УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕХОСНОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Советский патент 2006 года по МПК B64G1/28 

Предлагаемое устройство относится к области электротехники и касается известных [1] маховиковых систем, предназначенных для управления движением космических аппаратов (КА) относительно центра масс. Под маховиковой системой понимается устройство, состоящее из электродвигателей-маховиков (ЭДМ) и блоков управления этими ЭДМ. Электродвигатели-маховики располагаются по осям стабилизации КА и вырабатывают управляющие динамические моменты, величина которых регулируется, например, пропорционально сигналу управления. В данном случае по двум из осей КА, например, Х и У располагаются, как обычно, по одному ЭДМ, а по третьей оси расположены два ЭДМ со встречным направлением векторов кинетического момента Н_z1 и H_z2. Система из двух ЭДМ названа здесь спаркой. В исходном состоянии Н_z1=H_z2>0, т.е. результирующий вектор кинетического момента Н_z=H_z1-Н_z2=0. Следовательно, в составе маховиковой системы спарка выступит как один маховик, но в отличие от него имеет в исходном состоянии запас кинетической энергии.

Известна маховиковая система, основанная на обмене кинетической энергией, предложенная в [2] на стр.90, которая взята в данной заявке в качестве прототипа. В прототипе предлагается управлять двигателями-маховиками посредством передачи вращения от одного ЭДМ к другому с помощью механической системы, состоящей из роликов и кареток. Общие признаки прототипа и предлагаемого устройства состоят в том, что: 1) движение маховиков взаимосвязаны, вследствие чего вращение, а следовательно, мощность и энергия передаются от одного маховика к другому, минуя источник питания; 2) взаимосвязь между маховиками управляема. В прототипе это управление осуществляется посредством изменения координат расположения каретки относительно маховиков по сигналу управления. Положительный эффект, свойственный как прототипу, так и предлагаемому устройству состоит в уменьшении максимального значения потребляемой мощности. Однако прототип имеет существенные недостатки: 1) механическая связь между маховиками посредством роликов и кареток громоздка и ненадежна; 2) имеется паразитный импульс вращающего момента относительно оси ролика; 3) используется только 1/2√2 полной емкости количества движения пары маховиков; 4) дополнительный расход мощности и сокращение срока службы из-за трения роликов о маховики. Из-за этих недостатков прототип не получил распространения в практических конструкциях.

В настоящее время распространен способ раздельного регулирования момента ЭДМ маховиковых систем путем воздействия на якорную [3] цепь двигателя.

При этом способе каждый ЭДМ регулируется автономно, независимо от других ЭДМ, входящих в маховиковую систему. Основной недостаток раздельного способа управления состоит в том, что он сопровождается большими пиками потребляемой мощности и ее потерями. В процессе работы скорость ЭДМ Ω непрерывно изменяется между крайними значениями - Ω_м и + Ω_м; изменение ее от ± Ω до 0 соответствует режиму торможения, а изменение от 0 до ± Ω - двигательному режиму. Разгон ЭДМ в двигательном режиме сопровождается возрастанием механической мощности на валу двигателя P_мех=M_эм Ω и, следовательно, - увеличением потребляемой электрической мощности P_эл=Р_мех/η. В этих формулах М_эм=М_д+М_с - электромагнитный, М_д - динамический моменты, М_с - момент сопротивления вращению маховика. При Ω=0 величина Р_эл также близка к нулю, а при Ω= Ω_м достигает пикового значения. Для снижения веса маховика величину Ω_м стремятся в максимальной мере увеличить, но допустимая мощность автономного источника питания препятствует возрастанию пикового значения мощности, а следовательно, препятствует увеличению скорости Ω_м. Возникает непреодолимое обычными методами противоречие: для снижения веса скорость маховика нужно увеличивать, а ограниченная установленная мощность бортового источника питания не позволяет сделать этого. Компромиссное разрешение этого противоречия выражается в сравнительно низких скоростях современных ЭДМ: 200-5000 об/м.

Режим торможения маховика может быть осуществлен, например, с помощью рекуперативного торможения двигателя, которое характеризуется отдачей энергии в источник и на первый взгляд кажется выгодным. В действительности для современных источников тока - химической батареи в сочетании с солнечной батареей - подзаряд от ЭДМ - это крайне нежелательный режим, а в ряде случаев вообще невозможный, например, в тех случаях, когда после химической батареи имеется стабилизатор напряжения. Поэтому в режиме торможения накопленную энергию маховика приходится частично или полностью рассеивать в виде тепла на сопротивление.

