DE1960837A1 - Stabilisierungsschwungrad fuer ein Raumfahrzeug - Google Patents

Description

StabilisierungssGhwungrad für ein Raumfahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Stabilisierungsschwungrad für ein Raumfahrzeug, dessen Lage durch das auf das Schwungrad wirkende Moment veränderbar ist_T wobei der dieses Moment erzeugende Antrieb aus einem fremderregten Gleichstrommotor besteht.

Stabilisierungsschwungräder in Raumfahrzeugen haben in erster Linie die Aufgabe, dem Raumfahrzeug eine ausreichende Steifigkeit um die zur Rotationsachse senkrechten Achsen zu verleihen. Sie werden Jedoch gleichzeitig auch dazu benutzt, kleine Reaktionsmomente um die Rotationsachse zu erzeugen· Hierzu wird die Drehzahl des Schwungrads in einem vorgegebenen Bereich (z.B. 10$) um die Nenndrehzahl erhöht oder erniedrigt. Soll beispielsweise eine an einem Satelliten angebrachte Antenne immer zur-Erde ausgerichtet sein, so wird mit Hilfe eines an dem Satelliten angebrachten Sensors festgestellt, wenn die gewünschte Ausrichtung nicht mehr eingehalten ist. Die vom Sensor dann gelieferte Spannung wird dazu benutzt, das vom Motor ab-

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gegebene Moment, das bei richtiger Ausrichtung gerade das Reibungsmoment aufhebt, zu erhöhen oder zu erniedrigen, wodurch eine Drehzahländerung des Schwungrads zustandekommt. Durch die Änderung des vom Motor abgegebenen Moments kommt eine Drehung des Satelliten um die Rotationsachse zustande. Ist die richtige Ausrichtung des Satelliten wieder erreicht, so ist die Ausgangs spannung des Sensors wieder Null und damit wird auch das vom Motor abgegebene Moment wieder so bemessen, daß es gerade wieder das Reibungsmoment kompensiert.

Für den Antrieb des Schwungrads wird, wie oben ausgeführt, häufig ein fremderregter Gleichstrommotor verwendet. Dieser hat die Eigenschaft, daß das auf seinen Rotor übertragene Moment proportional dem Antriebsstrom '(Ankerstrom) ist, daß sein Antriebsstrom mit steigender Drehzahl linear abnimmt und daß die ' Drehzahl durch die Größe der Antriebsspannung bestimmt wird. Somit gilt für diesen Motor die in Fig. 1 der Zeichnung dargestellte Abhängigkeit des auf das Schwungrad übertragenen Reaktionsmoments (dieses ergibt sich aus der Differenz des vom Stator auf den Rotor übertragenen Gesamtmoments und des Reibungsmoments) in Abhängigkeit von der Drehzahl, wobei sich die verschiedenen*Antriebsspannungen U ergeben. Man erkennt, daß bei einem derartigen Verlauf der Kurve relativ kleine Änderungen ■ des Reibungsmoments relativ große Drehzahländerungen zur Folge ■ haben. Außerdem ist der Wirkungsgrad dieses Motors nicht sehr groß, was eine relativ lange Zeit bis Hochlauf des Motors auf die Kenndrehzahl zur Folge hat;

Diese nachteiligenEigenschaften des Motors machen sich beim Schwungradantrieb dann unangenehm bemerkbar, wenn das Schwungrad von einer Drehzahl außerhalb desvorgegebenen Dretizahibe- -reichs um die Nenndrehzahl von z.B. + 10% auf &is F^nndrehsahl oder wenigstens in die Fähe der Nenndrehzahl gekraust, uj&rden -soll. Dieser Fall kommt beim Inbetriebsetzen des Schwungrads

