Способ управления электростатическим подвесом инерционной массы

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано при разработке электростатического подвеса инерционной массы чувствительных элементов инерциальных систем, в частности, инерционной массы электростатических акселерометров, предназначенных для измерения линейных ускорений.

Известен способ управления электростатическим подвесом (далее - подвесом) инерционной массы [Васюков С.А., Дробышев Г.Ф. Теория и применение электростатических подвесов // Издательство МГТУ им. Баумана, 2009, стр. 103]. Согласно этому способу инерционную массу располагают между электродами, затем преобразуют смещение инерционной массы из центра зазора к одному из электродов в напряжение, которое подвергают частотной коррекции (далее - в откорректированное напряжение). Формируют импульсное напряжение с постоянной амплитудой импульсов U_o и периодом T_o их следования, с длительностью импульсов равной половине периода. Далее длительность импульсов, равную Т_о/2, уменьшают на величину, пропорциональную откорректированному напряжению, и в течение времени от 0 до Т_о/2 сформированное импульсное напряжение подают на электрод подвеса, к которому произошло смещение инерционной массы. Затем длительность импульсов, равную Т_о/2, увеличивают на величину, пропорциональную откорректированному напряжению, и в промежуток времени от Т_о/2 до T_o подают на другой электрод подвеса, расположенный с противоположной стороны инерционной массы. Из-за длительности действия силы со стороны противоположного электрода инерционная масса возвращается в центр зазора между электродами.

Недостатком указанного способа является низкая точность удержания инерционной массы в центре подвеса. Указанный недостаток обусловлен колебаниями инерционной массы, вызванными тем, что в промежуток времени от 0 до Т_о/2 сформированное импульсное напряжение подают на один электрод, а в промежуток времени от Т_о/2 до T_o на другой электрод, установленный с противоположной стороны инерционной массы. При этом сначала на инерционную массу со стороны подвеса действует сила в одном направлении, затем в другом, противоположном направлении, приводя инерционную массу к колебаниям с периодом T_o.

Известен способ управления электростатическим подвесом инерционной массы, который принимаем за прототип [Васюков С.А., Дробышев Г.Ф. Теория и применение электростатических подвесов // Издательство МГТУ им. Баумана, 2009, стр. 102, 211]. Согласно этому способу инерционную массу располагают между электродами, затем преобразуют смещение массы из центра зазора к одному из электродов в напряжение, которое подвергают частотной коррекции. Формируют импульсное напряжение с постоянной амплитудой импульсов U_o и с постоянным периодом их следования T_o и с длительностью импульса равной половине периода. Далее, в зависимости от знака откорректированного напряжения, который определяет направление смещения инерционной массы, уменьшают или увеличивают длительность импульса, равную Т_о/2, на величину AT, пропорциональную откорректированному напряжению. Сформированное импульсное напряжение подают на электрод, к которому произошло смещение инерционной массы. Одновременно на другой электрод, расположенный с противоположной стороны инерционной массы, подают сформированное импульсное напряжение с длительностью импульсов Т_о/2, увеличенной или уменьшенный на величину ΔT, пропорциональную откорректированному напряжению. Сформированные напряжения, поданные одновременно на электроды подвеса, создают силы, действующие с двух сторон на инерционную массу. При этом из-за большей длительности действия силы со стороны противоположного электрода инерционная масса возвращается в центр зазора между электродами. На электроды подаются импульсные напряжения с одинаковой длительностью импульсов.

Недостатком указанного способа является низкая надежность подвеса. Указанный недостаток обусловлен наличием вероятности возбуждения подвеса, потери его работоспособности из-за наличия в подвесе положительной обратной связи. Так, в соответствии с реализованным в прототипе алгоритмом управления, при действии на инерционную массу внешнего ускорения, со стороны подвеса возникает сила, создающая ускорение A инерционной массы, компенсирующее действие внешнего ускорения:

где: C_o - емкость между электродом подвеса и инерциальной массой при ее центральном расположении в зазоре;

d_o - расстояние между электродом и инерционной массой при центральном расположении инерционной массы в зазоре;

m_o - инерционная масса;

- относительное смещение инерционной массы в зазоре;

Δх - величина смещения инерционной массы из центра зазора.

Приα<<1 имеем:

Член выражения (2), содержащий отношение определяет отрицательную обратную связь, возвращающую инерционную массу в центр зазора. Второй член «+α» определяет положительную обратную связь. При подвес неустойчив. При этом инерционная масса переместится к одному из электродов и останется там. Подвес прекращает функционирование.

Решаемой технической проблемой заявляемого изобретение является совершенствование способа управления электростатическим подвесом инерционной массы.

Достигаемый технический результат - повышение надежности функционирования электростатического подвеса инерционной массы.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе управления электростатическим подвесом инерционной массы, включающем размещение инерционной массы в зазоре между электродами подвеса, преобразование смещения инерционной массы из центрального положения в зазоре в напряжение, которое подвергают частотной коррекции, определение по знаку откорректированного напряжения направления смещения инерционной массы, формирование импульсного напряжения с постоянной амплитудой импульсов и постоянным периодом их следования, в формируемом импульсном напряжении дополнительно:

- создают длительность импульсов пропорционально величине откорректированного напряжения,

- затем, если откорректированное напряжение больше нуля и инерционная масса удаляется от первого электрода подвеса, сформированное импульсное напряжение подают на первый электрод, а на второй электрод, расположенный с противоположной стороны инерционной массы, подают напряжение равное нулю; если откорректированное напряжение меньше нуля и инерционная масса удаляется от второго электрода подвеса, сформированное импульсное напряжение подают на второй электрод, а на первый электрод подают напряжение равное нулю,

- при нахождении инерционной массы в центре зазора между электродами на них подают нулевые напряжения.

Реализация предлагаемого способа происходит следующим образом. Инерционную массу размещают в зазоре между электродами подвеса. Преобразуют смещение инерционной массы из середины зазора в напряжение, которое затем подвергают частотной коррекции. По знаку откорректированного напряжения определяют направление смещения массы. Формируют импульсное напряжение с постоянной амплитудой U_o импульсов и постоянным периодом T_o их следования. В формируемом импульсном напряжении создают длительность ΔT импульсов пропорционально величине откорректированного напряжения. Затем, если откорректированное напряжение больше нуля (инерционная масса удаляется от первого электрода подвеса) сформированное импульсное напряжение подают на первый электрод, а на второй электрод, расположенный с противоположной стороны инерционной массы, подают напряжение равное нулю; если откорректированное напряжение меньше нуля (инерционная масса удаляется от второго электрода подвеса) сформированное импульсное напряжение подают на второй электрод, а на первый электрод подают напряжение равное нулю.

При действии на инерционную массу внешнего ускорения оно парируется ускорением А', создаваемым подвесом только со стороны одного электрода:

Данное выражение получено из формулы (1) с учетом измененного алгоритма управления.

При α<<1 имеем:

Член выражения (4), содержащий отношение определяет отрицательную обратную связь, возвращающую инерционную массу в центр зазора. Член, характеризующий положительную обратную связь, отсутствует. Отсутствие положительной обратной связи исключает возможность возбуждения подвеса и потери его работоспособности.

Таким образом, поставленная цель достигнута.

На предприятии предлагаемая реализация способа проверена при испытаниях экспериментального образца электростатического акселерометра.