Предлагаемая маховиковая система в значительной мере лишена указанных недостатков за счет того, что производится обмен энергией между ЭДМ, минуя источник.

Указанный обмен энергией достигается за счет того, что ток, потребляемый от источника питания и рекуперируемый в источник ЭДМ спарки, регулируется пропорционально аналогичному току ЭДМ, не входящих в спарку, с учетом сигналов управления, которые вводятся в систему путем алгебраического суммирования с сигналами тока.

Предлагаемая система из-за отсутствия механической связи между маховиками и благодаря замене ее, по существу, на электрическую связь не имеет недостатков, свойственных прототипу.

Ток, потребляемый от источника питания электродвигателем-маховиком, и ток, рекуперируемый ЭДМ в источник питания, назовем одним общим термином: - током питания ЭДМ, а ток, потребляемый ЭДМ от статического преобразователя, назовем током ЭДМ. Ток питания ЭДМ протекает от источника питания к статическому преобразователю или наоборот, а ток ЭДМ протекает от статического преобразователя к обмоткам статора ЭДМ. Эти токи хотя и взаимосвязаны, но, в общем случае отличаются как по величине, так и по характеру. Ток питания ЭДМ - это всегда постоянный ток, а ток ЭДМ может быть как переменным (например, при асинхронных ЭДМ), так и постоянным (двигатель постоянного тока).

Предлагаемое устройство изображено на фиг.1-5, имеющих следующее назначение:

- принципиальная схема маховиковой системы - фиг.1;

- диаграммы обмена мощностью - фиг.2;

- диаграммы при знакопостоянных моментах - фиг.3;

- схема рекуперативного статического преобразователя - фиг.4;

- схема электропривода - фиг.5.

В предлагаемой маховиковой системе, состоящей из четырех ЭДМ, два из которых, принадлежащие к одной оси, объединены в спарку, ток между источником питания, например аккумуляторной батареей, и одним, а также вторым ЭДМ спарки регулируется пропорционально и соответственно сумме и разности двух сигналов.

Один из них формируется путем сложения сигналов, пропорциональных по величине значениям токов, между источником питания и ЭДМ, не входящими в спарку.

Второй из упомянутых сигналов формируется как разность двух сигналов, один из которых образуется посредством сложения сигнала регулирования динамического момента спарки ЭДМ и сигнала, пропорционального по величине току одного ЭДМ спарки, а второй формируется путем вычитания из сигнала, пропорционального по величине току второго ЭДМ спарки, указанного сигнала регулирования динамического момента.

На фиг.1 ЭДМ 1 и 2, принадлежащие к оси Z КА, расположены так, что векторы кинетических моментов Н_z1 и Н_z2 направлены встречно параллельно друг другу, т.е. образуют спарку ЭДМ.

Два другие ЭДМ 3 и 4 не входят в спарку и относятся соответственно к осям Х и У. Каждый из ЭДМ содержит двигатель 1 и маховик 5. Схема фиг.1 непосредственно относится к случаю применения двигателей постоянного тока: коллекторных или бесколлекторных [3].

В случае двигателей переменного тока (асинхронных) существо схемы сохраняется, но могут появиться дополнительные цепи, относящиеся к управлению двигателем [2].

Кроме ЭДМ в схему входят рекуперативные статические преобразователи 6; датчики 7 сигналов, пропорциональных по величине току; блоки суммирования 8, 9, 11 и вычитания 10, 12, усилитель 13, схемы сравнения 14. На шины питания 15 подается напряжение питания U_п. На входы 16, 17, 18 поступают сигналы управления U_м моментами, которые вырабатывают соответственно справа ЭДМ, ЭДМ 3 и 4.

Блоки 6, 7, 14, относящиеся к управлению ЭДМ 1 и 2 спарки, образуют регуляторы тока питания этих ЭДМ, так как датчики тока 7 включены в цепь тока питания РСП. Блоки 6, 7, 14, относящиеся к управлению ЭДМ 3 и 4, составляют регуляторы тока якоря ЭДМ, так как их датчики тока включены в цепь выходов РСП.

