JP2562855B2 - 電力損失保護システムと電力損失保護方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、モーメンタムホイール
宇宙船安定化システムに関する。特に、本発明はシステ
ム電力損失が生じた場合でもモーメンタムホイール制御
回路及びそれに関係付けられているシステムを保護する
技術に関する。

【０００２】本発明は特定の実施例について本明細書に
説明されているが、本発明が実施例に限定されるもので
はないことはいうまでもない。技術分野及び本明細書に
記載されている教示を理解できる人であれば本発明の範
囲内で他の実施例を理解することができるであろう。

【０００３】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】スピニ
ングモーメンタムホイールシステム（かつては、「ジャ
イロスコープ（gyroscopes）」又は「ジャイロスタビラ
イザー（gyro stabilizers）」と呼ばれていた）は、宇
宙船を安定化するために用いられている。これらのシス
テム及び他の高モーメンタムの電気機械的宇宙船安定化
システムは、突然の電力損失が生じた場合に破壊的なス
トレスを受ける。そのような電力損失は、システム電力
のメイン又は一次電力バスの短絡の結果として発生す
る。従って、一次電力バスの突然の電力損失による破壊
的なストレスから保護が宇宙船及び他の安定システムに
要求されている。

【０００４】そのような保護は、電力損失時においてモ
ーメンタムホイールに蓄積されたエネルギーをブロック
し、分流し又は非破壊的に消失させるといういつくかの
方法を必要としている。これは、モーメンタムホイール
モータドライブ構成要素内での破壊的なエネルギーの消
失の可能性を妨げる。

【０００５】先行技術の宇宙船安定化システム保護技術
は、蓄積されたエネルギーのブロック及び／又は消失を
一般的に含んでいた。しかし、これらのシステムはいく
つかの又はすべての蓄積されたエネルギーからシステム
構成要素を保護する信頼性技術を提供していない。この
文脈において、「信頼性（reliable）」とは、高い成功
率で反復性があることを意味している。

【０００６】ある基準ベースの応用で信頼性がある他の
技術は、宇宙船で使用しているサイズ及び／又は重量制
限を一般的に満たすことができなかった。先行技術に
は、電力損失が発生したときに保護すべき回路が通常の
状態に保たれているような系統的な回路機能終端が提供
されていない。

【０００７】従って、モーメンタムホイールシステムを
突然の電力損失から保護する軽量で信頼性のある技術の
必要性が存在している。電力損失発生の間に保護すべき
回路を通常の状態に保つような系統的な回路機能終端を
供給することができるシステムの必要性がさらに存在し
ている。

【０００８】

【課題を解決するための手段、作用及び効果】技術分野
における前記必要性は、電力バスに接続されているスピ
ニングモーメンタムホイールモータを有するシステムで
用いるための本発明の電力損失保護システムにより達成
される。本発明のシステムは、システム電力損失が生じ
た場合に電力バスに接続されている保護すべき回路に印
加されている電力を調整する。最も一般的な意味におい
て、本発明のシステムはシステムバスの電力損失を検出
し、電力損失の検出に応答して第１信号を発生する電力
損失ディテクタと、第１信号に応答してモーメンタムホ
イールモータから保護すべき回路へのバス電圧あるいは
バック起電力（以下ＥＭＦ）を調整する調整装置を有し
ている。このように、保護すべき回路へのシステム電力
バスフィードラインは、電力が本発明に従ってモーメン
タムホイールのバックＥＭＦから得られる局部的又は二
次バスになる。

【０００９】さらに特定な実施例において、本発明の調
整装置は基準電圧を提供する回路及びスピニングモーメ
ンタムホイールのトルクを減少させる制御回路を有して
いる。制御回路は、基準電圧から二次バス電圧を減算
し、それに応答して第２信号を提供する回路及び第２信
号に応答してモーメンタムホイールトルクを減少させる
回路を有している。さらに特定の実施例では、本発明は
第１信号に応答して一次バスから保護すべき回路を電気
的に絶縁するスイッチを有している。

