Спосіб керування електромаховичним двигуном постійного струму в режимі двосторонніх включень

Изобретение относится к автоматическому управлению и может найти применение для прецизионной ориентации в пространстве космических объектов с помощью электромаховичных двигателей (ЭМД) постоянного тока с постоянными магнитами, Прототипом является известный способ управления ЭМД постоянного тока, при выполнении которого включают и выключают ЭМД по сигналам системы управления ориентацией, измеряют ток в обмотке ЭМД и сравнивают с заданной величиной, соответствующей заданному значению управляющего момента, при токе большем заданного значения ЭМД выключают, даже если по сигналу системы управления ориентацией ЭМД должен быть включен. Таким образом, ток в обмотке ЭМД не может превысить заданного значения, а, следовательно, управляющий момент не может превысить заданного значения. Недостатком известного способа прототипа является то, что: имеется расход энергии при включенном по сигналам системы управления ориентацией ЭМД на коммутирующих и измерительных элементах системы слежения за величиной тока; энергия расходуется как при прямом включении ЭМД (в направлении увеличения скорости вращения маховика), так и при обратном включении ЭМД (в направлении торможения скорости вращения маховика) при двусторонних включениях ЭМД в режиме прецизионной ориентации, когда зона нечувствительности релейного элемента системы управления ориентацией мала или просто отсутствует; механическая характеристика ЭМД, т.е. зависимость управляющего момента от скорости вращения маховика теряет свойство уменьшаться с увеличением его скорости, что, как известно, способствует демпфированию колебаний аппарата около требуемого направления и особенно ценно в прецизионных режимах. Задача изобретения - устранение пульсаций управляющего момента, снижение расхода энергий, особенно при двусторонних включениях ЭМД, сохранение падающего характера механической характеристики ЭМД. Задача достигается тем, что в известном способе управления ЭМД постоянного тока, включающем операции включения и выключения ЭМД по сигналам системы ориентации, разбивают рабочий интервал угловой скорости маховика на подинтервалы, измеряют угловую скорость маховика и напряжение питания ЭМД при его включении делают зависимым от подынтервала, в котором в момент включения ЭМД находилась угловая скорость маховика. Первый частный случай предлагаемого способа заключается в том, что напряжение питания ЭМД изменяют при помощи изменения числа последовательно коммутируемых элементов аккумуляторной батареи. Второй частный случай предлагаемого способа заключается в том, что напряжение питания ЭМД изменяют при помощи подключения последовательно с обмоткой двигателя активного сопротивления в зависимости от порядкового номера подинтервала. Третий частный случай предлагаемого способа заключается в том, что при обратном включении ЭМД в режиме его двусторонних включений к обмотке двигателя вместо напряжения подключают активное сопротивление. Это позволяет управлять ЭМД при отсутствии отдельных элементов аккумулятора. Сущность изобретения поясняется рисунками, где на фиг.1 и фиг.2 изображены соответственно механическая и энергетическая характеристики ЭМД постоянного тока (при этом приняты следующие обозначения: Мэм и Р электромагнитный момент и мощность ЭМД, W - относительная угловая скорость вращения маховика, UI - напряжение питания (i=1;2); W1 и W2 - скорости, при которых электродвижущая сила становится равной напряжению питания. Для уменьшения потерь на вихревые токи и гистерезис ЭМД постоянного тока выполняют с диэлектрическим статором, состоящим из обмотки, пропитанной эпоксидной смолой с высокой теплопроводностью. При таком выполнении электрической машины влиянием индуктивности и взаимоиндуктивности элементов обмотки статора можно пренебречь и рассматривать принцип ее работы аналогично коллекторному двигателю постоянного тока. Напряжение U, приложенное к обмотке электродвигателя постоянного тока, уравновешивается противоэлектродвижущей силой Еа и падением напряжения І аrа на активном сопротивлении обмотки. Электродвижущая сила Еа пропорциональна относительной угловой скорости ротора W (в нашем случае маховика) по отношению к статору и полному магнитному потоку Ф: где Со - постоянный коэффициент, пропорциональный числу пар полюсов и числу проводников обмотки якоря. Электромагнитный момент, развиваемый двигателем, равен: где См - постоянный коэффициент, пропорциональный как и Се числу пар полюсов и числу проводников обмотки якоря. Полная мощность, потребляемая из электросети электродвигателем, равна Из уравнений (1), (2), (3), (4) определяем выражение для вращающего электромагнитного момента и потребляемой мощности через напряжение U и относительную угловую скорость W маховика относительно корпуса КА: На фиг. 1 и фиг.2 в соответствии с (5) и (6) представлены графики механической Мэм = f 1(W) и энергетической Р = f 2 (W) характеристики для положительных и отрицательных значений U при I U1 I 0, ему соответствует уравнение (16). Будем считать, что Un = U > Се Ф W, т.