При управлении по цепи якоря двигатели 1-4 создают электромагнитные моменты M_эмх=KU_мх, M_эму=KU_му, M_эмz=KU_мz. Соответствующие им динамические моменты, которые изменяют скорость маховиков: M_х=М_эмх-М_сх, M_у=М_эму-М_су, M_z=М_эмz-М_cz, где M_cx, M_cy, M_cz - моменты сопротивления вращению маховиков.

Названные здесь рекуперативные статические преобразователи (РСП) - это такие преобразователи тока, которые подают ток и мощность как от источника питания к нагрузке, так и наоборот: от нагрузки к источнику питания, т.е. работают в режиме рекуперации мощности. Заметим, что большинство транзисторных статических преобразователей - рекуперативные. Рассмотрим, как управляются ЭДМ 3 и 4, не входящие в спарку. Выходной ток РСП пропорционален по величине сигналу ΔU, поступающему на его вход: I_РСП=К_IΔU, где K_I - коэффициент пропорциональности. Так как ΔU≈0, то: I_РСП=K_IU_м. В свою очередь электромагнитный момент двигателя пропорционален току якоря, которым является ток I_РСП·М_эм=К_IC_мU_м, где C_м - коэффициент. Пропорциональность между током I_РСП двигателей 3, 4 и сигналом U_м обеспечивается замкнутыми системами регулирования тока, состоящими из блоков 6, 7, 14.

Как работают такие системы хорошо известно. Заметим, что положительному знаку сигнала U_м соответсвует ток, идущий в условно положительном направлении от источника питания к двигателю, а отрицательному сигналу U_м соответствует направление тока I_РСП от двигателя к источнику. Рекуперация тока обеспечивается тем, что ЭДС двигателя преобразуется с помощью РСП в постоянный ток, подаваемый встречно напряжению источника питания.

Положительному значению тока I_РСП соответствует двигательный режим ЭДМ с потреблением мощности, а отрицательному - генераторный режим с рекуперацией мощности в источник. В первом случае ЭДМ развивает двигательный момент условно положительного знака, под действием которого скорость маховика возрастает, а во втором случае момент двигателя тормозной, под действием которого скорость Ω уменьшается. Этот момент считается отрицательным. Величина сигнала на выходе датчика тока 7 пропорциональна величине тока, а знак этого сигнала совпадает со знаком тока, т.е. отражает его направление.

Блок 8 алгебраически суммирует сигналы с выходов датчиков 7 и сигнал смещения U_см, подаваемый на вход 19. Назначение этого сигнала поясняется далее. Суммарный сигнал U₁ с выхода блока 8 поступает на управление ЭДМ спарки и является одним из двух вышеупоминавшихся сигналов, пропорционально сумме и разности которых регулируется ток соответственно первого 1 и второго 2 ЭДМ спарки.

Рассмотрим, как управляются ЭДМ 1 и 2 спарки. Ток I_пит1 обмена мощностью ЭДМ 1 с источником через шины питания 15 регулируется пропорционально алгебраической сумме сигналов U₁ и U₂ с помощью замкнутой системы регулирования тока 6, 7, 14.

Аналогично, ток I_пит.2 обмена мощностью ЭДМ2 регулируется пропорционально разности этих сигналов:

I_пит.1 = -K_п(U₁-U₂), I_пит.2 = -K_п(U₁+U₂).

Суммирование и вычитание сигналов U₁ и U₂ производится блоками 11 и 12 соответственно. Сигнал U₂ пропорционален разности двух сигналов U₃ и U₄: U₂=Ko(U₃-U₄). Один из них, сигнал U₃ образуется посредством сложения сигнала регулирования динамического момента U_z, поступающего на вход 16, и сигнала U_Я1, пропорционального по величине току якоря ЭДМ 2: U_Я1=К_ЯI_Я1. Второй сигнал U₄ формируется как разность сигналов U_Я2=К_ЯI_Я2 и U_z.

В этих формулах К_Я - коэффициент, I_Я1 и I_Я2 - токи якорей ЭДМ 1 и ЭДМ 2 соответственно. Таким образом имеем

где Ко - коэффициент усиления усилителя 13. На основе формул (1) и (2) рассмотрим, как регулируется динамический момент спарки М_z=M_z1-M_z2, где M_эмz1=(M_z1-M_cz1)=C_мI_Я1, M_эмz2=C_мI_Я2 - электромагнитные моменты соответственно ЭДМ1 и ЭДМ2. Пусть U_z=0; в этом случае должны обеспечиваться равенства М_эмz1=M_эмz2 или I_Я1=I_Я2. Предположим, что это равенство нарушилось, т.е. I_Я2>I_Я1, значит, U₃>U₄. Тогда появится положительный сигнал U₂=Ко(U₃-U₄).