【００１０】従って、本発明はモーメンタムホイールシ
ステムを突然の電力損失から保護する軽量で信頼性のあ
る技術を提供している。本発明はさらに、電力損失発生
の間に、保護すべき回路が既知の状態に保たれるように
規則的に回路機能を終端させる。

【００１１】

【実施例】図１は従来のモーメンタムホイール制御シス
テム１０′の簡単化されたブロック図である。システム
１０′は一次電力バス１１′に接続されており、電磁妨
害雑音（以下ＥＭＩ）フィルタ１２′及びモーメンタム
ホイールモーター制御回路１４′を有している。モータ
ー制御回路１４′はスピニングモーメンタムホイール及
びモータ１６′に電気的に接続されている。

【００１２】従来の教示に従って、一次電力バス１１′
からの電力は、不必要な雑音を除去するためにＥＭＩフ
ィルタ１２′によって制約されている。制約されている
電力はその後、第２電力バス１３′を介してモーメンタ
ムホイールモーター制御回路１４′に印加される。モー
ター制御回路１４′によりモーメンタムホイールドライ
ブモータ１６′に供給されている電力は、回転子巻線
（図示されていない）に電磁界を誘導することによって
モーメンタムホイールの回転運動に変換される。その電
磁界は回転子を回転させる反発力を引き起こしているモ
ータ１６′内の固定マグネット（図示されていない）に
作用している。回転子は、回転子を回転させているモー
メンタムホイールに機械的に結合される。従って、一次
電力バス１１′からの電気的な電力は機械電力に変換さ
れる。

【００１３】モーメンタムホイール１６′の反作用トル
クは、モータトルク制御ライン１８′を介して、組み込
まれた宇宙船誘導コンピュータ１９′からの信号に従っ
て、モータ制御回路１４′により制御されている。一次
電力バス１１′からの電力が失われると、モーメンタム
ホイールを遅らせたり又は止めたりする制御回路１４′
の能力も失われてしまう。ホイール１６′は、スピニン
グ回転子とホイールの回転運動エネルギーが電気的電力
消耗及び機械的摩擦の組み合わせにより消散されるま
で、回転し続けたままになっている。このホイールの回
転により回転子も回転運動が維持される。従って、回転
子コイルはモータの固定マグネットの磁界を横断し続け
るので、回転子コイルに電圧が誘起される。この電圧は
モータ制御出力ライン１５′を介してモーター制御回路
１４′に帰還される。いま一次バスは電圧がゼロである
か低いので、モータ制御回路１４′を介した大きな電流
の流れを妨げるものは何もない。また、モータ制御回路
１４′の論理機構の正確な機能を得るために要求されて
いるレベルより下である電力バス電圧レベルは、モータ
制御回路を未決定の状態及び可能な付加的損失を受けや
すい状態にする。従来の教示は、制御回路１４′の状態
維持に備えられていない。

【００１４】本発明は、一次電力バスの電力損失状態で
スピニングモーメンタムホイール及びモータの組み合わ
せにより誘導される電圧を再び印加及び調整し、その組
み合わせによってモータ制御回路を保護する。

【００１５】図２は、本発明の電力損失保護回路１０に
おける説明的な実施例の簡単化された構成図である。電
力損失保護回路１０は一次電力バス１１に接続されてお
り、ＥＭＩフィルタ１２及びモーメンタムホイールモー
タ制御回路１４を有している。モータ制御回路１４はス
ピニングモーメンタムホイール及びモータ１６に接続さ
れている。モーメンタムホイール制御回路１４は、電力
損失検出に応答してライン２２に信号を送る電力損失デ
ィテクタ２１を有している。電力損失ディテクタ２１は
相補型金属酸化膜半導体（以下ＣＭＯＳ）インバータ７
１を使用することによって構成されている。二次電力バ
ス１３の短絡状態から生じる電力損失は、インバータの
入力で電圧の降下を引き起こす。この電圧がインバータ
電源バッテリ７２の電圧の２分の１以下に減少すると、
インバータの出力２２電圧はバッテリ７２の電圧と同等
の高い状態になる。インバータの出力２２はＭＯＳ電界
効果トランジスタ（以下ＭＯＳＥＦＴ）２０のゲート３
２に電気的に接続されている。

