Особенности цифрового управления двигателя-маховика АО "Корпорация "ВНИИЭМ" для высокодинамичных космических аппаратов

Для осуществления управления различными космическими аппаратами (КА) в качестве исполнительного органа системы ориентации и стабилизации применяются двигатели-маховики (ДМ). С появлением микроконтроллерной техники появились новые возможности в управлении ДМ.

22 июля 2012 г. [1] был запущен российский спутник дистанционного зондирования Земли «Канопус-В» (рис. 1) [2]. Данный КА работает в интересах Роскосмоса, МЧС, Минприроды, Росгидромета, РАН. Он служит для картографирования, мониторинга чрезвычайных ситуаций, в т. ч. пожаров, для оперативного наблюдения заданных районов [3]. Космический аппарат «Канопус-В» изготовлен АО «Корпорация «ВНИИЭМ» совместно с британской компанией Surrey Satellite Technology Limited ( SSTL ) [4].

Рис. 1. Общий вид космического аппарата «Канопус-В»

На КА «Канопус-В» компания SSTL установила не только такое оборудование как бортовой вычислительный комплекс, звездные датчики, ДМ, солнечные датчики, магнитометры, магнитные катушки, кабельная сеть, GPS- и ГЛОНАСС-антенны, но и программное обеспечение, системы ориентации и стабилизации КА. Одна из основных особенностей ДМ компании SSTL — обеспечение возможности высокоточной стабилизации скорости ротора ДМ, позволяющее бороться с различными моментами при стабилизации КА. Отсутствие импортонезависимого ДМ, обладающего передовыми возможностями, сделало необходимой разработку нового поколения ДМ в АО «Корпорация «ВНИИЭМ».

Постановка решаемых задач

Оценив совместную работу с компанией SSTL , проанализировав доступную информацию производителей (НПЦ «Полюс» [5], НИИ командных приборов, американской корпорации Honeywell и др.) и взяв за основу накопленный опыт разработки ДМ в АО «Корпорация «ВНИИЭМ» [6, 7], специалисты АО «Корпорация «ВНИИЭМ» приняли решение о создании ДМ с цифровым микроконтроллерным управлением (ДМ-МК) (рис. 2), которое должно решить следующие задачи:

• •    разработка схемы микроконтроллерного управления ДМ с организацией обратной связи по скорости вращения ротора ДМ;

• •    разработка алгоритма управления ДМ в следующих режимах: управление величиной крутящего момента; управление величиной скорости вращения ротора ДМ (как аналог управлению ДМ SSTL , где вариантом пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования (ПИД–регулирования) реализованы режим выхода в заданную скорость и высокоточная ее стабилизация); управление в случае нештатной потери связи с бортовым комплексом управления (БКУ);

• •    разработка программного обеспечения, позволяющего обеспечивать прием и логическую обработку сигналов с электромеханического блока (ЭМБ); формирование сигналов управления ЭМБ; прием и логическую обработку сигналов с БКУ по мультиплексному каналу обмена (МКО) [8]; формирование телеметрической информации для передачи по МКО в БКУ.

Рис. 2. Общий вид двигателя-маховика с цифровым управлением

Построение концептуальной модели для решения поставленных задач

За основу разработки концептуальной модели взята аналоговая схема ДМ, разработанного и выпускаемого АО «Корпорация «ВНИИЭМ» (ДМ20-250) [7], маховичный электропривод которого выполнен на основе бесконтактного электродвигателя постоянного тока (БДПТ) (рис. 3). В БДПТ задача управления вращающим моментом сводится к управлению током в якорной обмотке, поскольку магнитный поток, возбуждаемый магнитами, практически постоянен [9]. В схеме управление уровнем тока в обмотке двигателя осуществляется регулятором тока, работающим в режиме широтноимпульсной модуляции по внешнему управляющему сигналу, формируемому микроконтроллерным модулем (МКМ). В настоящее время схема ЭМБ проходит модернизацию.

Рис. 3. Упрощенная принципиальная схема бесконтактного электродвигателя постоянного тока

Для организации обратной связи по скорости вращения ДМ в схему введен оптоэлектрический датчик скорости [10], представляющий собой блок излучающих диодов и фотодиодов. Оптоэлектрический датчик формирует 1 360 импульсов за оборот. Информация с датчика скорости для дальнейшей обработки поступает в МКМ (рис. 4).

ДВИГАТЕЛЬ - МАХОВИК

Рис. 4. Функциональная блок-схема двигателя-маховика с цифровым управлением

МКМ разработан на базе применяемого в изделиях АО «Корпорация «ВНИИЭМ» унифицированного МКМ управления для систем ориентации солнечных батарей КА [11].

МКМ обеспечивает цифровое управление ДМ и выполняет следующие задачи:

• •    прием и логическая обработка сигналов контроля с ЭМБ;

• •    формирование сигналов управления ЭМБ;

• •    прием и логическая обработка сигналов с БКУ по МКО (ГОСТ 52070-2003);

• •    формирование телеметрической информации для передачи по МКО в БКУ.

Цифровая схема управления, реализованная МКМ, обеспечила управление в двух режимах: по заданному крутящему моменту (режим управления моментом) и по частоте вращения ротора (режим управления скоростью). Ранее режим управления скоростью не использовался в разработках ДМ АО «Корпорация «ВНИИЭМ».