е. при максимальной скорости Wmах электродвижущая сила не превосходит напряжение питания, а, следовательно, при прямом включении создается электромагнитный момент положительной полярности, что соответствует уравнению (5) при подставке ra+R вместо rа. Из (16) видно, что при возрастании угловой скорости W величина Rn должна падать. Как при минимальной скорости W=0, так и в конце диапазона ее изменения Wmах добавочное сопротивление должно быть не меньше нуля. Для этого из (16) должны выполняться два условия: Из (18) и (19) видно, что, если выполняется уравнение (19), то (18) выполняется автоматически. При одном и том же двигателе и заданном Qmax условие (19) может быть выполнено при надлежащем подборе Un и/или Мэмз. Считаем, что условие (19) выполняется и известны Un=const и Мэмз. При наличии добавочного сопротивления R, последовательно подключенного к обмотке статора, уравнения (5) и (6) примут следующий вид: Если допускается в процессе управления ориентацией аппарата изменение электромагнитного момента ЭМД в пределах ±DМэм, тогда из (20) следует, что при R=const и U=const допустимое изменение угловой скорости W равно: Из {22) видно, что допустимые интервалы изменения угловой скорости W, в которых при U=const и R=const изменение электромагнитного момента не выходит на заданные пределы ± D Мэм, зависят от величины дополнительного сопротивления R, чем больше R, тем больше допустимый интервал изменения угловой скорости. Для выполнения предлагаемого способа вначале при Ф=0 из уравнения (16) определяют Rn1, соответствующее первому интервалу I=1. Затем определяют концы первого интервала по угловой скорости W из уравнения (22); Подставив в уравнение (16) вместо W величину D Wi2 (правое крайнее значение первого интервала) и Мэмз + DМэм (максимальное допустимое значение электромагнитного момента), определяем величину Rn2, а затем из уравнения (22) ширину второго интервала по формуле Правое крайнее значение второго интервала будет равно: Вновь, используя это значение скорости и величину Мэмз + DМэм, находим значение дополнительного сопротивления для третьего интервала из (16), а затем аналогично вышеописанному его ширину и правое крайнее значение третьего интервала и т.д., пока не будет найден интервал, куда попадает максимальное значение скорости Wmax из рабочего диапазона. Из уравнений (20) и (21) следует, что при таком способе управления при прямом включении ЭМД потребляемая мощность на единицу электромагнитного момента озона Формулы (26) и (10) по виду совпадают, однако по содержанию они разные. Во втором случае (26) Un = const и по существу соответствует максимальной величине Un при использовании элементов аккумулятора, т.е. при малых скоростях W энергопотребление с дополнительными сопротивлениями больше, чем при использовании элементов аккумулятора. Из (26) следует, что при использовании дополнительных сопротивлений потребление электроэнергии не зависит от скорости W при прямых включениях ЭМД. Теперь рассмотрим режим обратного включения ЭМД для W>0, ему соответствует уравнение (17). Добавочное сопротивление Ro должно быть по смыслу только положительное, Напряжение Uo по абсолютной величине равно I U I и больше чем электродвижущая сила I Се Ф Q I. Поэтому полярность напряжения Uo должна быть отрицательной, т.е. уравнение (17) можно записать следующим образом (при W> 0): На первом интервале изменения угловой скорости при W=0 добавочное сопротивление, как следует из (27) должно быть равно Из (27) видно, что при возрастании угловой скорости величина должна возрастать. Подставив в (22) полученное значение Ro1 определяем первый интервал угловой скорости для обратного включения ЭМД: Длина последующих интервалов будет, равна, аналогично как (25), а именно: где индекс I обозначает номер интервала (i=2,3...). Подставив в уравнение (17) вместо Uo величину - I U I, W=DW12 и Мэм3 - D Мэм, получаем величину добавочного сопротивления Ro2 для второго интервала, а саму величину второго интервала DW2 определяем из уравнения (31), подставив вместо Rо1 полученную величину Rо2. Правый конец второго интервала будет равен Аналогично вышеописанному определяется величина Ro3 и W32 и т.д. Как видно из (17), учтя, что Uo = - I U I, добавочное сопротивление увеличивается с увеличением угловой скорости W, а, следовательно, (см.(31)) увеличивается и величина самих интервалов по скорости W с увеличением порядкового номера интервала при обратных включениях ЭМД. Из уравнений (16) и (17) при учете, что Uo = -IUI следует, что Rn и Ro при возрастании W соответственно уменьшаются и увеличиваются, аналогичный закон имеет место и для величин интервалов по скорости для прямого и обратного включения ЭМД. Из (20) и (21) следует, что при обратном включении ЭМД, как и при прямом, мощность, расходуемая на единицу электромагнитного момента, не зависит от скорости вращения и равна Таким образом, при использовании дополнительных сопротивлений электроэнергия потребляется из сети как при прямом, так и при обратном включении ЭМД, т.е. нет режима генератора. Энергия не будет потребляться из сети, если при обратном включении ЭМД вместо подключения напряжения Uo = -IUI подключать сопротивление R. Тогда при обратном включении ЭМД электромагнитный момент будет равен (используя (5): Для того, чтобы Мэм был равен заданному значению, необходимо подключать сопротивление, равное следующему: Из (35) видно, что заданный момент Мэмз может быть получен только при достижении определенной скорости Wmin, т.к. R должно быть равно или больше нуля: При W