CC BY
77
УДК 681.532.5+681.58
DOI: 10.25206/1813-8225-2019-167-72-76
д. с. положенцев123
д. й. ДЖУКИЧ12
д. н. захаров2
'Научно-исследовательский институт командных приборов, г. Санкт-Петербург
2Балтийский государственный технический университет «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург 3Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, г. Санкт-Петербург
система управления
исполнительного электропривода устройства
поворотного солнечной батареи космического аппарата
В работе рассмотрены вопросы создания системы управления исполнительного электропривода устройства поворотного солнечной батареи космического аппарата, отличающейся жесткими требованиями по отработке задаваемых угловых ускорений и скоростей вращения, при воздействии полезной нагрузки и возмущающих сил. Работа заключается в разработке системы управления, ее математическом описании, моделировании и изготовлении опытного образца устройства, отвечающего заданным техническим требованиям. В работе были применены методы математического и экспериментального исследования. Математическое моделирование системы проводилось средствами прикладной программы МА^АВ^тиНпк. В результате проделанной работы была предложена структурная схема системы управления исполнительного электропривода устройства поворотного солнечной батареи работающей следящей системы по заданному угловому положению, вычисленному необходимым для отработки заданных угловых скоростей и ускорений вращения образом. В статье представлены результаты математического моделирования работы исполнительного электропривода, а также приведены результаты, полученные при отработке заданной угловой скорости вращения реальным образцом устройства поворотного солнечной батареи. Произведен анализ и сравнение теоретических и практических результатов. Экспериментальное исследование продемонстрировало достижение цели при создании системы управления исполнительного электропривода, а также достаточно точное совпадение результатов моделирования и эксперимента. Предложенная система управления может быть использована при проектировании и создании устройств с аналогичными техническими требованиями.
Ключевые слова: исполнительный электропривод, устройство поворотное солнечной батареи, вентильный двигатель, система управления угловой скоростью, система управления угловым ускорением, обратная связь по углу.
Введение. Перспективы дальнейшего развития и совершенствования системы энергоснабжения спутниковых систем и орбитальных станций во многом связаны с совершенствованием алгоритмов управления солнечными панелями, ведь, как известно, потребление мощности излучения солнца считается одним из самых надежных и отработанных вариантов обеспечения космического аппарата (КА) электроэнергией [1, 2].
Современный исполнительный электропривод (ИЭП) устройства поворотного солнечной батареи (УПСБ) КА характеризуется низкими рабочими скоростями вращения выходного вала (ВВ), которые могут быть на уровне десятых, сотых и даже тысячных долей градуса в секунду. Специфическими особенностями ИЭП УПСБ являются необходимость ограничения ускорения вращения ВВ, уровень которого, при смене задаваемого значения скорости,
должен составлять тысячные доли градуса в секунду за секунду и наличие высокого момента сухого трения, возникающего в щеточно-коллекторном устройстве установленном для передачи энергии от солнечной батареи к системе энергообеспечения КА [3, 4].
Высокие требования к КА и его составным частям по ограничению габаритно-массовых параметров, стойкости к неблагоприятным факторам космического пространства, длительному сроку службы существенно влияют на структуру и состав электропривода. На ВВ УПСБ располагается датчик угла, предназначенный для выдачи информации об угловом положении солнечной батареи в систему управления КА. Разрешающая способность датчика угла ограничена указанными выше требованиями и обычно не превышает 16—18 разрядов двоичног о кода.
Современный бортовой электропривод строиося на основе вентильного двигателя без датчика положения ротора. Для расчета коммутационной фун к-ции управления вентильным двигателем используется пересчитанная информация с датчика угла ВВ [5].
Целью работы является создание системы управления ИЭП УПСБ КА, обеспечивающей высокие точностные показатели отрабатываемой угловой скорости и углового ускорения ВВ. При этом состав ИЭП не должен быть дополнен новыми эла-ментами, что неминуемо приведет к ухудшению габаритно-массовых и надежностных характеристик УПСБ.
Математическая модель солнечной батарей.
Для достижения поставленной цели было проведено математическое моделирование системы управления ИЭП УПСБ. При этом основное внимсни е было уделено моделированию объекта регулирования, которым является солнечная батарея (СБ). СБ можно представить, как систему, состоящую из ко -нечного числа элементов (определяется конструкцией СБ) [6, 7]. Упругое взаимодействие привода с объектом регулирования было представлено двух-массовой системой и описано следующим образом [7]:
¿ос^ос = С, -Ло
5 - -М
одо ЯС= — гфиведеуны- момент инерции СБ; мос — угол поворота СБ; С1 — угловая жесткость нагрук-ки , мвв — угул поворота ВВ, ц — коэффициент демпфирования.
