DE2327743C3

DE2327743C3 - Device for controlling de / position of a body around an axis

Info

Publication number: DE2327743C3
Application number: DE19732327743
Authority: DE
Inventors: John Robert Alderley Edge Cheshire Pickin (Grossbritannien)
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1972-06-09
Filing date: 1973-05-30
Publication date: 1975-03-20
Also published as: JPS4962881A; DE2327743A1; FR2188864A5; DE2327743B2; GB1383425A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung der Lage eines Körpers um eine Achse.The invention relates to a device for controlling the position of a body about an axis.

Es gibt viele Fälle, bei denen die Lage eines Körpers um eine Achse konstant gehalten werden muß. Wird ein solcher Körper durch eine Achse abgestützt, so ist eine derartige Steuerung nur eine Frage der Feststellung von Bewegungen um diese Achse und der Ausübung eines Rückstellmomentes mittels geeigneter Steuerflächen zur Korrektur der Drehung um die Achse. Die Messung der Bewegung kann hierbei mit Hilfe eines Kreisels erfolgen.There are many cases in which the position of a body about an axis must be kept constant. Will If such a body is supported by an axle, such control is only a matter of determination of movements around this axis and the exercise of a restoring torque by means of suitable Control surfaces to correct the rotation around the axis. The measurement of the movement can be done with Done with the help of a gyroscope.

Bei künstlichen Satelliten oder anderen frei aufgehängten Körpern ist es jedoch nicht möglich, eine Korrektur auf diese relativ einfache Weise zu erreichen. Die übliche Methode zur Lagekorrektur besteht darin, mit Hilfe von Gasstrahlen den betreffenden Körper um eine seiner drei Achsen zu drehen. Nachteilig ist hier jedoch, daß der Impuls eines Gasstrahles dem Körper ein Drehmoment gibt, das, wenn es nicht korrigiert wird, dazu führt, daß sich der Körper kontinuierlich bewegt. Es muß daher ein entgegengesetzt gerichteter Impuls ausgeübt werden, um die Bewegung anzuhalten. Ein derartiges System erfordert daher eine nahezu fortgesetzte Verwendung von Gas* strahlen. Da der Gasvorrat jedoch begrenzt ist und ^6t> nicht erneuert werden kann, wird hierdurch die Betriebszeit eines Satelliten stark eingeschränkt. In the case of artificial satellites or other freely suspended bodies, however, it is not possible to achieve a correction in this relatively simple way. The usual method of correcting the position is to use gas jets to rotate the body in question around one of its three axes. The disadvantage here, however, is that the momentum of a gas jet gives the body a torque which, if not corrected, leads to the body moving continuously. An impulse in the opposite direction must therefore be exerted in order to stop the movement. Such a system therefore requires an almost continuous use of gas * jets. However, since the gas supply is limited and ^6t> cannot be renewed, this severely limits the operating time of a satellite.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen» die eine Steuerung der Lage eines Körpers um «5 eine Achse ohne Anwendung äußerer Impulse, insbesondere ohne Anwendung von Gasstrahlen ermöglicht.The invention is therefore based on the object of creating a device of the type mentioned at the beginning "which controls the position of a body by" 5 allows an axis without the use of external impulses, in particular without the use of gas jets.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch eine Masse, die an dem Körper so angebracht ist, daß sie eine Schwingungsbewegung im Winkel um diese Achse mit vorgegebener Frequenz ausführen kann, Einrichtungen zur Modulation des Trägheitsmomentes der Masse bei dieser Schwingungsfrequenz und durch Einrichtungen zur Steuerung der Phase dieser Modulation relativ zu der Schwingung der Masse.According to the invention this is achieved by a Mass attached to the body in such a way that it vibrates at an angle about this axis can run at a predetermined frequency, devices for modulating the moment of inertia of the Mass at this oscillation frequency and by means of controlling the phase of this modulation relative to the oscillation of the mass.

Die Erfindung ermöglicht eine Steuerung und der Stellung eines Körpeis um eine Achse ohiie die Anwendung äußerer Mittel, insbesondere ohne die Verwendung von Gasstrahlen, wodurch die Betriebszeit z. B. von künstlichen Satelliten beträchtlich gesteigert werden kann.The invention enables a control and the position of a body about an axis without the application external means, especially without the use of gas jets, reducing the operating time z. B. can be increased considerably by artificial satellites.

