ВОПРОСЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ДИНАМИЧЕСКОГО СТЕНДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ-МАХОВИКА СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Полный текст

Система ориентации и стабилизации (СОС) современных космических аппаратов (КА) является сложной системой, состоящей из высокоточных приборов определения углового положения, измерения угловых скоростей КА и исполнительных устройств, меняющих пространственное положение КА. В качестве исполнительного устройства системы ориентации и стабилизации, для создания динамических управляющих моментов по трем осям связанной с КА системой координат используются двигатели-маховики. Двигатели-маховики выполнены на основе управляемого моментного бесконтактного двигателя постоян- 193 Вестник СибГАУ. N 4(50). 2013 ного тока. Функции маховой массы выполняет ротор с постоянными магнитами, расположенными на максимально возможном диаметре, в двигателях-маховиках максимально снижены тормозные моменты. Электродвигатель обеспечивает реверсивное вращение ротора-маховика, его торможение, а величина создаваемого им вращающего (управляющего) момента при этом может плавно меняться в заданном диапазоне в соответствии с сигналом управления, подаваемым на вход двигателя-маховика [1]. Для всестороннего анализа работы двигателя-маховика при наземных испытаниях необходимы испытательные стенды, на которых можно исследовать динамические и точностные параметры двигателя-маховика во всех режимах его работы. В настоящее время для измерения динамического момента двигателя-маховика обычно применяют динамический стенд измерения момента ИМ-15, разработанный в НПЦ «Полюс» [2], в котором момент вычисляется по косвенным признакам - электрическим параметрам блока электроники. Измерительная схема имеет недостаточную точность для испытаний современных приборов [3]. Другой недостаток стенда ИМ-15 заключается в том, что он не позволяет измерять динамический момент от нескольких двигателей-маховиков одновременно. Имеются данные о применении за рубежом стенда, построенного на базе газового сферического подшипника [4]. Его использование имеет ряд ограничений, таких как сложности настройки, балансировки, управления. Для решения этих проблем в ОАО «Информационные спутниковые системы имени академика М. Ф. Решетнева» разработан динамический стенд для испытания двигателей-маховиков КА. Стенд имеет следующие технические возможности: - диапазон измеряемого динамического момента ±0,5 Нм; - погрешность измерения момента в диапазоне ±2 ·10-2 Нм не более 10-4 Нм. Относительная погрешность измерения момента в диапазоне от ±2 ·10-2 Нм до 0,5 Нм не более 0,5 %; - в состав стенда входят четыре одинаковых, конструктивно разделенных измерительных блока; каждый блок позволяет измерять момент одного двигателя-маховика; На рис. 1 представлена конструктивная схема измерительного блока. Измерительный блок состоит из соединенных между собой упругой опоры 2, моментного двигателя 3, датчика угла поворота 1. Двигатель-маховик 8 установлен с помощью кронштейна 4 на измерительную балку 5, прикрепленную к упругой опоре. На рис. 2 показана функциональная схема измерительного блока. Пунктирной линией выделены части, входящие в блок электроники (БЭ). Вход блока электроники соединен с выходом усилителя-преобразователя (УП), размещенного в непосредственной близости к датчику угла. УП предназначен для усиления сигнала дат чика угла (ДУ) и включает в себя усилитель переменного тока и демодулятор, так как датчик переменного тока, а корректирующие цепи и МД работают на постоянном токе. Также УП имеет возможность регулировки коэффициента передачи K1. УП имеет два выхода, один выход которого соединен с дифференциатором ( Диф ). Дифференциатор используется для демпфирования системы, за счет коррекции частотной характеристики. Выход дифференциатора соединен с первым усилителем мощности (У1), предназначенного для усиления сигнала U1 канала демпфирования, а также частотной коррекции системы силовой компенсации. У1 имеет защиту от перепада напряжения, а также возможность регулировки коэффициента передачи КУ1. Второй выход УП соединен с усилителем мощности (У2), предназначенным для усиления сигнала U 3 канала силовой компенсации. У2 имеет защиту от перепада напряжения, а также возможность регулировки коэффициента передачи КУ2 Выход каждого усилителя мощности соединен с соответствующей обмоткой моментного двигателя. Измерительный усилитель (ИУ) предназначен для измерения тока, протекающего в цепи обмотки силовой компенсации, путем измерения падения напряжения на добавочном сопротивлении. Рис. 1. Конструктивная схема измерительного блока: 1 - датчик угла поворота; 2 - упругая опора; 3 - моментный двигатель; 4 - кронштейн крепления двигателя-маховика; 5 - балка; 6 - блок электроники; 7 - крепление измерительного блока к полу лаборатории; 8 - двигатель-маховик; БК КА - бортовой компьютер КА; УК - управляющий компьютер Принцип работы измерительного блока следующий: бортовым компьютером задается значение динамического момента MУПР, при этом двигатель-маховик создает управляющий момент Мудм, приводящий к повороту балки на угол φ , что фиксируется датчиком угла. Сигнал UдУ с датчика угла поступает в блок электроники (БЭ), где он преобразуется, а затем поступает на моментный двигатель. БЭ разбивает сигнал от ДУ на два сигнала. 