При этом был учт ен момент упругой связи и е^ вого элемента СБ с ВВ, обеспечивающий имитацию торсионного эффекоа, который мвляеооя прмложен-нымкВВ моментом нагрузки. Уравнение движения первкго элем—ива СБ, упруго связанного с ВВ:
Ф, = у, Ла-- а Ву ,
где ФГ1 =) — передаточАся фс кция элементов СБ по углу поворота сты уа С--.
та, (— =
Р-а -
где С2 — значение собственной частоты г-го элемента СБ, б , — коэффициент неупругого сопротивления г-го элемента СБ.
Управление угловой скоростью. Структурная схема системы управления угловой скоростью предполагает наличие измерителя скорости. Информацию об угловойскорости можно вычислить по показаниям датчика угла. Однако, как показано в [8], для качественного измерения угловых скоростей, указанных выше порядков, необходим датчик угла с разрешающей способностью 23 — 26 разрядов. В случае наличия датчика угла с малой разрешающей способностью целесообразным видится построение следующей сиотемы угфавл-ния —гмовой скоростью: интогри=—аанм е — адаю—цмго скоросоя сигнала и последующая работа в режиме оледящей системУ1 по ословому положунию ВВ [9, 10]. Структурная схема таао й сустемы управления ИЭП УПСБ представлена на рис. 1 , гдт И — иутегратор задаваемой скорости вращения, РУ — регулятор контура угла, ВШИО — в—кторныС широтно-импульсный модолятор, КУО — кыючевой ^рикитель мощности, ДВ — двигатель, СБ — лалн ечная батарея, ДУ — датсик угла ВВ, ЭП — электронный преобразователь ДУВВ, УС — шстрБйство сопряжения, МПИ — магистуальный последовательный интерфейс, М К — микроконтролсе]э, Б^П — бл ак управления усуоКсывым поворшттныБ!, ИЭП — исполнительный элекгросрив од, — С — код задаваемой скорости вращения 13В, —фа — расчётный код поворота ВВ, А—ф — сигнал рассогласования контура угла, ЫШИМ ~ входный кода ВШИМ, Та; Ть; Тс — длительности сигналов ВШИМ, управляющие КУМ, и .; и • ы , — амплитудные значения линей-
ампг амп2 апм3 J ^
ных напряжений подаваемых на двигатель; угло-вос положение уВ; шос — угловая скорость СБ; Мупр — момент упругости создаваемый СБ; ЫВВ — код измеренногоугла поворота ВВ.
Рис. 1.Структурная схема иЭП,работающегов режиме следящей системы поизменяющемуся углу
0,1 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0
-0,02
где м , — угол посо,ога г-ге экемента СБ, Р.(я) — передаточная функция г-го элемента СБ.
ос
а
Р — - = =- ы б• к е- к2,
Рис. 2. Результаты моделирования работы иЭП задаваемой угловой скорости 0,1 °/с
73
Результаты математического моделирования отработки ИЭП задаваемой угловой скорости 0,1 °/с при требуемом ускорении не более 0,01 °/с2, представлены на рис. 2. Угловая скорость ВВ УПСБ определялась как среднее скользящее по 16-битному коду углового положения. Можно отметить, что управление угловой скоростью ВВ УПСБ происходит с высокой точностью, однако на диаграмме ускорения видно многократное превышение углового ускорения ВВ заданной величины.
Нпрмвлгние угловым ускорением. На первый взгляд может поканотнся, что гаиОолеа простым решонием данной задачи могло бы Ногоь опрани-чение амплитуды нота в обмотках двигателя и, как сяенств ие, ограниченне разоиваеоого им момента (ускорення). О,м,нако в сноу аог о что момент трения представляет собой перене нную величину (точяое значови е которой неозвестно), зависящую от углового положения а, температуры окружающей срняж и ^нгьггс па^^яп[яггн)о)^ — насфриоьпо-добл]ый «огрвничлтель вокв» не представляется воз-можоаш .
Дл еавнешения етой проблемы было доработано програмьлноо оПмспяоиние (ПО) мотноконтроллера ИЭП, а именно — введгн фярлиеователь кода скоростоь К.. омл поквзано на рис. 3.
