DE1960837C3 - Anordnung zum Steuern der Drehzahl eines von einem fremderregten Gleichstrommotor angetriebenen Stabilisierungsschwungrades eines Raumfahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Steuern ■ Drehzahl eines von einem fremderregten Gleich-Dmmotor angetriebenen Stabilisicrungsschwunj!- rads für ein Raumfahrzeug, dessen Lage durch das von dem Gleichstrommotor auf das Stabilisierungsschwungrad wirkende Moment veränderbar ist.

StabUisierungsschwunfräder in Raumfahrzeugen haben in erster Linie die Aufgabe, dem Raumfahrzeug eine ausreichende Steifigkeit um die zur Rotationsachse senkrechte Achsen zu verleihen. Sie werden jedoch gleichzeitig auch dazu benutzt, kleine Reaktionsmomenie um die Rotationsachse zu erzeugen.

ίο Hierzu wird die Drehzahl des Schwungrads in unem vorgegebenen Bereich (z. B, 10 °/o) um die Nenndrehzahl erhöht und 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 abgegebene Moment, das bei richtiger Ausrichtung g.^uV das Reibungsmoment aufhebt, zu erhöhen oder zu erniedrigen, wodurch eine Drehzahländerung des Schwungrads zustande kommt. Durch die Änderung des vom Motor abgegebenen Moments kommt eine Drehung des Satelliten um die Rotationsachse zustände. Ist die richtige Ausrichtung des Satelliten wieder erreicht, so ist die Ausgangsspannung des Sensors wieder Null u_;id damit wird auch das vom Motor abgegebene Moment wieder so bemessen, daß er gerade wieder das Reibungsmoment kompensiert.

Der für den Antneb des Stabilisierungsschwungrads verwendete fremderregte Gleichstrommotor hat bekanntlich die Eigenschaft, daß das auf seinen Rotor übertragene Moment proportional dem Ankerstrom ist, daß sein Ankerstrom mit steigender Drehzahl linear abnimmt und daß die Drehzahl durch die Größe der Ankerspannung bestimmt wird. Somit gilt für diesen Gleichstrommotor die in F i g. 1 der Zeichnung dargestellte Abhängigkeit des auf das Schwungrad übertragenen Gesamtmoments und des Reibungsmoments in Abhängigkeit von der Drehzahl, wobei sich die verschiedenen Kurvenverläufe bei verschiedenen Ankerspannungen 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 Gleichstrommotors nicht sehr groß und es wird eine relativ lange Zeit bis Hochlauf des Gleichstrommotors auf die Nenndrehzahl benötigt.

5<J Diese nachteiligen Eigenschaften des Gleichstrommotors machen sich beim Schwungradantrieb dann unangenehm bemerkbar, wenn das Stabilisierungsschwungrad von einer Drehzahl außerhalb des vorgegebenen Drehzehlbereichs um die Nenndrehzahl von z. B. ± 10 ⁰Zo auf die Nenndrehzahl oder wenigstens in die Nähe der Nenndrehzahl gebracht werden soll. Dieser Fall kommt beim Inbetriebsetzen des Stabilisierungsschwungrads vor, jedoch auch dann, wenn die Drehzahl des Stabilisierungsschwungrads wegen der eingangs geschilderten Drehzahländerung auf Grund der Lageregelung die Grenzen dc^c vorgegebenen Drehzahlbereichs überschritten hat. Dieser Nachteil könnte beispielsweise durch Verringerung des Ankerwiderstands oder eine hohe Luftspaltinduklion im Gleichstrommotor vermieden werden, so daß sich eine große S'.cigun;.' tier Drchmomcntcn-Kenniinic t.rp;ibc. Auf Grund de- hohen Trächcitsmomcnt·· nies Stabilisierungsschv-'ungrads hatte '.:inc derartige