Eine beispielsweise Ausfuhrungsform der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung erläutert, in derAn example embodiment of the invention is explained below with reference to the drawing, in the

Fig. I schematisch eine Seitenansicht eines frei aufgehängten Körpers zeigt, der mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet ist.Fig. I shows schematically a side view of a freely suspended body with a body according to the invention Device is equipped.

Fig. 2 zeigt vergrößert und schematisch einen Teil von Fig. J undFig. 2 shows enlarged and schematically a part of Fig. J and

Fig. 3 zeigt schematisch ein Blockdiagramm einer Steuerschaltung.3 schematically shows a block diagram of a control circuit.

Die Fig. I und 2 zeigen einen Körper 10, dessen Lage um eine Adisc X-X gesteuert werden soll. An dem Körper ist mittels einer Welle 11 eine kleinere Masse 12 befestigt, die im Winkel um die Achse X-X schwingen kann. Die Masse 12 trägt eine Anzahl von Gewichten 13, von denen jedes am Ende eines auskragenden Armes 14 sitzt, wobei jeder Arm sich im wesentlichen tangential zur Drehrichtung der Masse 12 erstreckt. Vier solche Gewichte sind in Fig. 2 dargestellt. FIGS. I and 2 show a body 10, the position of which is to be controlled around an Adisc XX. A smaller mass 12 is attached to the body by means of a shaft 11 and can oscillate at an angle about the axis XX. The mass 12 carries a number of weights 13, each of which is seated at the end of a cantilevered arm 14, each arm extending substantially tangentially to the direction of rotation of the mass 12. Four such weights are shown in FIG.

Benachbart zu jedem Gewicht 13 ist ein Elektromagnet 15 so angeordnet, daß die Masse 12 um die Drehachse ausbalanciert ist.Adjacent to each weight 13, an electromagnet 15 is arranged so that the mass 12 to the Axis of rotation is balanced.

Fig. 3 zeigt einen geeigneten Sieuerkreis. Ein in den Körper 10 eingebauter Motor 16 ist mit einem Getriebe 17 gekoppelt, das die Drehbewegung des Motors in eine Winkel-Schwingungsbewegung mit gesteuerter Amplitude umwandelt. Der Ausgang des Getriebes 17 ist mit der Welle 11 der Masse 12 gekoppelt. Der Getriebeausgang ist ferner an einen Sensor 18 angeschlossen, der in jedem Zeitpunkt die Winkelstellung und die Richtung der Masse 12 bestimmt. Der Ausgang des Sensors ist an eine elektromagnetische Steuerschaltung 19 angeschlossen. Diese steuert das Anlegen von Energie an die Elektromagneten 15, die auf der Masse 12 angeordnet sind.Fig. 3 shows a suitable control circle. One in the Body 10 built-in motor 16 is coupled to a gearbox 17 that controls the rotation of the motor converted into an angular oscillatory motion with controlled amplitude. The output of the gearbox 17 is coupled to the shaft 11 of the mass 12. The transmission output is also connected to a sensor 18, which determines the angular position and the direction of the mass 12 at any point in time. The exit of the sensor is connected to an electromagnetic control circuit 19. This controls that Application of energy to the electromagnets 15, which are arranged on the mass 12.

Es ist ferner eine Einrichtung 20 vorgesehen, um die Lage der Masse 12 zu messen, zweckmäßigerweise in Form eines Kreisels, der Bewegungen um die Achse X-X feststellt. Dieses Lagemeßgerät 20 kann durch äußere Signale gesteuert werden wenn ein Wechsel der Lage erforderlich ist. Der Ausgang des Lagemeßgerätes 20 ist an die Steuerschaltung 19 angeschlossen.A device 20 is also provided to measure the position of the mass 12, expediently in the form of a gyroscope, which detects movements about the axis XX. This position measuring device 20 can be controlled by external signals if a change in position is required. The output of the position measuring device 20 is connected to the control circuit 19.