194 Авиационная и ракетно-космическая техника Рис. 2. Функциональная схема измерительного блока: MynP - задающее значение динамического момента; Мудм - динамический момент, создаваемый двигателем - маховиком; φ - угол поворота измерительной балки; Uf v - сигнал, создаваемый датчиком угла; БЭ - блок электроники; УП - предварительный усилитель; Диф - дифференциатор; МД - момент-ный двигатель; БКУ КА - бортовой компьютер КА; У1, У2 - усилители; УВО - упруговязкая опора; МOC - момент, создаваемый моментным двигателем; ИУ - измерительное устройство; УВК - управляющий вычислительный комплекс; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; Об.с.к. - обмотка силовой компенсации датчика момента; Об.д. - обмотка демпфирования датчика момента; kd - коэффициент передачи канала демпфирования (коэффициент усиления по скорости); kck - коэффициент передачи канала силовой компенсации (коэффициент усиления по углу) Первый служит для формирования канала усиления по скорости (канал демпфирования), второй - для формирования канала усиления по углу (канал силовой компенсации). Оба сигнала поступают в моментный двигатель, который создает момент обратной связи Moc , компенсирующий момент, создаваемый двигателем-маховиком. При этом в обмотке силовой компенсации моментного двигателя протекает ток, значение которого замеряется с помощью измерительного устройства (ИУ), затем аналоговый сигнал поступает в АЦП, где преобразуется в цифровое значение и передается в управляющий вычислительный компьютер (УВК). Блок электроники обеспечивает требуемые для измерения управляющего момента усиления по углу и скорости путем преобразования, коррекции сигналов датчика угла до уровня и мощности, необходимых для работы датчика момента и измерения тока в его обмотке. Функциональная схема может быть описана следующими уравнениями: 1. Уравнение движения измерительной балки: φ = ^m ; AM = M - Mc - Mf, (1) Y0 где М - момент, развиваемый управляющим двигателем-маховиком; Mc - момент, развиваемый каналом силовой компенсации; Mд - момент, развиваемый каналом демпфирования. 2. Передаточная функция датчика угла: UДУ = кДУ ■ φ . (2) 3. Передаточная функция УП имеет вид U1 = K1 -Цду . (3) 4. Передаточная функция дифференциатора имеет вид U 2 = Km ■ — ■ p. (4) 5. Передаточная функция У1 имеет вид I1 = KУ! ■ ——, (5) ЯД где Яд - сопротивление обмотки демпфирования. 6. Передаточная функция У2 имеет вид: 1ИЗМ = KУ 2 ■ RR- > (6) КС где Rc - сопротивление обмотки силовой компенсации; 7. Передаточная функция моментного двигателя: МС = К ДМ2 ■1ИЗМ ; МД = КДМ1 ■ 1I , (7) где К дМ2 - коэффициент передачи обмотки канала силовой компенсации; Кдмj- крутизна характеристики обмотки канала силовой компенсации, По уравнениям (1)-(7) построена структурная схема функционирования измерительного блока (рис. 3). 195 Вестник СибГАУ. N 4(50). 2013 Рис. 3. Структурная схема ИБ По уравнениям (1)-(7) получены следующие соотношения: RC AM = М - " · КДМ 2 · КУ 2 · К1 · кДУ φ + TT TT TT TT TT 'ЛДМ1 У1 Д1 'Л1 ДУ φ, Kck = - Re " · КДМ2 · КУ2 · К1 · КДУ : 1 Kd - R ’ КДМ1 ·КУ1 ·КД1 · К1 · КДУ . rA Уравнение движения системы имеет вид: Y0 -Cp + Kd ·φ + Kck ·φ = МуДм . (8) (9) (10) (11) Зависимость тока /ИЗМ в обмотке датчика момента от угла поворота измерительной балки φ имеет вид = КУ 2 · K1 · КДУ · φ I ИЗМ Rc (12) Значения параметров неизменяемой части системы, которые определены выбором элементов, приведены ниже: В КДУ = 5,06 КДМ1 = КДМ2 Mr max I1 max рад Mc max „ „ H · м :-C- = 0,9112 max Rc = Rr = 5 Ом; Y0 = 0,1 кг · м2; Кск = 70 А Н · м рад Коэффициент передачи канала демпфирования определен исходя из относительного коэффициента демпфирования ξ = 0,707 : Kd = 2ξ^/Y0 · Кск = 2 · 0,707^/0,1· 70 = 3,741. По уравнениям (9), (10) определены параметры изменяемой части системы: Kck · Re КДМ2 ·КДУ = КУ 2 · К1 : КУ2 · К1 = 70 · 5 0,91· 5,06 = 76,01, (13) Ка · R КДМ1 · КДУ = К У1 · КД1 · К1 ; К У1 · КД1 · К1 = 3,741 · 5 = 4,06. (14) 0,91 · 5,06 Отношение коэффициентов передачи канала демпфирования и канала силовой компенсации имеет вид КУ1 · КД1 К У2 КУ1 · КД1 · К1 КУ 2 · К1 (15) При одинаковых параметрах усилителей мощности КУ1 = КУ2, что удобно при технической реализации, коэффициент передачи дифференциатора будет 4, 06 КД1 = КУ1 · КД1 · К1 КУ2 · К1 