IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

При освоении космического пространства большое значение приобрела проблема управления космическим летательным аппаратом (КЛА). Под управлением КЛА понимается управление движением его центра масс и движением вокруг этого центра [1]. Это связано с необходимостью угловой ориентации аппарата в требуемом направлении при решении различных практических задач.

В системе угловой ориентации средних и малых КЛА применяются электромеханические органы на базе маховиков, приводимые в движение электродвигателями. Данный выбор объясняется тем, что эквивалентная масса источника энергоснабжения и суммарная масса управляющего устройства не зависят от продолжительности работы электромеханического органа на базе двигателя-маховика [2]. Поэтому применение систем с двигателями-маховиками оказывается более рациональным по сравнению с другими двигателями, например реактивными, аналогичная характеристика которых увеличивается с ростом продолжительности ориентированного полёта. Чаще всего устанавливают три маховика, оси которых совмещают с главными осями инерции летательного аппарата. Однако использование маховичных систем приводит к необходимости иметь на борту специальное разгрузочное устройство, применяемое для периодического снятия с маховиков накопленного ими кинетического момента. Это устройство, обычно, состоит из системы реактивных микродвигателей или магнитопривода, электромагнит которого взаимодействует с магнитным полем Земли, создавая необходимый момент [3]. Функции маховой массы выполняет ротор с постоянными магнитами, который расположен на максимально возможном диаметре.

Маховики для ориентации КЛА, как уже было сказано ранее, приводятся в движение электродвигателями. Чаще всего применяют такой тип электродвигателя, как бесконтактный постоянного тока. Эти двигатели лучше всех остальных удовлетворяют требованиям, предъявляемым к управляемым двигателям систем автоматики в отношении массогабаритных показателей, энергетических и электромеханических характеристик, а также надёжности и диапазона частот [4]. Электродвигатель может обеспечивать реверсивное вращение ротора-маховика и его торможение, а величина создаваемого им вращающего момента может плавно меняться в заданном диапазоне в соответствии с сигналом управления, подаваемым на вход маховичной системы.

В качестве прототипа микродвигателей, используемых в малых КЛА, для исследований лучше всего подошёл электродвигатель от флоппи-дисковода персонального компьютера (рис.1). Этот электродвигатель относится к бесконтактным двигателям постоянного тока. Он имеет ряд характерных конструктивных особенностей. На статоре расположена силовая обмотка якоря, состоящая из нескольких катушек, которые сдвинуты относительно друг друга в пространстве. Его ротор выполнен в виде постоянного магнита. Положение оси магнитного потока этого ротора по отношению к осям катушек силовой обмотки статора определяется специальными бесконтактными датчиками.

Рис.1. Электродвигатель привода флоппи-диска

Для управления данным двигателем потребовалось разработать электронную плату. В качестве основной микросхемы привода была использована микросхема TDA5140A (рис.2). Её особенность заключается в том, что она облегчает работу с подобными бесколлекторными двигателями, которые отличаются от коллекторных схемой питания, представляющей собой три канала, фаза управляющего сигнала которых имеет отставание на 120 градусов. Чтобы реализовать данный управляющий сигнал, необходимо использовать широтно-импульсную модуляцию и мощный оконечный каскад на полевых транзисторах. Но благодаря возможностям данной микросхеме этого делать не потребовалось.

Рис.2. Электронная схема на TDA5140A

Определение зависимости нарастания скорости вращения ротора микродвигателя от моментов инерции на его валу проводилось при помощи оптического датчика и отладочной платы на микроконтроллере ATMEGA 328P. Результаты представлены на рис. 3. На нём кривые слева направо соответствуют переходным процессам изменения скорости вращения при увеличении момента инерции. По данным графикам видно, что чем выше момент инерции, тем за более длительный промежуток времени скорость ротора достигает своего максимального значения.

Рис.3. Зависимости изменения скорости вращения ротора

Скорость вращения ротора регулировалась при помощи подстроечного напряжения. Из графика рис.4 видно, что рост установившейся скорости вращения прекращается при напряжении 2,6 В.

Рис.4. Зависимость изменения скорости вращения ротора от подстроечного напряжения

Полученные результаты позволят в дальнейшем выбрать оптимальную установившуюся скорость вращения ротора, при которой будут наблюдаться допустимые режимы работы опор вращения и достаточный момент импульса, развиваемый двигателем-маховиком.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев К.Б., Бебенин Г.Г. Управление космическим летательным аппаратом. - М.: Машиностроение, 1964. - 402 с.

2. Баландина Т.Н., Баландин Е.А. Электромеханический исполнительный орган на базе бесконтактного элетродвигателя постоянного тока с печатной обмоткой на дисковом статоре для малого космического аппарата// Вестник СибГАУ. - 2015. - Т.16.- №1.-С.166-170.

3. Петров Б.Н. Принципы управления космическими аппаратами - Наука и человечество,1968. - (http://epizodsspace.narod.ru/bibl/n-i-ch/1968/upr.html).

4. Адволоткин Н.П., Гращенков В.Т., Лебедев Н.И., Овчинников И.Е., Стыцына А.К. Управляемые бесконтактные двигатели постоянного тока. Ленинград, 1984. - 160 с.

Код для цитирования: Скопировать