Формираватель кода сторовеи посне поступления Nг форминуьн линейно нарастающий (убывающий) код угловоН скорасти N,пач с ограничением, на уоавне саятп ессоввющим коеу ЬУШ , скорость нарастания (убыяаяга) росчёаного кода угловой ско-ростг ваяа двиганего ояре^ььетея по разностному уравн ению
Рис. 3. Структурная схема МК иЭП с формирователем кода угловой скорости
Рис. 4. Результаты моделирования работы иЭП с формирователем скорости задаваемой угловой скорости 0,1 °/с
ь)пач(рС я а
. Та.ЬИл(р) е ЬГч(р и 1С .
где п — ном лр так та ра боты И Э П, Г5 — период дискретизации, явл — квэфМицилнтинтегратора фор-мир ьвятеля.
1
^МПИ
УС
Фм и РУ
нз
л^я3
мк
Ть
АЦП
где лгг ип„с(фа) ' аасв ■
Для обьс/ечснюя тилбявания технического задания по ограниченлю угиоввга уско мания ВВ до 0,01 °/е2 было ве1брано задаваемое значение углового /еловения юВ а <вуорьтных зппасом:
Ьвгв я а,005. вяо Мь к ммая ьввяа0,аа5вяо мь<мгс-ЬВВ а а вяо Мь я мк
Тогда
М я
мгг)р) а
ь м
вя о а к инм вя а ЬМл < И)а.
N» ■ Ввв
С/ф я а, в,о а я инпач
Резуитатп математиаескчго моделирования работы ИЭП с формирователем задаваемой скорости 0,1 °/с пмедставлены на рис. 4. Видно, что управление как угмовой скоростью, так и угловым ускорением ВВ УПСБ происходит с требуемой точностью.
Рис. 5. Структурная схема МК иЭП с формирователем скорости и нелинейным звеном
При этом время от подачи команды задания угловой скорости до начала движения составляет более 5 секунд, что связано с большой величиной момента сухого трения.
Преодоление момента сухого трения. В рассматриваемом УПСБ значение момента сухого трения может достигать 30 % от номинального момента вентильного двигателя (значение может меняться от прибора к прибору, зависит от углового положения ВВ и других параметров). Подобная величина момента трения может приводить к существенному (десятки секунд) увеличению времени реакции ВВ на заданный код скорости вращения.
Для решения задачи быстродействия системы в контур регулирования включено нелинейное звено (НЗ), которое формирует код ЫНЗ для повышения номинальной крутизны привода в области малых угловых рассогласований путём изменения рассчитанного кода NШИМ в зависимости от знака кода рассчитанной угловой скорости. Таким образом, структурная схема МК рассматриваемого ИЭП преобразовывается к виду, представленному на рис. 5, где НЗ — нелинейное звено, NВЫХ — выходное значение кода регулятора угла.
С/Ф я ь ВВ
гг
15 20 25 Время, с
Рис. 6. Результаты моделирования работы ИЭП с НЗ и формирователем скоростизадаваемой угловой скорости 0,1 °/с
Рис. 7. Проверка реальным ИЭП УПСБ задаваемой угловой скорости0,1 °/с
НЗ описывае тся выражением:
NH3 = KH3 • signNpr)
ИЭП. Эта величина не должна превышать величину момента сухого трения, но должна компенсировать большую его часть.
Результаты математического моделирования работы ИЭП с НЗ и формирователем задаваемой угловой скорости 0,1 °/с представлены на рис. 6. Видно, что время трогания ВВ заметно сократилось, а перерегулирование по ускорению уменьшилось.
Результаты экспериментальной проверки опытного образца УПСБ. Результаты экспериментальных исследований ИЭП УПСБ задаваемых скоростей вращения 0,1 °/с представлены на рис. 7. Видно, что ускорение, как и скорость, контролируется системой управления с достаточно высокой точностью. Результаты, представленные на рис. 6 и рис. 7, имеют высокую степень сходимости. Основное отличие заключается в отсутствии пульсаций углового ускорения, представленного на рис. 7, это связано с отсутствием помеховой составляющей в ДУ, по которому определялось угловое положение при экспериментальной проверке.
Заключение. В статье предложен способ построения системы управления ИЭП УПСБ. Суть способа заключается в поочередном двойном интегрировании заданного углового ускорения, с промежуточным ограничением угловой скорости вращения заданной величиной и регулировании
объектом управления по контуру угла выходного вала. Устройство математически описано и промоделировано в среде Matlab/Simulink. Моделирование было проведено, опираясь на работы [11 — 14].
Результаты моделирования и испытаний опытных образцов УПСБ показали эффективность принятых схемотехнических решений. Предложенная система управления ИЭП позволяет обеспечить точное управление угловой скоростью с управляемым значением углового ускорения в условиях действия нестабильного момента сухого трения.
