Способ автокомпенсации уходов электростатического гироскопа
Владельцы патента RU 2296298:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" (RU)
Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при производстве и эксплуатации инерциальных систем на электростатических гироскопах. Сущность изобретения: придание чувствительному элементу электростатического гироскопа двойного углового движения. Изобретение позволяет уменьшить влияние на уходы ротора электростатического гироскопа таких факторов, как моменты трения в осях кардановых колец гироустройств на электростатических гироскопах, что повышает точность гироскопа.
Предлагаемое изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано в составе навигационных комплексов.
Известны различные способы автокомпенсации уводящих моментов, действующих на гироскоп и связанных с его корпусом, чем обеспечивается повышение точности гироскопа при использовании (см. книгу "Автокомпенсация инструментальных погрешностей гиросистем", авторы С.М.Зельдович и др. Изд. "Судостроение" 1976 г., УДК 531382 - аналог способа).
Существо способов автокомпенсации состоит в придании отдельным элементам и узлам гироскопического устройства дополнительных механических движений, позволяющих осуществить модуляцию уходов гироприборов и в конечном итоге превратить эти уходы из монотонных в периодические функции времени с ограниченной амплитудой. К этим способам относятся: принудительное движение шарикоподшипниковых опор подвесов гироскопов, принудительное вращение гироскопических чувствительных элементов, реверсирование векторов кинетических моментов гироскопов и т.д.
Однако ошибки следящих систем гироустройств, связанные с моментными нагрузками от трения на осях карданного подвеса и наличием зоны нечувствительности датчика угла, при такой автокомпенсации не устраняются и приводят к угловым рассогласованиям корпуса и ротора гироскопа и, как следствие, к уводящим моментам.
В качестве прототипа взят способ автокомпенсации принудительным вращением подвеса гироскопа, установленного в двухосном индикаторном гиростабилизаторе, описанном в вышеупомянутой книге "Автокомпенсация инструментальных погрешностей гиросистем", стр.85-86. Способ-прототип основан на вращении подвеса гироскопа вокруг оси, перпендикулярной внутреннему кольцу гиростабилизатора (в случае электростатического гироскопа подвес гироскопа - его чувствительный элемент).
Рассмотрим движение ротора чувствительного элемента в двухосном карданном подвесе-прототипе при наличии сухого трения в осях карданного подвеса гироустройства и зоны нечувствительности датчика угла. В прототипе оси датчика угла и гироприбора совпадают. Обозначим углы рассогласования между корпусом, датчиком угла, ротором и горизонтной системой координат h и q через hк, hд, hp, qк, qд, qр (нижние индексы к, д, р обозначают координаты осей корпуса, датчика, ротора).
Ориентация системы координат датчика угла относительно системы координат ротора определяется малыми углами α и β которые выражаются в координатах h и q следующим образом:
Δh=hд-hp=α;
Δq=qд-qp=βcosh.
Для устранения рассогласования осей ротора и датчика угла к кольцам карданного подвеса прикладываются управляющие моменты, пропорциональные значениям углов αд, βд, полученных с двухкоординатного датчика угла:
Kh, Kq - коэффициенты "жесткости" следящей системы по осям h и q, соответственно.
Управляющие моменты служат для преодоления моментов сухого трения в осях карданного подвеса:
С учетом уравнений (1), (2) угловое рассогласование осей ротора и датчика, вызванное моментами трения в осях карданного подвеса и наличием зоны нечувствительности датчика угла, описывается следующими уравнениями:
Выражения в скобках представляют собой статические погрешности следящей системы, αст, βст.
Координаты оси корпуса в данном случае совпадают с координатами оси ротора:
Отсюда
Учитывая, что скорость видимого движения осей ротора электростатического гироскопа - медленно меняющиеся функции времени (с периодом на уровне суток), величины α(t), β(t) практически постоянные и скорости ухода ротора определяются из выражений:
где τ - постоянная времени гироскопа по рассогласованию.
Из (5) видно, что при способе автокомпенсации согласно прототипу существуют вековые составляющие ухода ротора.
Задачей изобретения является повышение точности выработки навигационных параметров. Эта задача в способе автокомпенсации решается двойным угловым движением чувствительного элемента гироскопа: вращением корпуса гироскопа с постоянной угловой скоростью ω вокруг оси, перпендикулярной плоскости внутреннего кольца карданного подвеса, и колебательным коническим движением чувствительного элемента гироскопа вокруг оси кинетического момента ротора. Коническое движение чувствительного элемента гироскопа обеспечивается путем установки чувствительного элемента в корпусе с наклоном оси симметрии относительно оси вращения корпуса на угол А, величину которого выбирают из условия 
(где Ω - угловая скорость вращения Земли).
В этом случае выражения (4) примут вид:
где ω - угловая скорость вращения корпуса гироскопа,
ρ - начальное значение угла поворота корпуса.
Из (6)
Если за время оборота корпуса угловые скорости 
меняют знак, то средние значения погрешностей становятся значительно меньше значений αст, βст. Эффективность компенсации тем выше, чем больше отношение
и 
На чертеже представлен график отношения среднего значения погрешности по координате α за период автокомпенсации Т к значению статической погрешности αст от параметра 
Из чертежа видно, что компенсация статических погрешностей будет эффективной при
Для ЭСГ 
имеют порядок Ω, поэтому из выражения (6) получается, что наклон А чувствительного элемента гироскопа относительно оси вращения корпуса гироскопа должен быть больше 
Способ автокомпенсации уходов электростатического гироскопа, содержащего чувствительный элемент с расположенным на нем оптикоэлектронным датчиком угла, оптическая ось которого совпадает с осью симметрии чувствительного элемента, включающий установку электростатического гироскопа в гироустройство, содержащее карданный подвес, следящие системы, управляющие кольцами карданного подвеса от сигналов оптикоэлектронного датчика угла, придание вращения корпусу гироскопа с угловой скоростью ω вокруг оси, перпендикулярной плоскости внутреннего кольца карданного подвеса, отличающийся тем, что чувствительному элементу дополнительно придается коническое движение за счет установки чувствительного элемента в корпусе гироскопа с наклоном оси симметрии относительно оси вращения корпуса на угол А, выбираемый из условия 
, где Ω - угловая скорость вращения Земли.