В соответствии с (I) на выходе блока вычитания 12 сигнал U₂ изменит знак на отрицательный, а на выходе блока суммирования 11 сигнал U₂ знак сохранит. Поэтому ток I_Я2 получит отрицательное приращение и уменьшится, а ток I_Я1 возрастет. Значит, равенство I_Я1=I_Я2 восстановится. Следовательно, М_эмz1=M_эмz2 и М_эмz=0. При этом остается динамический момент М_z=M_cz1-M_cz2, где M_cz1 и M_cz2 - моменты сопротивления ЭДМ 1 и 2.

Пусть на вход 16 подается сигнал U_z. В соответствии с вышеизложенным и согласно (2) система обеспечивает равенство

так как коэффициент усилия Ко можно сделать достаточно большим. Из (3) следуют очевидные равенства:

U_Я2-U_Я1=2U_z, (I_Я2-I_Я1)=2U_z/К_Я, M_эмz=M_эмz1-M_эмz2=2C_м/К_ЯU_z=K_мU_z, где К_м=2С_м/К_Я.

Таким образом, при появлении сигнала U_Z возникает неравенство токов I_Я1 и I_Я2, что приводит к появлению момента М_эмz, величина которого пропорциональна сигналу U_z.

Рассмотрим, как достигается уменьшение пиковых значений мощности, потребляемой от источника питания.

Принцип взаимной компенсации мощности, потребляемой ЭДМ, поясняет фиг.2, где изображена спарка ЭДМ, РСП и автономный источник питания АИП, В исходном состоянии оба ЭДМ имеют скорость Ω_о. С момента t₁ ЭДМ1 разгоняется, а ЭДМ2 тормозится, при этом ЭДМ1 потребляет мощность, которая возрастает от значения P₁₂ до P₁₃, а ЭДМ2 рекуперирует ее (от Р₂₂ до Р₂₃). Потоки мощности P1 и Р2 частично взаимно компенсируются, поэтому результирующий поток мощности P_и, циркулирующий в выходной цепи АИП, уменьшается и достигает значений P₀₃<P₁₃ и P₀₂<P₂₂. В момент времени t₀ P₁=P₂ и Р_и=0. Так как величины потребляемой и регулируемой мощностей зависят от скорости, то при отсутствии взаимосвязи между режимами работы ЭДМ1 и ЭДМ2 результирующая мощность Р_и, хотя и уменьшается, но все же изменяется в широких пределах: от рекуперируемого значения Р₀₂ до Р₀₃. Для выравнивания потребляемой от АИП мощности в предлагаемом устройстве режимы ЭДМ взаимосвязаны.

Для этой цели служит сигнал U₁, положительному значению которого соответствует отрицательное, рекуперативное направление тока от РСП 6, принадлежащих к системе регулирования ЭДМ спарки; в формулах (1) это выражается с помощью знака минус. Если суммарный ток ЭДМ 3 и 4 имеет положительное направление, что соответствует потреблению энергии, то ЭДМ 1 и 2 с помощью систем регулирования тока 6, 7, 14 создают рекуперативный ток, величина которого пропорциональна току потребления ЭДМ 3, 4. Таким образом ЭДМ 1 и 2 по сигналу U₁ рекуперируют мощность, компенсируя частично или полностью потребление мощности ЭДМ 3 и 4. Очевидно, что ЭДМ 1 и 2, работая в режиме генератора, развивают тормозной момент, скорость их снижается. Если же суммарный ток питания ЭДМ 3 и 4 имеет рекуперативный характер, то системы регулирования тока 6, 7, 14 создают двигательный режим ЭДМ 1 и 2, которые разгоняются, накапливая впрок кинетическую энергию. При этом рекуперируемая мощность не расходуется бессмысленно на сопротивлениях и не поступает в источник питания, а целенаправленно запасается в виде кинетической энергии маховиков ЭДМ спарки.