Библиографический список
1. Гущин В. Н. Основы устройства космических аппаратов. М.: Машиностроение, 2003. 272 с.
2. Бровкин А. Г., Бурдыгов Б. Г., Гордийко С. В. [и др.]. Бортовые системы управления космическими аппаратами / под ред. А. С. Сырова. М.: МАИ-ПРИНТ, 2010. 304 с.
3. Allegranza C., Gaillard L., Letty R. Le [et al.]. Actuators for Space Applications: State of the Art and New Technologies // ACTUATOR 2014. 14 Intern. Conf. on New Actuators. Bremen, Germany, 2014. P. 283-288.
4. Kumar A., Valarmathi M. High Precision Stepper Motor Controller Implementation on FPGA with GUI on LabVIEW // International Journal of Advanced Research. In Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering. 2013. Vol. 2 (4). P. 1197-1202.
5. Положенцев Д. С., Джукич Д. Й. Исполнительный электропривод гиродина // Электронные и электромеханические системы и устройства: сб. науч. тр. Томск: Изд-во Томского политехн. ун-та, 2016. С. 301-306.
6. Пересленгин Н. Г. Демпфирующие свойства электропривода в многомассовых системах с упругими связями // IX Всесоюзная конференция по проблемам автоматизированного электропривода: сб. науч. тр. М.: Энергоатомиздат, 1986. C. 82-89.
7. Ключев В. И. Теория электропривода. 2-е изд. М.: Энер-гоатомиздат, 2001. 704 с.
8. Садовников М. А. Измерение скорости движения силового электропривода с помощью оптических датчиков угла // Известия вузов. Приборостроение. 2008. Т. 51, № 6. С. 52-57.
9. Джукич Д. Й., Якимовский Д. О., Положенцев Д. С. Организация систем управления низкоскоростных электроприводов // Завалишинские чтения'14: сб. докл. СПб.: Изд-во ГУАП, 2014. С. 139-141. ISBN 978-5-8088-0954-3.
10. Якимовский Д. О., Положенцев Д. С., Джукич Д. Й. Исполнительный электропривод перспективного силового гироскопического комплекса // Доклады ТУСУР. 2018. Т. 21, № 3. С. 103-108. DOI: 10.21293/1818-0442-2018-21-3-103-108.
11. Nagorniy V., Aristov A. Mathematical simulation of the asynchronous electric drive of periodic movement // Proc. MATEC Web of Conferences. 2017. Vol. 113. 01042. DOI: 10.1051/ matecconf/201711301010.
12. Gasiyarov V. R., Radionov A. A., Maklakov A. S. Modelling and simulation of three level inverters for main drive of the plate mill rolling stand // Proc. MATEC Web of Conferences. 2016. Vol. 45. 02001. DOI: 10.1051/matecconf/20164502001.
13. Zhang W., Xiao F., Qiao M. PMSM system controlled by SVM-DTC // Proc. MATEC Web of Conferences 2016. Vol. 55. 01007. DOI: 10.1051/matecconf/20165501007.
14. Герман-Галкин С. Г. Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК. СПб.: КОРОНА-Век, 2008. 368 с. ISBN 978-5-903383-39-9.
ПОЛОЖЕНЦЕВ Дмитрий Сергеевич, начальник сектора по разработке электроприводов Научно-исследовательского института командных приборов,
где величина ^ определяется при регулировке
г. Санкт-Петербург; аспирант кафедры «Системы приводов, мехатроника и робототехника» Балтийского государственного технического университета (БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова), г. Санкт-Петербург; ассистент кафедры управления в технических системах Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения.
Адрес для переписки: pds6476564@yandex.ru ДЖУКИЧ Даниэл Йорданович, инженер 1-й категории сектора по разработке электроприводов Научно-исследовательского института командных приборов, г. Санкт-Петербург; аспирант кафедры «Системы приводов, мехатроника и робототехника» БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург.
Адрес для переписки: ddi791@mail.ru
ЗАХАРОВ Дмитрий Николаевич, магистрант гр. И8М51 факультета информационных и управляющих систем БГТУ «ВОЕНМЕХ» им. Д. Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург.
Адрес для переписки: zaxarov.dm1t@yandex.ru Для цитирования
Положенцев Д. С., Джукич Д. Й., Захаров Д. Н. Система управления исполнительного электропривода устройства поворотного солнечной батареи космического аппарата // Омский научный вестник. 2019. № 5 (167). С. 72-76. Б01: 10.25206/1813-8225-2019-167-72-76.
Статья поступила в редакцию 26.06.2019 г. © Д. С. Положенцев, Д. Й. Джукич, Д. Н. Захаров
о