\usbildung eine sehr große Stromaufnahme außerhalb des Drehzahlbereichs zur Folge, und die Stromversorgung des Gleichstrommotors wäre für sehr hohe Werte auszulegen. Man erkennt weiterhin aus entsprechenden Überlegungen, daß es zwar nicht not- wendig, jedoch sinnvoll ist die Nenndrehzahl möglichst exakt anzusteuern, um so in die Mitte des vorgegebenen Drehzahlbereichs zu kommen.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, daß es aus der NASA Techaical Note Nr. D-5265, July 69, Seite 6, für Reaktionsschwungräder, also Schwungräder, die im Mittel die Drehzahl 0 haben und nur dazu dienen, Reaktionsmomente zu erzeugen, wozu sie auf eine von 0 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 lim das Problem, den Motor auf eine Nenndrehzahl Zu bringen. Wesentlich ist dort lediglich der Wunsch. In der Umgebung der Drehzahl 0 ein drehzahlunabfeängiges Moment zu erzeugen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, den für den Antrieb des Stabilisierungsschwungrads benutzten fremderregten Gleich- itrommotor und seine Ansteuerung derart auszugeitalten, daß eine schnelle und zuverlässige Ansteuerung der Nenndrehzahl oder einer in der Nähe liegenden Drehzahl zustande kommt, wenn der Gleichstrommotor in dem Betriebszustand betrieben wird, in dem die Nenndrehzahl angesteuert werden soll.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß der Gleichstrommotor derart ausgelegt ist, daß der Verlauf der linearen Abhängigkeit des Ankersiroms von der Drehzahl sehr steil ist, und daß eine gleichstromgespeiste erste S'-uervorrichtung 7 vorgesehen ist. welche außerhalb eines vorgegebenen Bereichs um die Nenndrehzahl den Ankerstrom auf einen konstanten Wert begrenzt und innerhalb des genannten Bereichs eine Gleichspannung abgibt, die den Gleichstrommotor wenigstens ungefähr auf Nenndrehzahl hält.

Die zur Lösung der oben angegebenen Aufgabe günstigste Abhängigkeit des Reaktionsmomenis von der Drehzahl zeigt qualitativ die F i g. 2 der Zeichnung. Der zur Erzielung dieses Verlaufs benötigte Ankerstrom müßte bis zum Erreichen der Nenndrehzahi 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 zustande kommt.

Fig. 3 der Zeichnung gibt die durch die crfindungsgemäßen 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 μ in 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 Reaktionsmomenis anschließen. Hierzu wir J der Ankcrstrom auf einen konstanten Wert begrenzt, der fij günstigerweise unter Berücksichtig'·!^ der maximalen Leistungsaufnahme festgclejv. wird. Man erkennt beim Vergleich der F ί g. 2 und F 1;;. 3. tinΓΛ man siel durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen dem idealen Verlauf gemäß F i g. 2 sehr gut annähert.

In einer Weiterbildung dec Erfindung ist eine zweite Steuervorrichtung vorgesehen, die nach Erreichen der Nenndrehzahl wirksam gemacht wird und dann die Speisung des Motors übernimmt. Der Ausgangsstrom dieser Steuervorrichtung ist zumindest im vorgegebenen Bereich um die Nenndrehzahl drehzahlunabhängig, das heißt, er ist auf einen konstanten Wert geregelt, solange die dieser Steuervorrichtung 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_r dargestellt.

Man kann vorteilhafterweise beide in den beiden Betriebszuständen benötigten, dem Gleichstrommotor vorgeschalteten Steuervorrichtungen vereinigen. Diese integrierte Steuervorrichtung bewirkt eine Regelung auf konstanten Ausgangss'rom, wobei im einen Falle jedoch der Ausgangsstrom ,··. seiner Größe nach von der Regelspannung abhängt. I: η anderen Falle wird an Stelle dieser Regelspannung eine der maximalen Regelspannung entsprechende konstante Spannung an den entsprechenden Eingang gelegt. Außerdem wird im Normalbetriebszustand, also bei Regelung im vorgegebenen Drehzahlbereich um die Nenndrehzahl die an die Steuervorrichtung angelegte Betriebsspannung etwas erhöht werden, um den Abfall des Reaktionsmoments außerhalb des vorgegebenen Drehzahlbereichs zu legen (s. Fig. 4).