【００１６】本発明の教示に従って、演算増幅器２６
は、二次電力バス１３とモータ制御回路１４へのモータ
スピード制御ライン入力ターミナル間に接続されてい
る。差動アンプ２６は、演算増幅器４０、一端が演算増
幅器４０の反転入力に接続されている第１入力抵抗４
２、一端が演算増幅器４０の非反転入力に接続されてい
る第２入力抵抗４６、演算増幅器４０の反転入力から出
力に接続されているフィードバック抵抗４４から構成さ
れている。技術的に知られているように、この図２のよ
うに接続されている演算増幅器は、抵抗４６の電圧と抵
抗４２の電圧間の差を増幅し、電流演算増幅器実現化に
備わっている小型オフセット電圧を付加する。増幅量は
第１入力抵抗４２とフィードバック抵抗４４との比率に
より決められている。

【００１７】本発明の教示に従って、固定されている電
圧基準ソースは、二次バス１３と第２入力抵抗４６の第
２端間に直列に接続されているツェナーダイオード２４
によって提供されている。抵抗４５は、ツェナーダイオ
ード２４のアノードと接地との間に接続されていて、ツ
ェナーダイオード用の電流制限器及び演算増幅器の非反
転入力用のプルダウン電流パスとして作動する。「ニー
（knee）」又はツェナー電圧より小さいツェナーダイオ
ードのカソード側における正電圧は、ダイオードの半導
体特性によってブロックされる。従って、演算増幅器２
６の非反転入力における電圧は抵抗４５を介してプルダ
ウンパスによりゼロボルトになる。

【００１８】二次バス１３の電圧がダイオード２４のツ
ェナー電圧を越えている場合には、ダイオードは伝導
し、演算増幅器の非反転入力における電圧を、二次バス
の電圧からツェナーダイオード両端の順方向電圧降下を
引いた電圧と等しくさせる。演算増幅器４０からの出力
電圧は二次バス１３の電圧と演算増幅器２６の非反転入
力における電圧間との差に比例している。従って、出力
電圧はツェナーダイオード２４の電圧に比例している。

【００１９】本発明の教示に従って、アナログスイッチ
２９はモータスピード制御ライン１８に直列に接続され
ている。アナログスイッチ制御ターミナル５２は信号ラ
イン２２に接続されている。一次電力バス１１の電力損
失から生じるこのラインの信号電圧はアナログスイッチ
２９を開き、誘導コンピュータ１９からモータ制御回路
１４への信号を阻止する。

【００２０】本発明に従って、演算増幅器２６からの電
圧出力は、モータ制御回路１４のモータトルク制御入力
に供給されている。その電圧はモータ制御回路１４を介
してモーメンタムホイールモータ１６の回転子コイル
（図示されていない）に印加されており、コイルに反作
用磁気界を形成することによりモーメンタムホイールの
ブレーキ効果を引き起こす。従って、本発明はモーメン
タムホイールからの誘導電圧の二次電力バス１３の電圧
レベルへの変換を調整し、正確な回路操作を効果的に維
持する。

【００２１】一次電力バス１１の電圧は電圧制御スイッ
チとして配置されているＭＯＳＦＥＴ ２０のソースタ
ーミナル３０に供給されている。ＭＯＳＦＥＴ ２０の
ゲートターミナル３２は、電力損失ディテクタ２１から
の出力ライン２２に接続されている。ＭＯＳＲＥＴ ２
０のドレインターミナルは、ＥＭＩフィルタ１２への入
力に接続されている。ダイオード３６はＭＯＳＲＥＴ
２０のソース及びドレインターミナルを横切って接続さ
れており、一次電力バス１１からＥＭＩフィルタ１２に
通常の電流を流すことができる。

【００２２】通常のブレーキング動作の間、逆電流はＭ
ＯＳＦＥＴ ２０を介してＥＭＩフィルタ１２から一次
バス１１に流れる。本発明の教示に従って、電力損失デ
ィテクタ２１の出力は、ＭＯＳＦＥＴ ２０のゲート３
２に接続されている。例えば、バスが地面に短絡された
際に生じるように、電力が一次電力バス１１に損失され
ると、ライン２２の発生信号電圧はＭＯＳＦＥＴ ２０
のゲートに供給され、ＭＯＳＦＥＴのソース３２とドレ
イン３４の間の電圧チャネルをピンチオフし、短絡バス
からモータ制御回路１４を効果的に絶縁し保護する。

