the magnetic ring 5 and the end surfaces of the cores of the angle sensors 6 will change, and a signal will appear at the output of the angle sensor 6, the amplitude of which is proportional to the measured angle, and the phase determines the sign of the angular displacement. This signal is rectified and fed to the control windings of the torque sensor along the Z axis, while the rotor 3, according to the precession rule, will rotate around the Y axis, seeking to reduce the mismatch on the angle sensor 6 to zero.

Мерой угловой скорости является ток в обмотке управления. Зависимость угловой скорости от тока является линейной:The measure of the angular velocity is the current in the control winding. The dependence of the angular velocity on the current is linear:

где Н - вектор кинетического момента ротора гироскопа.where H is the vector of the angular momentum of the gyroscope rotor.

При использовании гироскопа в качестве чувствительного элемента гиростабилизатора в режиме управления при необходимости разворота гироплатформы, например, относительно оси Y управляющий сигнал подается в обмотки 11 управления датчика момента (Фиг. 1) по оси Z. Создается момент, стремящийся развернуть ротор 3 относительно оси Z, при этом ротор 3 по правилу прецессии будет поворачиваться относительно оси Y. На выходе датчика 6 угла Y появится сигнал, который выпрямляется и подается, например, на двигатель разгрузки, разворачивающий платформу, таким образом, чтобы уменьшить до нуля рассогласование на датчике 6 угла. При этом обеспечивается линейность закона управления:When using the gyroscope as a sensitive element of the gyrostabilizer in the control mode, if it is necessary to turn the gyro platform, for example, relative to the Y axis, the control signal is fed to the control windings 11 of the torque sensor (Fig. 1) along the Z axis. A moment is created that tends to turn the rotor 3 about the Z axis, In this case, the rotor 3, according to the precession rule, will rotate about the Y axis. At the output of the Y angle sensor 6, a signal will appear, which is straightened and fed, for example, to the unloading motor, which turns the platform, in such a way as to reduce the misalignment on the angle sensor 6 to zero. This ensures the linearity of the control law:

где ω_упр - скорость управления,where ω _control is the control speed,

I_упр - управляющий сигнал (ток в обмотках управления датчика момента).I _control - control signal (current in the control windings of the torque sensor).

Таким образом, в сравнении с прототипом использование предлагаемого устройства в качестве чувствительных элементов гиростабилизаторов обеспечивает линейный закон управления, а при использовании предлагаемого устройства в качестве двухканального измерителя угловой скорости обеспечивает линейность выходной характеристики датчика без применения дополнительных вычислительных устройств. Подтверждено экспериментально.Thus, in comparison with the prototype, the use of the proposed device as sensitive elements of gyrostabilizers provides a linear control law, and when using the proposed device as a two-channel angular velocity meter, it provides linearity of the sensor output characteristics without the use of additional computing devices. Confirmed experimentally.

Источники информацииSources of information

1. АС СССР №431808 Трехстепенный гироскоп // МПК G01C 19/00, заявлено 26.11.1971 г.1. USSR AC No. 431808 Three-degree gyroscope // IPC G01C 19/00, declared on 11/26/1971

2. Патент РФ №2460040, МПК G01C 19/02, 2006 г.2. RF patent No. 2460040, IPC G01C 19/02, 2006

Claims

Гироскоп, содержащий корпус с расположенным внутри него гиродвигателем, включающим статор с катушками и ротор на сферической шарикоподшипниковой опоре, трансформаторно-индуктивные датчики угла и электромагнитные датчики момента, размещенные на корпусе гироскопа напротив торцевой части ротора, отличающийся тем, что на сердечниках электромагнитного датчика момента установлены по две обмотки: обмотка возбуждения и обмотка управления, причем направление обмоток, расположенных на одном сердечнике, совпадает, а направление обмоток, расположенных на другом сердечнике, противоположно, при этом обмотки возбуждения между собой и обмотки управления между собой соединены последовательно.A gyroscope containing a housing with a gyro motor located inside it, including a stator with coils and a rotor on a spherical ball bearing support, transformer-inductive angle sensors and electromagnetic torque sensors located on the gyroscope housing opposite the end of the rotor, characterized in that they are installed on the cores of the electromagnetic torque sensor two windings each: the excitation winding and the control winding, and the direction of the windings located on one core coincides, and the direction of the windings located on the other core is opposite, while the excitation windings are connected to each other and the control windings are connected in series with each other.