В установившихся режимах полной компенсации потребляемой мощности за счет рекуперируемой принципиально быть не может из-за потерь мощности в двигателях, РСП и других силовых цепях. Но чем выше к.п.д. этих устройств, тем большая степень компенсации достигается. Глубина компенсации устанавливается, например, с помощью дополнительного сигнала U_см, подаваемого на вход 19 блока 8. Сам по себе этот сигнал устанавливает ток потребления в системах регулирования 6, 7, 14 тока ЭДМ спарки, вызывая тем самым разгон ЭДМ 1, 2 и накопление ими кинетической энергии. Поэтому в результате суммирования в блоке 8 с двумя другими сигналами сигнал U_см уменьшает глубину компенсации мощности, потребляемой ЭДМ 3 и 4, мощностью, рекуперируемой ЭДМ 1 и 2. При наличии сигнала U_z на входе 16 режим работы ЭДМ 1 и 2 определяется суммарным воздействием регуляторов тока питания 6, 7, 14 по сигналу U₁ и тока якоря по сигналу U_z.

Рассмотрим работу системы в динамическом режиме. Известно [1], что работа ЭДМ имеет циклический характер, при отработке знакопостоянных возмущающих моментов скорость двигателя-маховика, возрастая, достигает предельных значений, при которых ЭДМ теряет свои управляющие свойства, для восстановления которых производится "разгрузка" маховика с помощью газореактивной системы, в процессе которой ЭДМ тормозится. На фиг.3 показан полный цикл работы ЭДМ при создании знакопостоянных управляющих моментов. Моменты М_х и М_у создаются двигателями 3 и 4 соответственно (фиг.1).

Их положительные значения соответствуют режиму управления космическим аппаратом по сигналам U_х, U_у постоянной величины. Отрицательные значения этих моментов на интервалах времени t₁-t₂, t₃-t₄, t₅-t₆ соответствуют режиму разгрузки.

Допустим вначале, что спарка ЭДМ не создает управляющего момента: М_z=0, U_z=0. В этом случае U₃=U₄ (фиг.1), М_эмz1=M_эмz2.

Под воздействием моментов M_х и M_у положительной величины скорости Ω_х и Ω_у, а также кинетические моменты H_х=J Ω_х, Н_у=J Ω_у (J - момент инерции маховиков) возрастают (фиг.3), а во время "разгрузки" падают. При нарастании скорости ЭДМ работают в двигательном режиме, потребляя мощность P_х и P_у (интервалы времени 0-t₃ для Р_х, 0-t₁, t₂-t₅ для Р_у). В режиме "разгрузки" ЭДМ 3 и 4 поочередно рекуперируют мощность, что отражено на фиг.3 в виде отрицательных значений Р_х, Р_у на интервалах времени t₃-t₄, t₁-t₂, t₅-t₆. Предположим, что начальные значения кинетических моментов ЭДМ спарки одинаковы: H_z1=H_z2. Так как М_эмz1=M_эмz2, M_cz1=M_cz2, то скорости ЭДМ спарки также равны между собой, изменяясь одинаково под воздействием моментов, М_эмz1, M_эмz2, величина которых регулируется сигналом U₁ (фиг.1).

Величины мощностей P_х, P_у пропорциональны току питания: P_х=U_п·I_пит.х, P_у=U_п·I_пит.у, поэтому сигнал U₁ во времени повторяет суммарную временную диаграмму P_х+Р_у. На интервале времени 0-t₁ оба двигателя, как видно из зависимостей Р_х(t), P_у(t) потребляют мощность, следовательно, сигнал U₁=К_n (I_пит.х+I_пит.у) имеет условно отрицательное значение и переводит, как сказано выше, ЭДМ 1 и 2 спарки в режим рекуперации мощности, величина которой P_рек=K_pU₁. Здесь K_п и K_p - коэффициенты пропорциональности. Следовательно, от источника питания потребляется разность мощностей P_п=(P_х+P_у) - P_рек. Ясно, что P_п≪(P_х+P_у) и зависит от к.п.д., всей установки: чем выше к.п.д. (η), тем меньше величина Р_п. В предельном (физически не реальном) случае η=1, при этом P_х+Р_у=Р_рек и P_п=0, т.е. потребление мощности от источника отсутствует. Достаточно один раз разогнать ЭДМ 1 и 2 спарки, затратив на это мощность, а в дальнейшем система работает за счет перекачки энергии от маховиков 3,4 к маховикам 1, 2 и наоборот. Однако в системе всегда имеются потери мощности, поэтому Р_п>0. Под воздействием тормозного момента кинетические моменты H_z1 и H_z2 ЭДМ спарки снижаются. Описанный режим работы продолжается на интервалах времени t₂-t₃, t₄-t₅. На интервале времени t₁-t₂ ЭДМ 3 потребляет мощность P_х, а ЭДМ 4 ее рекуперирует (Р_у). Как видно из фиг.3 Р_у>Р_х.