Im Betrieb schwingt die Masse 12 im Winkel um die Achse Χ·Χ mit vorgegebener Frequenz. Die Schwingungsamplitude wird gesteuert und kann beispielsweise ±IO⁶ betragen. Die Lage der Gewichte 13 wird so gesteuert, daß unter statischen Be* dingungen die Gewichte nicht auf die Achse X-X zu und nicht von ihr weg bewegen, sondern einen konstanten Abstand von der Achse einhalten.During operation, the mass 12 oscillates at an angle about the axis Χ · Χ with a predetermined frequency. The oscillation amplitude is controlled and can be, for example, ± IO ⁶ . The position of the weights 13 is controlled in such a way that, under static conditions, the weights do not move towards the axis XX or away from it, but maintain a constant distance from the axis.

Wenn der Körper 10 um die Achse X*X gedreht werden soll, werden die Gewichte so gesteuert, daßWhen the body 10 is to be rotated about the axis X * X, the weights are controlled so that

während der Drehung der Masse 12 in einer Richtung die Gewichte in einer ihrer Extrem-Stellungen sind, während bei einer Drehung der Masse 12 in entgegengesetzter Richtung die Gewichte in ihrer anderen Extrem-Stel'ung sind. Dies ruft eine Veränderung oder Modulation des Trägheitsmomentes der Masse 12 hervor. During the rotation of the mass 12 in one direction, the weights are in one of their extreme positions, while when the mass 12 is rotated in the opposite direction, the weights are in their other extreme position. This causes a change or modulation of the moment of inertia of the mass 12.

Die Vorrichtung arbeite», folgendermaßen:The device works »as follows:

Angenommen, der Körper 10 habe ein Trägheitsmoment / und die Masse 12 habe ein Trägheitsmoment /, dann führt eine Drehbewegung der Masse 12 um die Achse X-X um einen Winkel (J₁ dazu, daß der Körper 10 sich in entgegengesetzter Richtung um einen Winkel ρ₄ dreht, so daßAssuming that the body 10 has a moment of inertia / and the mass 12 has a moment of inertia /, a rotational movement of the mass 12 around the axis XX by an angle (J ₁ causes the body 10 to move in the opposite direction by an angle ρ ₄ rotates so that

Ig₁ = i P₁. Ig ₁ = i P ₁ .

Dasselbe gilt für eine Drehung der Masse 12 in entgegengesetzter Richtung. Wenn somit die Trägheitsmomente des Körpers 10 und der Masse 12 konstant gehalten werden, so schwingen beide um eine Mittelstellung. The same applies to a rotation of the mass 12 in the opposite direction. Thus, if the moments of inertia of the body 10 and the mass 12 are kept constant, then both oscillate about a central position.

Wenn jedoch die Masse 12 sich beispielsweise in Uhrzeigerrichtung dreht, während ihr Drehmoment ein Maximum /\ hat, dann ist der Winkel ρ₂ um den sich der Körper 10 in entgegengesetzter Richtung dreht gegeben durch ρ, = I₁QjI. Wenn nun die Masse 12 sich in Gegenuhrzeigerrichtung dreht, während ihr Drehmoment ein Miniraum Z₁ hat, dann ist der Winkel Q₂', um den sich der Körper 10 in Uhrzeigerrichtung dreht unterschiedlich, nämlich I₂O₁//.However, when the mass 12, for example, rotates in the clockwise direction, while its torque is at a maximum / \, then the angle ρ ₂ by which the body 10 rotates in the opposite direction given by ρ = I ₁ qji. If the mass 12 now rotates counterclockwise while its torque has a mini-space Z ₁ , then the angle Q ₂ ' by which the body 10 rotates in the clockwise direction is different, namely I ₂ O ₁ //.

Da /j größer als /_a ist und I und Q₁ konstant bleiben, so ist Q₉ größer als ρ_β' und der Körper 10 hat eine resultierende Gegenuhrzeigerdrehung von Q_t bis ρ,' ausgeführt.Since / j is greater than / _a and I and Q ₁ remain constant, Q _{9 is} greater than ρ _β 'and the body 10 has executed a resulting counterclockwise rotation from Q _t to ρ,'.

s Wird das Verfahren wiederholt, so ergibt sich eine weitere Gegenuhrzeigerdrehung des Körpers 10.s If the procedure is repeated, the result is a further counterclockwise rotation of the body 10.

