2. МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Механические исполнительные элементы представляют собой маховики с большими моментами инерции, приводимые во вращение электрическими двигателями. В качестве двигателей применяют электрические двигатели постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов или бесколлекторные электродвигатели постоянного тока с электронной коммутацией.

Рис. VII.10. Схема управления угловым движением космического летательного аппарата с помощью трех двигателей-маховиков

Механические исполнительные элементы наиболее часто применяют для управления движением космических летательных аппаратов относительно заданной оси путем ускорения или замедления вращения маховика, установленного по этой оси. Обычно управление угловым движением космического летательного аппарата осуществляется с помощью трех двигателей-маховиков, по одному на каждую ось управления, как это показано на рис. VII. 10.

Если обозначить моменты инерции космического летательного аппарата относительно главных осей через , а моменты инерции вращения маховиков через то уравнения такой динамической системы можно записать в следующем виде:

где — угловые скорости космического летательного аппарата в инерциальном пространстве; — угловые скорости маховиков относительно корпуса космического летательного аппарата; — возмущающие моменты относительно осей х, соответственно.

Рассмотрим, каким образом за счет изменения угловых скоростей вращения маховиков обеспечивается угловая стабилизация космического летательного аппарата. Для этого составим уравнения движения электрического двигателя маховика с постоянными магнитами в виде

где — момент инерций двигателя; — момент инерций маховика.

Следует отметить, что момент инерций маховика в сотни раз превышает момент инерций якоря электродвигателя.

Напряжение на клеммах якоря определим в форме, аналогичной (VI 1.1),

т. е.

Решая совместно уравнения (VI 1.26) и (VI 1.27), получаем следующую систему:

Из совместного решения систем уравнений (VII .25) и (VII .28) можно определить, каким образом за счет изменения меняются угловые скорости вращения космического летательного аппарата, вызванные действием внешних возмущающих моментов.

Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока с электронной коммутацией, применяемые в качестве привода для маховиков, имеют достаточно линейную регулировочную характеристику, низкий уровень пульсаций момента; кроме того, в них отсутствует щеточно-коллекторный узел, который необходимо герметизировать. Поэтому двигатели этого типа нашли широкое применение в космических летательных аппаратах.

На рис. VI 1.11 показана принципиальная схема электродвигателя постоянного тока с трехфазной обмоткой и однополупериодным электронным преобразователем. Электродвигатель состоит из трехфазного статора с обмотками и ротора Р с постоянными магнитами. Фазы обмоток электродвигателя питаются постоянным током от источника питания через электронный коммутатор ЭК. Порядок переключения транзисторов электронного коммутатора определяется управляющими сигналами, которые формирует магнитный датчик положения.

Датчик положения вырабатывает сигнал в зависимости от угла поворота бесколлекторного двигателя. В результате этого обеспечивается последовательное переключение транзисторов ЭК синхронно с вращением ротора Р, что создает вращающееся магннтное поле. Ротор двигателя будет следовать за вращающимся полем.

Рис. VII.11. Принципиальная схема электродвигателя постоянного тока с трехфазной обмоткой и однополупериодным электронным преобразователем, используемого в качестве привода маховика

Рис. VII.12. Принципиальная схема асинхронного двухфазного электродвигателя, используемого в качестве привода маховика

Характеристики бесколлекторного электродвигателя содв и уравнения динамики близки к соответствующим характеристикам и уравнениям коллекторного электрического двигателя постоянного поля с постоянными магнитами.

В качестве двигателей привода для маховиков могут быть использованы и асинхронные двухфазные электродвигатели, одну из обмоток которых подключают к источнику питания переменного тока с напряжением через конденсатор С (рис. VII.12). Вторую обмотку подсоединяют к управляющему усилителю 1. К оси массивного ротора 2 (типа «беличьей клетки») присоединяют маховик 3.

Динамика такого привода описывается уравнением, аналогичным (VII .21).

Механические исполнительные элементы имеют большой срок службы, малое потребление электроэнергии и обеспечивают высокую точность стабилизации космических летательных аппаратов (до десятых долей угловой секунды).