Поэтому сигнал U₁ пропорционален рекуперируемой мощности (Р_у-Р_х). Под воздействием U₁ двигатели спарки переходят в двигательный режим и потребляют мощность (Р_у-Р_х).

Таким образом источник питания избавляется от необходимости восприятия рекуперируемой мощности. Скорость ЭДМ 1 и 2 и кинетический момент Н_z1, H_z2 возрастают.

Этот режим повторяется на интервале t₅-t₆. Аналогичный режим возникает на интервале t₃-t₄, но источником энергии служит ЭДМ 4.

Так как неизбежны потери мощности, то суммарная мощность, потребляемая ЭДМ 3 и 4 на интервалах времени 0-t₁, t₂-t₃, t₄-t₅ и т.д. больше, чем рекуперируемая - на интервалах t₁-t₂, t₃-t₄, t₅-t₆. Поэтому при отсутствии сигнала U_см на входе 19 (фиг.1) преобладает тормозной момент ЭДМ спарки и кинетический момент H_z1, H_z2 постепенно снижается, как показано пунктиром на фиг.3. Чтобы этого не было, вводится сигнал смещения U_см, по которому ЭДМ спарки создают дополнительную составляющую двигательного момента, которая препятствует уменьшению H_z1 и H_z2 ниже допустимого уровня. При этом от источника питания потребляется мощность, равная потери мощности в системе.

Пусть на вход 16 подается сигнал U_z. Ток якоря ЭДМ2 уменьшится, а ЭДМ 1 возрастет на величину, пропорциональную U_z, вследствие чего момент двигателя 1 возрастет, а двигателя 2 уменьшится. Поэтому изменение кинетических моментов ЭДМ и изображается расходящейся диаграммой (фиг.3).

В момент t₇ величина достигает предельного значения, после чего производится "разгрузка" на интервале времени t₇-t₈. При этом сигнал U_z изменяет полярность и ЭДМ 1 тормозится, а ЭДМ 2 разгоняется. Торможение ЭДМ 1 сопровождается выделением энергии, а разгон ЭДМ 2 - ее поглощением, в результате чего от источника питания потребляется мощность, равная мощности потерь.

В заключение рассмотрим основные пути технической реализации отдельных блоков системы. На фиг.4 в качестве простейшего примера приведена схема рекуперативного статического преобразователя. Двигатель в этой схеме представлен цепью r_Я-L_Я-e_Ф. Транзисторы 1, 2, 3, 4 переключаются в соответствии с приведенными диаграммами 1-2, 3-4.

На нагрузке формируются импульсы напряжения U_ф с регулируемой скважностью γ. Среднее значение напряжения U_ср=γU_п. На интервалах времени t_д1 открыты ключи 1 и 3; под действием э.д.с. e_Ф возникает ток динамического торможения i_дт в контуре, образованном ключами 1-3. В следующий интервал времени t_p э.д.с. самоиндукции стремится сохранить направление тока в индуктивности L_Я и складывается по величине с e_Ф. Так как на этом интервале открыты ключи 1-4, то под воздействием суммарной э.д.с. через источник протекает рекуперативный ток i_рт, в результате чего в источник рекуперируется мощность i_ртср·U_n, где i_ртср - среднее значение тока i_рт.

Возможны и другие, более современные, но и более сложные схемы.