【００２３】図３は、本発明の電力損失保護回路におけ
る説明的なモータ制御回路１４の簡単化された構成図で
ある。モータコイル（図示されていない）に流れている
電流は、第１及び第２抵抗９２及び９４により検知さ
れ、その二つの抵抗によって電圧に変換される。第３、
第４、第５、第６抵抗９５〜９８のそれぞれは、演算増
幅器９０の入力を有する微分加算ネットワークを形成し
ている。第５及び第６抵抗９７及び９８の電圧は演算増
幅器９０の非反転入力で加算される。第３及び第４抵抗
９５及び９６の電圧は演算増幅器９０の反転入力で加算
される。これらの和は演算増幅器の差動入力により小型
内部オフセット電圧を有している相互から引かれる。そ
の結果は、演算増幅器９０の出力と演算増幅器９０の反
転入力とからのフィードバックループに接続されている
第７抵抗９９と第３及び第４抵抗９５と９６の並列抵抗
との比率により増幅される。オフセット電圧は、接地と
演算増幅器９０の非反転入力との間に第８抵抗８９を加
えることによって最小化されている。演算増幅器９０の
出力における電圧の発生値は、モータ１６のコイルの電
流に比例している。

【００２４】演算増幅器９０からの出力電圧は、第２演
算増幅器１００の反転入力に接続されている入力抵抗１
０２に供給されている。フィードバック抵抗１０４は、
回路の安定性を維持するために、第２演算増幅器１００
の出力から第２演算増幅器１００の入力へコンデンサ１
０６と共に直列に接続されている。本発明の宇宙船の誘
導コンピュータ又は差動アンプ（図示されていない）の
いずれかからモータトルクライン１８に供給されている
電圧は、第２演算増幅器１００の非反転入力に接続され
ている抵抗１０８に供給されている。抵抗１０２及び１
０４の比率により増幅された（小型オフセットを有す
る）第２演算増幅器１００の二つの入力における電圧間
の差は、第２演算増幅器１００の出力に現われる。

【００２５】アンプ１００からの出力電圧は、パルス幅
変調器（以下ＰＷＭ）１１０により、変化するデューテ
ィサイクルのパルス列に変換される。モータ１６の位置
ディテクタ（図示されていない）は、コミュテ−タ論理
回路１１２に同様な変化するデューティサイクルのパル
ス列を送る。コミュテ−タ論理回路１１２は電荷制御ド
ライバ６０〜７０（うち偶数のみ）に制御信号を送る。
制御信号はモータトルクと位置情報の組み合わせであ
る。

【００２６】電荷制御ドライバ６０〜７０は、順方向又
は逆方向のいずれかで回転子を回転させるために適当な
電圧をモ−タ１６のコイルに供給する。本発明の教示に
従って、上記の図２に説明されているように、スピニン
グモーメンタムホイールにより発生されたバックＥＭＦ
は、一次バス１１の電力損失の場合でも差動アンプ回路
２６を介して制御電流に変換される。この電流は、電力
損失が発生しなかった場合に、誘導コンピュータにより
モータトルク制御ライン１８に通常に供給されている制
御電流に類似である。アナログスイッチ２９は、一次バ
ス１１の電力損失に基づいて誘導コンピュータの出力か
ら差動アンプ２６の出力へモータトルク制御ライン１８
の接続を切替える。

【００２７】従って、モータ誘導電圧を調整された電流
に変換し、アナログスイッチ２９を介してモータ制御回
路１４のモータトルク制御入力に調整された電流を印加
することによって、モータ制御回路は、電圧の損失又は
モーメンタムホイールモータ１６により誘導された制御
されていない電圧変動のいずれかから保護される。上記
図２に関連して説明されているように、この方法は、一
次電力バスからモータトルク制御回路を単に絶縁する技
術に対して利点を有する。この方法は、本質的にモーメ
ンタムホイールのすべての運動エネルギーが安全に消散
されるまで、コミュテ−タ論理１１２を機能的な状態に
保つことができる。この方法により、誤ったコミュテ−
ション指令の可能性が、電荷制御ドライバに損害を与え
ることができた導通モードで多数の電荷制御ドライバー
トランジスタをラッチングすることを防止する。