Die F i g. 5 der Zeichnung zeigt in prinzipieller Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Als Block ist der fremderregte Gleichstrommotor 2 für den Antrieb des Schwungrads 3 dargestellt. 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 liegt die Spannung der konstanten Gleichspannungsquelle 5 an einem Glied, das die Spannung um einen bestimmten Betrag verkleinert. D-eses Glied ist hier als Spannungsteiler 6 dargestellt. Die etwas verkleinerte Spannung der Spannungsquell·.; 5 wird dann der ersten Steuervorrichtung 7 zugeführt, die den dem Motor 2 zugeführten Strom bis in die Nähe der Nenndrehzahl auf eine konstante, drehzahlunabhängige Größe begrenzt. Das dem Ankcrstrom proportionale Signal wird an den Schaltmitteln mit dem Widerstand 7 a abgegriffen und einer Regelschaltung 7 b zugeführt, die ihrerseits den als Transistor 7 c ausgebildeten steuerbaren Widerstand derart aufsteuert. daß der Ankerstrom drehzahlunabhängig bleibt. Wie bereits oben erwähnt wird der Gleichstrommotor 2 durch Wahl eines niedrigen Ankerwiderstands sowie einer hohen Luftspaltinduktion derart ausgelegt, daß die Abhängigkeit des Reaktionsmomenti» und damit auch des Ankersiroms von der Drehzahl steil verläuft (Kurve! in F i g. 3) Die Steuervorrichtung 7 muß nun so dimensioniert sein, daß bei Erreichen der dem Punkt 8 entsprechenden Drehzahl. i>e;adc die zum Erreichen der Ncnndreh/ahi n<^wendige Spannung am Motorcinganp iicgt. Fiin· weitere Wideisiandsänderung erfolgt nach l-.i K-n hei: der- Punk':- i> durch den 1 ransiMor 7 r nich: mehr Damit lauf! der Gleichstrommotor und das Slnliih^ienmussthwiirir.ra·.! entspr. hrnd 'Scm MomcnlernviLiui de i :

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zahl, die er bei ausreichend konstanter Spannung auf 1 %> genau erreicht. Der Wirkungsgrad ist bei entsprechender Bemessung des Ankerstroms sehr groß und die Einlaufzeit klein.

Nach Erreichen der Nenndrehzahl wird dann der Schalter 4 in die gestrichelt gezeichnete Stellung gebracht, in der der Gleichstrommotor über die zweite Steuervorrichtung 9 versorgt wird. Diese Steuervorrichtung enthält ebenfalls einen als steuerbaren Widerstand ausgebildeten Transistor 9 c und Schalt- m mittel mit dem Widerstand 9 ο und der Regelschaltung 9 b um einen konstanten Ausgangsstrom zu erhalten. Solange die von dem mit dem Gleichstrommotor 2 starr verbundenen Sensor 10 kommende Spannung 0 ist, liefert die zweite Steuervorrichtung 9 ,₅ einen konstanten Strom an den Gleichstrommotor, der gerade zur Aufrechterhaltung der Drehzahl, also zur Kompensation des Reibungsmoments ausreicht. Wird vom Sensor 10 eine bestimmte Drehung des Satelliten verlangt, das heißt, gibt dieser eine Spannung bestimmter Größe ab, so wird der Ausgangsstrom der Steuervorrichtung 9 um einen dieser Sensorspannung proportionalen Betrag erhöht oder erniedrigt, wodurch eine Drehzahlerhöhung oder -erniedrigung zustande kommt. Das hierbei auftretende Rc- _a5 aktionsmoment 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. _Jo

In Fig. 6 der Zeichnung ist als Prinzipschaltbild ein besonders günstiges Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, das die Ansteuerung des Gleichstrommotors 2, der an die Klemmen 37 und 37' angeschaltet wird, in beiden Betriebszuständen 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 41 angeschaltet. _<0

In der dargestellten Stellung des Schalters 11 befindet sich die Schaltung in der Betriebsart »Ansteuern der Nenndrehzahl«. In dieser Schaltstellung soll der Gleichstrommotor von einer beliebigen Drehzahl außerhalb des Regelbereiches auf die _<5 Nenndrehzahl gebracht werden. In dieser Betriebsart arbeitet die Schaltung so, daß auf eine der Nenndrehzahl entsprechende Ausgangsspannung von z.B. 20,8 V an den Klemmen 37 und 37' hin geregelt wird. Gleichzeitig wird der Strom auf einen maximalen Wert von z. B. 0,7 A begrenzt. Es ist dabei 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 Sourccclektrode erzielt. Mit Hilfe der Widerstände 30 und 14 wird an den Dioden 32 und 33 eine konstante Spannung von etwa 7 V erzeugt. Auf Grund der Bemessung der Widerstände 15 und 26 entsteht am Widerstand 26 s₀ ein Spannungsabfall von 0,7 V. Der Strom durch den Widerstand 25 mit geringem Widerstandswert wird 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 Längstransistors 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 Basisemitterstrccke des Transistors 16 und an der Diode 20 sich die Leitfähigkeit des Transistors 16 ändert und damit über die Diode 24 und den Widerstand 23 die Leitfähigkeit des Transistors 17 variiert wird.

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 Zenerspannung der Diode 36 erreicht wird. Wenn der Transistor 12 leitend wird, wird auch der Transistor 17 leitend. Damit wird der Basisstrom des Transistors 18 auf einen sokhen Wert geregelt, daß am Ausgang der Schaltung die gewünschte Spannung von 20,8 V zur Verfügung steht. Es wird mit dieser Schaltung in diesem Betriebszustand einerseits eine Begrenzung des Ausgangsstroms auf einen konstanten Wert erreicht und andererseits eine Regelung auf die gewünschte Ausgangsspannung hin bewirkt.

Liegt der Schaltern in der anderen gestrichelt gezeichneten Schaltstellung, dann ist der Spannungsregelungszweig mit dem Transistor 12 unwirksam. Demgegenüber ist nunmehr der Feldeffekttransistor 13 leitend, da seine Gateelcktrodc über die Widerstände 14 und 15 mit der Drainelektrode verbunden ist. Er stellt nunmehr einen konstanten Widerstand dar.

Die in dieser Schaltstellung erzielte Regelung des Ausgangsstroms in Abhängigkeit von der Sensorspannung wird durch den von dieser Sensorspannung abhängigen Strom durch den Transistor 27 hervorgerufen. Auf Grund des Spannungsteilers 28 und 29 ist bei einer Sensorspannung an der Klemme 41 von — 3 V der Strom durch den Transistor 27 gleich Null. Er steigt bis 3 mA bei Ansteigen der Sensorspannung auf + 3 V an. Damit wird am Widerstand 26 ein von der Sensorspannung abhängiger Spannungsabfall erzeugt. Da die Diode 20 und die Emitterbasisstrecke des Transistors 16 etwa gleiche Spannungsabfälle aufweisen, kann wie bereits erwähnt, der Spannungsabfall am Widerstand 25 nicht 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 17 beeinflußt. Damit wird der Ankerstrom durch den Widerstand 25 auf einen Wert geregelt, der der Sensorspannung entspricht.

Es sei noch vermerkt, daß die erfindungsgemäße Auslegung des Antriebs bei der Ansteuerung der Nenndrehzahl für das Hochlaufen eines fremderregten Gleichstrommotors ganz allgemein von Interesse

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Steuern der Drehzahl eines von einem freraderregten Gleichstrommotor angetriebenen Stabilisierungsschwungrades für ein Raumfahrzeug, dessen Lage durch das von dem Gleichstrommotor auf das Stabilisierungsschwungrad wirkende Moment veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrommotor (2) derart ausgelegt ist, daß der Verlauf der linearen Abhängigkeit des Ankerstroms von der Drehzahl sehr steil ist, und daß eine gleichstromgespeiste erste Steuervorrichtung (7) vorgesehen ist, welche außerhalb eines vorgegebenen Bereichs um die Nenndrehzahl den Ankerstrom auf einen konstanten Wert begrenzt und innerhalb des genannten Bereichs eine Gleichspannung abgibt, die den Gleichstrommotor wenigstens ungefähr auf Nenndrehzahl hält.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zwo ie Steuervorrichtung (9) vorgesehen ist, die nach Erreichen der ungefähren Nenndrehzahl wirksam wird und in einem vorgegebenen Bereich um die Nemdrehzahl den Ankerstrom proportional dem zur Lageregelung des Raumfahrzeugs jeweils von dem Stabilisierungsschwungrad abzugebenden Reaktionsmoment unter Berücksichtigung des zur Überwindung des Reibungsmoments benötigten konstanten Moments bemißt.

3. Anordnung nach Anspruch ¹ oder 2, dadurch gekennzeichnet, dab die ersie Steuervorrichtung (7) einen in die Stromzuführung des Gleichstrommotors (2) eingeschalteten, steuerbaren Widerstand (7 c) enthält und daß Schaltmitlel (7 a, 7 b) vorgesehen sind, die den Wert dieses steuerbaren Widerstands (7 c) in Abhängigkeit vom Ankerstrom sowie von der vorliegenden Ausgangsspannung derart variieren, daß einerseits ein vorgegebener, maximaler Strom nicht überschritten wird, andererseits die Ausgangsspannung auf einen vorgegebenen Wert gebracht wird.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Steuervorrichtung (9) einen in die Stromzuführung für den Gleichstrommotor eingeschalteten steuerbaren zweiten Widerstand (9 c) aufweist und daß weitere Schaltmittel (9 a, 9 b) vorgesehen sind, die den Wert dieses steuerbaren Widerstands (9 c) nach Maßgabe einer vom geforderten Reaktionsmoment abhängigen Regelspannung derart variieren, daß ein dem geforderten Reaktionsmoment entsprechender Strom fließt.

5. Anordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden steuerbaren Widerstände (7 c, 9 c) zu einem gemeinsamen steuerbaren Widerstand (19) zusammengefaßt sind.