При описании схемы, приведенной на фиг.1, указывалось, что ЭДМ по соответствующим сигналам работают как в двигательном, так и в генераторном режимах и переходят из одного режима в другой. На фиг.5 показана схема, реализующая эти режимы на примере бесколлекторного двигателя постоянного тока. Здесь 1, 2, 3, 4 - ключи широтно-импульсного регулятора (ШИР), 5 - источник питания, 6, 7, 8 - коммутатора фазных обмоток 9, 10, 11, включенных последовательно с дросселем 12; 13 - ротор, 14 - датчик положения ротора ДПР: 15, 16, 17 - схемы формирования сигналов ДПР; 18 - широтно-импульсный модулятор. Ниже схемы приведены диаграммы, характеризующие ее работу, где 1-2, 3-4 диаграммы переключения ключей 1, 2 и 3, 4 ШИР. На выходе ШИР (точки 19, 20) формируются импульсы напряжения U_шир, полярность и скважность которых определяются соответственно полярностью и величиной входного сигнала U_вх. Напряжения управления 1-2, 3-4 формируются широтно-импульсным модулятором 18. Положительным значением U_вх соответствуют диаграммы, имеющие на фиг.5 обозначения без звездочек, а отрицательным - со звездочками. Формирователи 15, 16, 17 вырабатывают напряжения U₁, U₂, U₃ соответственно, которые характеризуют положение ротора 14. Эти напряжения управляют ключами 6, 7, 8, в результате переключения которых формируются фазные напряжения U_ф1, U_ф2, U_ф3 положительной полярности при U_вх>0 и отрицательной полярности при U_вх<0. Для уменьшения момента сопротивления обмотки 9, 10, 11 расположены на немагнитном статоре и имеет незначительную индуктивность. Для того чтобы ток в фазе на интервале включения был непрерывным, включен дроссель 12. Предположим, что скорость двигателя Ω>0 при U_вх>0. Если U_вх изменит знак на обратный, то полярность напряжения U_ф1, U_ф2, U_ф3 также изменится на противоположную, вследствие чего двигатель перейдет в генераторный режим и будет тормозиться. После достижения нулевой скорости двигатель разгоняется при Ω<0, работая в двигательном режиме.

Как видно из фиг.4, 5, основные узлы схемы фиг.1 выполняются достаточно просто. Остальные блоки имеют общеизвестные схемы и не требуют пояснений.

Предложенное устройство представляет собой четырехмаховиковую систему. Поэтому может возникнуть предположение, что такая система превосходит по весу обычную трехмаховиковую систему. Это не так. В результате резкого снижения потребляемой мощности появляется возможность значительного увеличения рабочих скоростей ЭДМ, что приводит к снижению их веса. В итоге четырехмаховиковая система при управлении ею предложенным способом имеет меньший вес, чем трехмаховиковая, что убедительно показано в протоколе испытаний. Кроме того наличие четвертого маховика придает системе избыточность, что обеспечивает повышение надежности.

Источники информации

1. Б.В.Раушенбах, Е.Н.Токарь. Управление ориентацией космических аппаратов. М.: Наука, 1974, с.369-378.

2. Кэннон. Некоторые основные соотношения для динамических характеристик системы управления угловой ориентацией с инерционными маховиками. - Ракетная техника, 1962, №1, с.73-91.

3. Оклэр. Усовершенствованный управляющий маховик для системы угловой стабилизации космического объекта. - Вопросы ракетной техники, 1970, №8, с.64-76.

Изобретение относится к области электротехники и касается маховиковых систем, предназначенных для управления движением космических аппаратов относительно центра масс. Система включает в себя четыре электродвигателя-маховика (ЭДМ), два из которых, принадлежащие одной оси, образуют спарку. Имеются также регуляторы тока питания ЭДМ спарки и регуляторы тока ЭДМ, не входящих в спарку. Регуляторы тока питания ЭДМ спарки состоят из рекуперативных статических преобразователей, датчиков тока и схем сравнения сигналов, соединенных определенным образом с регуляторами тока других ЭДМ. В системе производится обмен энергией между ЭДМ, минуя источник. Изобретение позволяет уменьшить пиковые значения потребляемой мощности. 5 ил.

Устройство для трехосной стабилизации космического аппарата, содержащее блок управления моментом, первый и второй выходы которого через первый и второй блоки регулирования тока, другие входы которых подключены к источнику питания, соединены соответственно с первым и вторым электроделителями маховиками, третий и четвертый электродвигатели-маховики, образующие спарку, соответственно через третий и четвертым блоки регулирования тока соединены с источником питания, а также усилитель, блок сравнения, первый, второй, третий блоки сложения и первый, второй блоки вычитания, отличающееся тем, что, с целью снижения пиковых значений потребляемой мощности, в него между источником питания, первым и вторым блоками регулирования тока, а также между вторым, третьим блоками регулирования тока и вторым, третьим электродвигателями - маховиками, введены соответственно первый, второй, третий и четвертый измерители тока, выходы первого и второго измерителей тока через первый блок сложения соединены со входами третьего блока сложения и второго блока вычитания, к другим входам которых подсоединены через усилитель и блок сравнения, входы которого через второй блок сложения и первый блок вычитания соединены с блоком управления моментами и соответственно с третьим и четвертым измерителями тока.