【００２８】従って、回路は、すべての関連したシステ
ム構成要素の適切な機能性を保護及び維持するように、
モーメンタムホイールに蓄積された電力再印加及び電力
の調整のために設けられている。本発明は特定の適用の
ための特定の実施例について本明細書に説明されている
が、技術分野及び本明細書に記載されている教示を理解
できる人であれば本発明の範囲内で他の実施例を理解す
ることができるであろう。

【００２９】従って、本発明の範囲内にすべてのこのよ
うな応用、変更及び実施例を含むように添付されている
請求項は意図している。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のモーメンタムホイール制御システムの簡
単化されたブロック図である。

【図２】本発明の電力損失保護システムの実施例の簡単
化された構成図である。

【図３】本発明の電力損失保護システムにおけるモータ
制御回路の簡単化された構成図である。

【符号の説明】

１０′…モーメンタムホイール制御システム、１０…動
力損失保護回路、１１′、１１…一次電力バス、１２、
１２′…ＥＭＩフィルタ、１３、１３′…二次電力バ
ス、１４、１４′…モーメンタムホイールモータ制御回
路、１５′…モータ制御出力ライン、１６、１６′…ス
ピニングモーメンタムホイール及びモータ、１８、１
８′…モータトルク制御ライン、１９、１９′…誘導コ
ンピュータ、２０…ＭＯＳＥＦＴ、２１…電力損失ディ
テクタ、２２…信号ライン、２４…ツェナーダイオー
ド、２６…演算増幅器、２９…アナログスイッチ、３０
…ソースターミナル、３２…ＭＯＳＥＦＴターミナル、
３４…ドレイン、３６…ダイオード、４０…演算増幅
器、４２…第１入力抵抗、４４…フィードバック抵抗、
４５…抵抗、４６…第２入力抵抗、６０、６２、６４、
６６、６８、７０…電荷制御ドライバ、６１、６３、６
５、６７、６９、７１…ＣＭＯＳインバータ、７２…イ
ンバータ電力供給バッテリ、８９…第８抵抗、９０…演
算増幅器、９２…第１抵抗、９４…第２抵抗、９５…第
３抵抗、９６…第４抵抗、９７…第５抵抗、９８…第６
抵抗、９９…第７抵抗、１００…演算増幅器、１０２…
入力抵抗、１０４…フィードバック抵抗、１０６…コン
デンサ、１０８…抵抗、１１０…パルス幅変調器（ＰＷ
Ｍ）、１１２…コミュテ−タ論理回路。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電力バス（１１）に接続されているスピ
   ニングモーメンタムホイールを有するシステムにおける
   前記電力バスに接続されている保護すべき回路に印加さ
   れる電力を調整する電力損失保護システムであって、 前記電力バスの電力損失を検出し、前記電力損失の検出
   に応答して第１信号を送る手段（２１）と、 モーメンタムホイールから導出され、前記電力損失が発
   生する場合に前記第１信号に応答して前記保護すべき回
   路へ供給される二次バス電圧を調整する手段（２６、２
   ０、２９）と、 を有している電力損失保護システム。
2. 【請求項２】 スピニングモーメンタムホイールを有
   し、電力バス（１１）に接続されているているシステム
   における、前記電力バスに接続されている保護すべき回
   路に印加されている電力を調整する電力損失保護方法で
   あって、 ａ）前記電力バスの電力損失を検出し、電力損失の検出
   に応答して第１信号を発生するステップと、 ｂ）スピニングモーメンタムホイールのエネルギーから
   導出され、前記電力損失が発生する場合に前記第１信号
   に応答して前記保護される回路に供給される二次電圧を
   調整するステップと、 を有している電力損失保護方法。