♦'Kurvenverläufe bei verschiedenen* - bäD

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vor, jedoch auch dann, wenn die Drehzahl des Schwungrads wegen der eingangs geschilderten Drehzahländerung aufgrund der Lageregelung die Grenzen des vorgegebenen Drehzahlbereichs überschritten hat. Man erkennt aus entsprechenden Überlegungen, daß es zwar nicht notwendig, jedoch sinnvoll ist, dabei die Nenndrehzahl möglichst exakt auszusteuern, um so in die Mitte des vorgegebenen Bereichs zu kommen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, den für den Antrieb des Schwungrads benutzten fremderregten Gleichstrommotor und seine Ansteuerung derart auszugestalten, daß eine schnelle und zuverlässige Ansteuerung der Nenndrehzahl oder einer in der Nähe liegenden Drehzahl zustandekommt, wenn der Motor in dem Betriebszustand betrieben wird, in dem die Nenndrehzahl angesteuert werden soll.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Motor derart ausgelegt ist, daß der Verlauf der linearen Abhängigkeit des Antriebsstroms von der Drehzahl sehr steil ist, und daß gleichstromgespeiste Schaltmittel vorgesehen sind, die , solbald die Istdrehzahl des Schwungrads um wenigstens einen vorgegebenen Betrag von der Nenndrehzahl abweicht, die Stromversorgung des Motors übernehmen, den Antriebsstrom bis in die.Nähe der ungefähren Nenndrehzahl auf einen konstanten Wert begrenzen und dann .eine Gleichspannung abgeben, die den Motor wenigstens ungefähr auf die Nenndrehzahl bringt.

Die zur Lösung der oben angegebenen Aufgabe günstigste Abhängigkeit des Reaktionsmoments von der Drehzahl zeigt qualitati\ die Fig. 2 der Zeichnung. Der zur Erzielung dieses Verlaufs benötigte Antriebsstrom müßte bis zum Erreichen der Nenndrehzahl konstant sein und dann auf den Strom abfallen oder ansteigen, der zur Beibehaltung der Nenndrehzahl erforderlich ist. Der konstante Strom müßte zum schnellen Erreichen der Nenndrehzahl so bemessen werden, daß gerade die maximal zulässige Leistungsaufnahme zustandekommt.

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Fig. 5 der Zeichnung gibt die durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen erzielbare Abhängigkeit des Reaktionsmoments von der Drehzahl wieder. Man erkennt, daß der einer bestimmten, am Motoreingang liegenden Spannung entsprechende Verlauf 1 der Abhängigkeit des Reaktionsmoments von der Drehzahl relativ steil ist, daß dieser jedoch nur in der Umgebung der Nenndrehzahl benutzt wird und sich an diesen Teil des Verlaufs Zonen konstanten Reaktionsmoments anschließen·. ■ Hierzu wird der Antriebs strom auf einen konstanten Wert begrenzt, der günstigerweise unter Berücksichtigung der maximalen Leistungsaufnahme festgelegt wird. Man erkennt beim Vergleich der Fig. 2 und Fig. 3» daß man sich durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen dem idealen Verlauf gemäß Fig. 2 sehr gut annähert.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß es aus der NASA Technical Note Nr. D- 5265 July 69» Seite 6 für Reaktionsschwungräder, also Schwungräder, die im ■ Mittel die Drehzahl O haben und nur dazu dienen, Reaktionsmomente zu erzeugen, wozu sie auf eine von O wenig verschiedene Drehzahl gebracht werden, bekannt ist, zur Erzeugung von konstanten Reaktionsmomenten den Antriebsstrom in Abhängigkeit von der Drehzahl auf einen konstanten Wert zu begrenzen. Hier handelt es sich jedoch keineswegs um das Problem den Motor auf eine Nenndrehzahl zu bringen. Wesentlich ist dort lediglich der Wunsch, in der Umgebung der Drehzahl O ein drehzahlunabhängiges Moment zu erzeugen.

Vergleichbar mit dem erwähnten Stande der Technik ist eher der Wunsch,im Normalbetrieb des erfindungsgemäßen Antriebs für das Schwungrad, also in dem Betriebszustand, in dem die Drehzahl des Schwungrads im vorgegebenen Bereich um die Nenndrehzahl zur Erzeugung von von der Regelspannung abhängigen Reaktionsmomenten geändert wird, ein drehzahlunabhängiges

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Reaktionmoment auf das Schwungrad wirken zu lassen. Gemäß weiterer Erfindung, sind zur Lösung dieser Aufgabe Schaltmittel vorgesehen, die nach Erreichen der Nenndrehzahl wirksam gemacht werden und dann die Speisung des Motors übernehmen. Der Ausgangsstrom dieser Schaltmittel ist zumindest im vorgegebenen Bereich um die Nenndrehzahl drehzahlunabhängig, d.h., er ist auf einen konstanten Wert geregelt, solange die dieser Schaltung zugeführte Regelspannung konstant ist. Der Ausgangsstrom ist dieser Regelspannung jedoch proportional. ' " In Fig. 4 ist der Verlauf des Reaktionsmoments in Abhängigkeit von der Drehzahl bei verschiedenen Regelspannungen U dargestellt.

Man kann beide in den beiden Betriebszuständen benötigten, dem Motor vorgeschaltete Schaltungen auch in einer Schaltung vereinigen. Diese Schaltung enthält eine Regelung auf konstanten Ausgangsstrom, wobei im einen Falle jedoch der Ausgangsstrom in seiner Größe noch von der Regelspannung abhängt. Im anderen Falle wird anstelle dieser Regelspannung eine der maximalen Regelspannung entsprechende konstante Spannung an den entsprechenden Eingang gelegt. Außerdem wird im Normalbetriebs- | zustand, also bei Regelung im vorgegebenen Drehzahlbereich um die Nenndrehzahl die an die Schaltung angelegte Betriebsspannung etwas erhöht werden, um den Abfall des Reaktionsmoments außerhalb des vorgegebenen Drehzahlbereichs zu legen (siehe Fig. 4-),

Die Fig. 5 ,der Zeichnung zeigt in prinzipieller Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der als Block dargestellte fremderregte Gleichstrommotor für den Antrieb des Schwungrads 5 trägt das Bezugszeichen 2. In der gezeichneten Schalterstellung»des Schalters 4 ist der Antrieb für das Schwungrad 3 in dem Betriebszustand, bei dem das Schwungrad auf die Nenndrehzahl gebracht wird. In diesem Betriebszustand

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liegt die Spannung der konstanten Gleichspannungsquelle 5 an einem Glied, das die Spannung um einen "bestimmten Betrag verkleinert» Dieses Glied ist hier als Spannungsteiler 6 dargestellt. Die etwas verkleinerte Spannung der Spannungsquelle 5 wird dann den Schaltmitteln 7 zugeführt, die den dem Motor 2 zugeführten Strom bis in die Nähe der Nenndrehzahl auf eine konstante, drehzahlunabhängige Größe begrenzen. Das dem fließenden Strom proportionale Signal wird .am Widerstand 7a abgegriffen und einer Regelschaltung 7b zugeführt, die ihrerseits den als Transistor- ausgebildeten variablen Widerstand derart regelt, daß der Strom drehzahlunabhängig bleibt. Wie bereits oben erwähnt, wird der Motor 2 durch Wahl eines niedrigen Ankerwiderstands sowie einer hohen Luftspaltinduktion derart ausgelegt, daß die Abhängigkeit des Reaktionsmoments und damit auch des Stroms von der Drehzahl steil verläuft (Kurve ΐ in Fig. 3)· Die Schaltung 7 muß nun so dimensioniert sein, daß bei Erreichen der dem Punkt 8 entsprechenden Drehzahl, gerade die zum Erreichen der Nenndrehzahl notwendige Spannung am Motoreingang liegt. Eine weitere Widerstandsänderung erfolgt nach Erreichen des Punkts 8 durch den Transistor % nicht mehr. Damit läuft der Motor und das Schwungrad entsprechend dem Momentenverlauf der Fig. 3 auf seine Nenndrehzahl, die er bei ausreichend konstanter Spannung auf 1% genau erreicht. Der Wirkungsgrad ist bei entsprechender Bemessung des Antriebsstroms sehr groß und damit die Einlaufzeit klein.

Nach Erreichen der Nenndrehzahl wird dann der Schalter 4 in die gestrichelt gezeichnete Stellung gebracht, in der der Motor über die Schaltung 9 versorgt wird. Diese Schaltung enthält ebenfalls eine Regelschaltung auf konstanten Ausgangsstrom (Widerstand 9a, Regelschaltung 9b und Transistor als variabler Widerstand 9e). - - - ^;

.Solange die von dem mit dem Motor 2 starr verbundene Sensor kommende Spannung O ist, liefert die Schaltung 9 einen konstanten Strom an den Motor, der gerade zur Aufrechterhaltung

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der Drehzahl, also zur Kompensation des Reibungsmoments ausreicht. Wird vom Sensor 10 eine "bestimmte Drehung des Satelliten verlangt, d.h., gibt dieser eine Spannung bestimmter Größe ab, so wird der Ausgangstrom der Schaltung 9 um einen dieser Sensorspannung proportionalen Betrag erhöht oder erniedrigt, wodurch eine Drehzahlerhöhung oder -erniedrigung zustandekomrat. Das hierbei auftretende Reaktionsmoment bewirkt die gewünschte Drehung des Satelliten. Durch die Regelung des Stroms auf konstante Größe, solange keine lageänderung des Kreisels notwendig ist, wird eine gleichmäßige Belastung der Gleichstromquelle garantiert.

In der Fig. 6 der Zeichnung ist eine besonders günstige Schaltung dargestellt, die die Stromversorgung des Motors 2, der an die Klemmen 37 und 37' angeschaltet wird in beiden Betriebs- ■ zuständen übernimmt. Die Umschaltung von einen auf den anderen Betriebszustand erfolgt durch Umlegen des Schaltkontakts 11. An den Klemmen 38 und 39 sind Betriebsspannungen, an die Klemme 40 ist Masse gelegt. Der Sensor ist an die Klemme 4-1 angeschaltet.

In der dargestellten Stellung des Schalters 11 befindet sich die Schaltung in der Betriebsart "Ansteuern der Nenndrehzahl". In dieser Schaltstellung soll der Motor von einer beliebigen Drehzahl außerhalb des Regelbereichs auf die Nenndrehzahl gebracht werden. In dieser Betriebsart arbeitet die Regelschaltung so, daß auf eine der Nenndrehzahl entsprechende Ausgangs—-spannung von z.B. 20,8 Volt an den Klemmen 37 und 37' hin geregelt wird. Gleichzeitig wird der Strom auf einen maximalen Wert von z.B. 0»7 Ampere begrenzt.

Mit Hilfe der Widerstände 30 und 14 wird an den Dioden 32 und eine konstante Spannung von etwa 7 V erzeugt. Aufgrund der Bemessung der Widerstände 15 und 26 entsteht am Widerstand 26 ein

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Spannungsabfall von 0,7 V. Der Strom durch den Widerstand 25 mit geringem Widerstandswert wird nun derart geregelt, daß der Spannungsabfall an diesem Widerstand nicht größer als der am Widerstand 26 erzeugte Spannungsabfall von 0,7 V wird. -■

Diese Regelung wird mit Hilfe des Langstransistors 19 und dessen vorgeschalteter Treibstufe 18 erreicht. Ohne Regelvorgang würde Transistor 18 über die Diode 20 und Widerstände 21 und 22 sehr stark leitend werden. Die Regelung erfolgt dadurch, daß der Transistor 17 dem Transistor 18 den Basisstrom entzieht, wenn der Transistor 17 leitend wird. Dieser Transistor 17 wird dann leitend, wenn der Spannungsabfall am Widerstand 25 den Spannungsabfall am Widerstand 26 übersteigt, da dann wegen der gleichgroßen Spannungsabfälle an der Basisemitterstrecke des Transistors 16 und an der Diode 20 sich die Leitfähigkeit des Transistors 16 ändert und damit über die Diode 14- und den Widerstand 3 die Leitfähigkeit des Transistors 17 variiert wird.

In dieser Schaltetellung ist es gleichgültig, welche Spannung an der Klemme 41 liegt, also welche Spannung der Sensor liefert, da der Feldeffekttransistor 13 gesperrt ist» Diese Sperrung wird durch eine wesentlich geringere Spannung an der Gateelektrode gegenüber der Soii£eelektrode erzielt. .......

Wird an den Ausgangsklemmen 37 und 37' die der Nenndrehzahl entsprechende Spannung erreicht, dann wird der Transistor 12 leitend, was durch die Wahl des Spannungsteilerverhältnisses der Widerstände 34- und 35 sowie die Wahl der Zener spannung der Diode 36 erreicht wird. Wenn der Transistor 12 leitend wird, wird / auch Transistor 17 leitend. Damit wird der Basisstrom des Transistors 18 auf einen solchen Wert geregelt, daß am Ausgang der Schaltung die gewünschte Spannung von 20,8 V zur Verfügung steht. . ι.

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Es wird mit dieser Schaltung in diesem Betriebszustand also einmal eine Regelung aufdie gewünschte Ausgangsspannung hin bewirkt, jedoch gleichzeitig eine Begrenzung des Ausgangsstroms auf einen konstanten Wert erreicht.

Liegt der Schalter 11 in der anderen gestrichelt gezeichneten Schaltsteilung, dann ist der Spannungsregelungszweig mit dem Transistor 12 unwirksam. Demgegenüber ist nunmehr der Feldeffekttransistor 13 leitend, da seine Gateelektrode über die Widerstände 14 und 15 Wit der £rainelektrode verbunden ist. Er stellt nunmehr einen konstanten Widerstand dar.

Die in dieser Schaltstellung erzielte Regelung des Äusgangsstroms in Abhängigkeit von -der Sensorspannung wird durch den von dieser Sensorspannung abhängigen Strom durch äen Transistor 27 hervorgerufen. Aufgrund des Spannungiteilers 28 und ist bei einer Eingangsspannung (Klemme 41) von - 3V der Strom durch den Transistor 2? O. Er steigt bis 3 mA bei Ansteigen der Eingangsspannung auf +3V an. Damit wird- am Widerstand 26 ein von der Eingangsspannung abhängiger Spannungsabfall erzeugt. Da die Diode 20 und die Emitterbasisstrecke des Transistors etwa gleiche Spannungsabfälle aufweisen, kann wie Bereits er-^ wähnt der Spannungsabfall am Widerstand 25 nicftt größer werden als der Spannungsabfall am Widerstand 26, ohne daß der Transistor 16 seine · Leitfähigkeit ändert und damit über die Diode 24 die Durchlässigkeit des Transistors 1? beeinflußt. Damit wird der Strom durch den Widerstand 2$ auf einen Wert geregelt der der Eingangsspannung entspricht.

Damit erfüllt die beschriebene Schaltung alle geförderten Funktionen, und hat den Vorteil, daß wesentliche Schaltungsteile in beiden Betriebsarten einsetzbar sind.

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Es sei noch vermeint, daß die erfindungsgemäße Auslegung des Antriebs bei der Ansteuerung der Nenndrehzahl für das Hochlaufen von fremderregten Gleichstrommotoren ganz allgemein von Interesse ist.

-Patentansprüche—

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   ßtabilisierungsschwungrad für ein Raumfahrzeug, dessen Lage durch das auf das Schwungrad wirkende Moment veränderbar ist, wobei der dieses Moment erzeugende Antrieb aus einem fremderregten Gleichstrommotor besteht, dadurch Rekennzeichnet, daß der Motor derart ausgelegt ,,ist, daß der Verlauf der linearen Abhängigkeit des Antriebsstroms von der Drehzahl sehr steil ist, und daß gleichstromgespeiste Schaltmittel vorgesehen sind, die, sobald die Ist- \ drehzahl des Sdiwungrades um wenigstens einen vorgegebenen Betrag von der Nenndrehzahl abweicht, die Stromversorgung des Motors übernehmen, den Antriebsstrom bis in die Nähe der ungefähren Nenndrehzahl auf einen konstanten Wert begrenzen und dann eine Gleichstromspannung abgeben, die den Motor wenigstens ungefähr auf die Nenndrehzahl bringt.

   Stabilisierungsschwungrad nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Schaltmittel vorgesehen sind, die nach Erreichen der ungefähren Nenndrehzahl wirksam sind und in einem vorgegebenen Bereich um die Nenndrehzahl den Antriebsstrom proportional dem zwecks Lageregelung * des Satelliten augenblicklich benotigten Reaktionsmoments · unter Berücksichtigung des zur Überwindung des Reibungsmoments benötigten konstanten Moments bemessen.

   Stabilisierungsschwungrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltmittel einen in die Stromzuführung des Motors eingeschalteten, regelbaren Widerstand enthalten, und daß an sich bekannte Schaltmittel vorgesehen sind, die den Widerstand dieses regelbaren Widerstands in Abhängigkeit von fließendem Strom sowie von der vor-

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   liegenden Ausgangsspannung derart variieren, daß einmal ein vorgegebener, maximaler Strom nicht überschritten wird, andererseits die Ausgangsspannung auf einen vorgegebenen Sollwert gebracht wird. ,

   Stabilisierungsschwungrad nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Schaltmittel einen in die Stromzuführung für den Motor eingeschalteten regelbaren Widerstand aufweisen, und daß an sich bekannte Schaltmittel vorgesehen sind, die den Widerstandswert dieses regelbaren Widerstands nach Maßgabe einer vom geforderten Reaktionsmoment abhängigen Regelspannung derart variieren, daß ein des geforderten Reaktionsmoment entsprechender Strom fließt. '

   Stabilisierungsschwungrad nach Anspruch 3 und 4-, gekennzeichnet durch die Verwendung des regelbaren Widerstands in beiden Betriebsarten. .

   Heidelberg, den 2.12.1969
   E/Pt-Ka/ßw E-179

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