Soll der Körper 10 in entgegengesetzter Richtung, d. h. in Uhrzeigerrichtung gedreht werden, so wird das Trägheitsmoment der Masse 12 in der entgegengesetzShould the body 10 go in the opposite direction, i. H. are rotated clockwise it will Moment of inertia of mass 12 in the opposite law ten Phase moduliert. Dies bedeutet, daß die Gewichte 13 in ihrer äußersten Stellung bei Gegenuhrzeigerdrehung der Masse 12 und sie in ihrer innersten Stellung bei Uhrzeigerdrehung der Masse 12 sind. Wenn überhaupt keine Drehung erforderlich ist, so wird dieth phase modulated. This means the weights 13 in its outermost position with counterclockwise rotation of the mass 12 and it in its innermost position when the mass is turned clockwise, the mass is 12. If rotation is not required at all, the will Position der Gewichte konstant gehalten, vorzugsweise in der innersten Stellung, um die Stärke der Schwingung des Körpers 10 zu reduzieren.The position of the weights is kept constant, preferably in the innermost position, in order to increase the strength of the Reduce vibration of the body 10.

Die vorgeschlagene Methode air Modulierung des Trägheitsmomentes der Masse 12 kann variiert werden. The proposed method of modulating the moment of inertia of the mass 12 can be varied.

»ο Die Steuerung kann auch für zwei oder 3 Achsen angewendet werden, wobei für j .le gesteuerte Achse eine kleine drehbare Masse mit veränderlichem Trägheitsmoment erforderlich ist.
Wenn beispielsweise die Masse 12 1 % des gesamten Trägheitsmomentes darstellt und diese Masse eine Schwiagung von ±10° ausführt, wie oben erläutert, so ändert der Körper 10 seine Lage um 0,1° je Sekunde bei einer Schwingung mit 5 Hz. Eine solche Lageänderung bzw. Änderungsgeschwindigkeit eignet sich zur Kompensierung der kleinen zufälligen Lageänderungen, die bei Satelliten auftreten.»Ο The control can also be used for two or 3 axes, whereby a small rotating mass with a variable moment of inertia is required for j .le controlled axis.
If, for example, the mass 12 represents 1 % of the total moment of inertia and this mass oscillates ± 10 °, as explained above, the body 10 changes its position by 0.1 ° per second with an oscillation at 5 Hz. Such a change in position or rate of change is suitable for compensating for the small random changes in position that occur with satellites.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Vorrichtung zur Steuerung der tage eines Körpers um eine Achse, gekennzeichnet durch pine Masse (U), die an dem Körper (10) so angebracht ist, daß sie eine Schwingungsbewegung im Winkel um diese Achse mit vorgegebener Frequenz ausführen kann, Einrichtungen (13) zur Modulation des Trägheitsmomentes der Masse (12) »> bei dieser Schwingungsfrequenz und durch Einrichtungen zur Steuerung der Phase dieser Modulation relativ zu der Schwingung der Masse (12).1. Device for controlling the days of a Body around an axis, characterized by pine mass (U) attached to the body (10) is mounted so that it has an oscillatory movement at an angle about this axis with a predetermined Can perform frequency, devices (13) for modulating the moment of inertia of the mass (12) »> at this oscillation frequency and by means of controlling the phase of this modulation relative to the oscillation of the mass (12).

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the device for modulating the moment of inertia of the mass (12) comprises at least two weights (13) which are balanced on the mass (12) so that the distances between the weights (13) from the axis of rotation of the mass (12) are variable.

3. Apparatus according to claim 2, characterized in that each weight (13) on one Spring member is arranged within the field of an electromagnet (15).

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that there are »5 indicates that the spring members are each designed in the form of a cantilever arm (14).

5. Apparatus according to claim 3 or 4, characterized in that by exciting the electromagnet (15; the distance between the weights (13) and the axis of rotation of the mass (12) can be changed.