76,01 ■ = 0,05. Исходя из того, что операционные усилители имеют выходное напряжение ± 10 В, а для обеспечения тока 1,1 А в обмотках 10,5 Ом, необходимо напряжение ±12В . С учетом запаса кЗ = 1,5 выбрано КУ1 = К У 2 = 2 . Коэффициент передачи усилителя-преобразователя: K1 = Кск · r^ = , „70_ · 5, , = 38. КДМ2 · КДУ · КУ 2 0,91 · 5,06 · 2 В результате расчетов получено для канала силовой компенсации: КУ2 = 2 ; K1 = 38 . Для канала демпфирования: КУ1 = 2; K1 = 38; КД1 = 0,05. Основным конструктивным элементом измерительного узла является упругая вязкая опора (УВО), на которой размещены датчик угла, моментный двигатель, измерительная балка. Опора обладает высокой радиальной и осевой жесткостями, имеет большую надежность при эксплуатации [5]. На рис. 4 изображены два характерных конструктивных элемента опоры. Конструкция упругих элементов выполнена из монолитной заготовки, без применения сборочных операций. Каждый упругий элемент содержит два коаксиальных кольца: внутреннее 1 и наружное 2, связанные между собой упругой лентой 3. Упругий элемент 196 Авиационная и ракетно-космическая техника № 2 содержит узел нагружения ленты. Опора собрана из жестко связанных между собой двух упругих элементов № 1 и одного элемента № 2 так, чтобы оси упругих лент каждого элемента были смещены друг относительно друга на 120°, если смотреть по оси опоры. а б Рис. 4. Упругие элементы опоры: а - упругий элемент № 1; б - упругий элемент № 2; 1 - внутреннее кольцо; 2 - наружное кольцо; 3 - упругая лента; 4 - узел нагружения Настройка осуществляется путем подбора усилия нагружения лент. Устройство нагружения позволяет либо растягивать ленту, либо сжимать ее. В качестве датчика угла поворота измерительной балки выбран бесконтактный оптический угловой датчик SIGNUM RESM. В состав датчик угла SIGNUM RESM входят: - кольцо c нанесенными масштабными штрихами и встроенной нулевой меткой; - две считывающие головки с кабелем. На боковую поверхность кольца, выполненного из нержавеющей стали с интервалом 20 мкм нанесены масштабные штрихи и автофазирующая оптическая нулевая метка. Две считывающие головки закреплены на корпусе так, что угол между нулевыми метками составляет 180°. Измерение угла поворота балки измерительного блока происходит при считывании отраженного от масштабной шкалы сигнала в считывающей головке. Поскольку угловой датчик SIGNUM RESM установлен непосредственно на ротор моментного двигателя, система свободна от блужданий сервопривода, колебаний, люфтов и различных ошибок, механического гистерезиса, присущих традиционным корпусным датчикам угла, соединенным с валом при помощи муфты, и обеспечивает точность при серии малых инкрементных перемещений [6]. В качестве моментного двигателя в измерительный блок установлен моментный двигатель с ограниченным углом поворота ротора (ДМС 220). ДМС 220 относится к бесконтактным индукторным мо-ментным двигателям постоянного тока типа МД с электромагнитной редукцией частоты вращения ротора, с возбуждением от постоянных магнитов. Он отличается геометрическим выполнением секторных (дуговых) статора и ротора, диаметральная длина которых обеспечивает установленный для каждой модификации ДМС диапазон рабочих углов поворота ротора относительно статора [7]. Узел сборки измерительной балки, датчика угла SIGNUM RESM, упруговязкой опоры и моментного двигателя ДМС 220 изображен на рис. 5. Элемент крепления внутреннего кольца жестко связывает между собой измерительную балку, внутреннее кольцо упруговязкой опоры, ротор моментно-го двигателя, датчик угла. Элемент крепления внешнего кольца жестко связывает между собой внешнее кольцо упруговязкой опоры и статор моментного двигателя. Измерительная балка Упруговязкая опора Моментальный двигатель Датчик угла Элемент крепления Элемент крепления внутреннего кольца наружного кольца Рис. 5. Узел сборки измерительной балки, датчика угла SIGNUM RESM, упруго-вязкой опоры и моментного двигателя ДМС 220 197 Вестник СибГАУ. N 4(50). 2013 В результате разработан динамический стенд, позволяющий производить измерения динамического момента одновременно с четырех двигателей-маховиков в диапазоне ±0,9 Нм, с точностью не менее 10-4 Нм. Динамический стенд способен измерять момент непосредственно от двигателя-маховика, что обеспечивает более точную имитацию углового движения КА в замкнутом контуре испытаний СОС КА.

Об авторах

Дмитрий Евгеньевич Синицкий

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева»

Email: Dimasik77@yandex.ru
инженер-конструктор Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Александр Владимирович Мурыгин

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: avm514@mail.ru
доктор технических наук, заведующий кафедрой информационно-управляющих систем Российская Федерация, 660014, Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы