CC BY
19УДК 62-50: 681.587.72
УПРАВЛЕНИЕ ИНДУКТОРНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ ПОВОРОТА ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
Р. М. Никитин, Д. Е. Алфимов
Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 E-mail: [email protected]
Рассмотрен пример управления индукторным двигателем двойного питания на основе угла поворота солнечной батареи космического аппарата (КА), условно находящегося на земной орбите. В предложенной концепции планируется производить расчет модели двигателя при помощи параметров измеряемых или рассчитываемых исполнительным устройством КА.
Ключевые слова: электропривод, управление, угол поворота, солнечные батареи.
CONTROLLING THE INDUCTOR MOTOR OF DOUBLE-WAY FEED FOR ROTATION SYSTEMS OF SOLAR BATTERY ELECTRIC DRIVE
R. M. Nikitin, D. E. Alfimov
Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E-mail: [email protected]
The research demonstrates an example of control the inductor motor of double-way feed based on rotation angle of satellite solar battery, conventionally located in earth orbit. It is planned to calculate the drive model in the concept by using parameters measured or calculated by executive device of satellite.
Keywords: electric drive, control, rotation angle, solar batteries.
Для регулирования антенн и солнечных батарей (СБ) космических аппаратов КА обычно используется электроприводы с синхронными двигателями с постоянными магнитами (СДПМ) и синхронными двигателями с электромагнитной редукцией (СДЭР), а также предлагают к использованию индукторные двигатели двойного питания (ИДДП) [1]. ИДДП - класс электродвигателей, которые позволяют создавать эффективные и достаточно надежные системы электроприводов для исполнительных устройств космических аппаратов. Многообразие методов управления ИДДП позволяет создавать автоматизированные прецизионные системы электроприводов, с достаточно высокой точностью. Одним из перспективных направлений управления ИДДП является бездатчиковое управление двигателем на основе расчета параметров модели двигателя управляющим устройством. Такой подход интересен тем, что позволяет существенно расширить возможности системы управления двигателем, повысить ее надежность.
При построении систем управления представленных двигателей, предлагается использовать датчики угла поворота, положения, скорости ротора двигателя (датчики Холла, механические, оптические и др.) [1]. В случае с СДМП и СДЭР, для построения эффективной системы управления электроприводов с такими типами двигателей, необходимо создать замкнутую систему с обратной связью, что подразумевает нали-
чие хотя бы одного датчика положения ротора двигателя. Использование ИДДП при проектировании электроприводов КА, позволяет создавать разомкнутые системы управления двигателем [2], в результате чего появляется возможность вовсе отказаться от различных датчиков положения ротора двигателя.
Однако если стоит задача автоматизации электромеханической системы, то без обратной связи в схеме управления обойтись нельзя. Управляющее устройство в таком случае не сможет рассчитывать параметры модели и просчитывать оптимальное управление. В разрабатываемой концепции планируется управлять электроприводом в зависимости от конечной цели управления системы поворота КА, т. е. вводить обратные связи по параметрам, измеряемых или рассчитываемых исполнительным устройством КА. Для системы поворота СБ конечной целью является переработка солнечной энергии в электрическую с последующим ее аккумулированием. Для системы управления электроприводом, в этом случае управляющим воздействием будет являться количество энергии Q (рис. 1) полученной аккумуляторной батарей от солнечной панели за некоторый, заданный промежуток времени t.
Рассмотрим простейший случай для КА с плоской, раскрытой солнечной панелью, фиксированной длины и ширины (Л х Б), КА находится на околоземной орбите. Предположим, что конструкция панели позво-
Малые космические аппараты: производство, эксплуатация и управление
ляет поглощать солнечную энергию только с одной из ее сторон. В этом случае регулирование положения солнечной батареи имеет смысл лишь по двум направлениям в пространстве.
Согласно первому закону для фотоэффекта, фото-ток 1у, возникающий при падении света на фотоэлемент, прямо пропорционален интенсивности потока излучения Ф [3; 4].
I, = к (х1 ... Хп )-Ф , (1)
где к(хь..хп) - коэффициент пропорциональности, который зависит от множества параметров п (тип СБ, конструктивные параметры СБ, электродинамические характеристики СБ, условия среды использования СБ и др.)
Интенсивность потока излучения Солнца на околоземной орбите принято считать за солнечную постоянную [5], которая ровняется примерно -1367 Вт/м2. Облученность на поверхности солнечной батареи есть соотношение потока излучения к площади, на кото-
рую он падает перпендикулярно (рис. 2) определяется выражением [4]:
^ = —. (2)
dS
Подставив уравнение (2) в уравнение (1), можно найти зависимость фототока от освещенности площади солнечной панели:
= к(х1...хп)-Е-dS. (3)
Площадь освещенной поверхности зависит от проекций длины солнечной панели на оси трехмерного пространства. Так как регулирование ведется по двум направлениям, то и площадь, на которую падает излучение, следует находить исходя из 2-х проекций четырехугольной плоскости солнечной панели, в данном случае на ось У в координатной плоскости ХУ, и на ось 2 в координатной плоскостиХ2 (рис. 3).
dS = А' - В' = Асоб а- ВСОБ р.
(4)
Рис. 1. Простейшая схема управления солнечной батарей при помощи ИДДП
УД
Рис. 2. Трехмерное представление интенсивности потока солнечного излучения, падающего на солнечную панель
V г ь
а б
Рис. 3. Проекции длины А и ширины В при повороте солнечной панели относительно оси 1 (а) и относительно оси У(Ь)
Когда солнечная панель повернута перпендикулярно к направлению излучения в обеих плоскостях, т. к. Smax = A*B, то при dS = Smax, освещенность E = Emax, Ф = const, тогда функционально фототок можно выразить следующим образом:
If (а, в) = k (x1 ... xn) Ф- cos а- cos в, (5)
где а - угол поворота вала двигателя относительно оси Z, в - угол поворота вала двигателя относительно оси Y.
Таким образом вводя функциональную зависимость фототока от угла поворота можно рассчитать угол поворота вала ИДДП по электродинамическим характеристикам СБ. Поскольку для эффективной работы СБ необходимо использовать контроллер питания, который поддерживает ВАХ фотоэлементов СБ в нужных пределах, то данные измерений электродинамических характеристик СБ, получаемые от контроллера питания, можно использовать для расчётов параметров управления в модели ИДДП, не используя при этом дополнительные датчики, что позволяет сократить число вводимых обратных связей.
Такой подход в управлении позволяет также определить условную ось вращения для двигателя. Начальным положением вала ротора будет являться положение, где СБ будет вырабатывать максимальную мощность, что не маловажно учитывать при работе с моделью двигателя.
Библиографические ссылки
1. Проектирование электроприводов систем поворота антенн и батарей солнечных космических аппаратов / С. А. Бронов, П. В. Авласко, В. А. Марарескул и др. // Авиакосмическое приборостроение. 2010. № 2. С. 1-6.
2. Управление индукторными двигателями двойного питания в позиционных электроприводах космических аппаратов / С. А. Бронов, П. В. Авласко,
А. В. Марарескул и др. // Авиакосмическое приборостроение. 2010. № 9. С. 34-40.
3. Бронов С. А. Электропривод для приборов с индукторным двигателем двойного питания в квазишаговом режиме // Изв. вузов. приборостроение. 2004. Т. 47, № 4. С.61-65.
4. Физическая энциклопедия : в 5 т. / гл. ред. А. М. Прохоров. М. : Большая российская энциклопедия, 1992. Т. 3 : Магнитоплазменный - Пойнтинга теорема. 672 с.
5. Физическая энциклопедия : в 5 т. / гл. ред. А. М. Прохоров. М.: Большая российская энциклопедия, 1992. Т. 5: Стробоскопические приборы - Яркость. 690 с.
References
1. Bronov S. A., Avlasko P. V., Marareskul V. A., Povaljaev V. A. [Designing of electric drives of systems of rotation of antennas and solar batteries of spacecrafts].
Aviakosmicheskoe priborostroenie. 2010. № 2. P. 1-6. (In Russ.)
2. Bronov S. A., Avlasko P. V., Marareskul V. A., Povaljaev V. A., Usov V. P., Kupovyh V. S. [Controlling of the inductor motors of double-way feed in positional electrical drives of spacecrafts]. Aviakosmicheskoe priborostroenie. 2010. № 9. P. 34-40. (In Russ.)
3. Bronov S. A. [Electrical Drive for Devices with Inductor Motor of a Double Power Supply in a Quasi-Step Regime]. Izvestija vuzov. Priborostroenie. 2004. Vol. 47, № 4. P. 61-65. (In Russ.)
4. Prohorov A. M. Fizicheskaja jenciklopedija. T. 3 Magnitoplazmennyj - Pojntinga teorema [Encyclopedia of Physical Science: Vol. 3, Magnetoplasma - Poynting's theorem]. M. : Bol'shaja rossijskaja jenciklopedija, 1992. 672 p.
5. Prohorov A. M. Fizicheskaja jenciklopedija. T. 5 Stroboskopicheskie pribory - Jarkost' [Encyclopedia of Physical Science: Vol. 5 Stroboscopic devices - Brightness]. M. : Bol'shaja rossijskaja jenciklopedija, 1992. 690 p.
© Никитин Р. М., Алфимов Д. Е., 2017