В режиме управления моментом МКМ по сигналам от БКУ формирует необходимое аналоговое управляющее напряжение (рис. 5), пропорционально которому ЭМБ создает крутящий момент на валу ДМ.

СИГНАЛЫ УПРАВЛЕНИЯ:

- ВЫБОР РЕЖИМА

- КОМАНДЫ УПРАВЛЕНИЯ ДАННОГО РЕЖИМА

СИГНАЛЫ КОНТРОЛЯ:

- КОД РЕАЛЬНОЙ СКОРОСТИ РОТОРА

- НАПРАВЛЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА

- ИНФОРМАЦИЯ О ИСПРАВНОСТИ

ДВИГАТЕЛЬ - МАХОВИК

СИГНАЛЫ УПРАВЛЕНИЯ:

СИГНАЛЫ КОНТРОЛЯ:

■ НАПРЯЖЕНИЕ УПРАВЛЕНИЯ МОМЕНТОМ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА (Uynp)

■ НАПРАВЛЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА

МУЛЬТИПЛЕКСНЫЙ КАНАЛ ОБМЕНА

ГОСТ52070 - 2003

Рис. 5. Сигналы управления и контроля двигателя-маховика

• -    ИНФОРМАЦИЯ С ОПТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ДАТЧИКА

• -    НАПРАВЛЕНИЕ ВРАЩЕНИЯ РОТОРА

ипит=24...34В

РЕКУПЕРАЦИЯ ЭНЕРГИИ В СЕТЬ

ДИАГНОСТИКА

ТАБЛИЦЫ

КОДОВ Uynp

В режиме управления скоростью по команде от БКУ вращение ротора ДМ-МК обеспечивается в диапазоне возможных требуемых скоростей –2 600…+2 600 об/мин с шагом 1 об/мин, где знак — направление вращения ротора.

По команде от БКУ разгон или торможение ДМ можно осуществить следующим образом (рис. 6):

• •    по варианту классического ПИД – регулятора , где при максимально удачном подборе коэффициентов без перерегулирования невозможно сделать устойчивой требуемую скорость с необходимой погрешностью за максимально короткое время во всем диапазоне требуемых скоростей;

• •    по варианту высокоскоростного пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора (ВС-ПИД – регулятора), обеспечивающего без перерегулирования за максимально короткое

время выход и стабилизацию требуемой скорости. Данный инновационный вариант ВС-ПИД — регулятора разработали, руководствуясь концепцией создания быстродействующей системы, необходимой для обеспечения управления высокодинамичным КА (управляющий момент ДМ-МК — до 1 Н·м).

В варианте ВС-ПИД – регулятора разгон/торможение осуществляются на максимально допустимом значении управляющего напряжения:

U c = U max , (1)

где U_c — управляющее аналоговое напряжение ЭМБ; U _max — максимально допустимое напряжение.

МКМ оценивает величины ускорения вращения ротора и ошибки требуемой скорости. Как только прогнозируемое ускорение сможет за один такт преодолеть оставшуюся ошибку, сформируется необходимое пропорциональное управляющее аналоговое напряжение, необходимое для выхода на требуемую скорость:

ПИД – регулятора, Y_d — дифференциальное звено ПИД – регулятора.

U = c

Y i = Y c.t. k ;

U max - Y

_{∆ E}

MAX

E

/ ( X + Y),

где Y_i — интегральное звено ПИД – регулятора; Y_c.t. — табличное значение кода интегрального звена, соответствующего требуемой скорости вращения ротора ДМ; k — корректирующий коэффициент значения Y_c.t. ; ∆ E _max — максимально возможное значение изменения ошибки за время сбора и обновления информации о реальной скорости вращения ротора ДМ; E — ошибка значения скорости (разность между требуемой и реальной скоростями); x — корректирующий коэффициент варианта требуемой новой скорости.

Далее, в интегральное звено ВС-ПИД – регулятора закладывается оптимальное значение управляющего напряжения из таблицы кодов, отработанной для всего диапазона скоростей (рис. 7), а управление осуществляется с помощью усовершенствованного ПИД – регулирования, включающего в себя отсутствие интегрального насыщения, плавное «безударное» переключение коэффициентов ПИД – регулятора во время вращения ротора и т. д.:

Y_a =Y_p + Y_i + Y_d ;

U c = Y a ,

Рис. 6. Варианты алгоритмов выхода на требуемую скорость Примечание. ВС-ПИД–регулятор — высокоскоростной пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор; V_req — требуемая скорость вращения ротора ДМ; V_s — значение скорости вращения ротора ДМ в момент времени поступления требования об установке нового значения V_req .

Установка новой требуемой скорости на макете обеспечила более чем трехкратный выигрыш во времени (во всем диапазоне скоростей).

В программные алгоритмы введена самодиагностика системы. Самодиагностика осуществляет не только контролирующую функцию с последующей передачей информации в БКУ, но и автоматическую коррекцию диагностируемых параметров.

где Y_a — сумматор звеньев ПИД – регулятора; Y_p — пропорциональное звено

Рис. 7. Схема варианта высокоскоростного пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора

Примечание. Е_е — допустимое значение Е для перехода на ПИД–регулирование; V_r — реальная скорость вращения ротора ДМ; V_req — требуемая скорость вращения ротора ДМ. Также см. обозначения к формулам (1)–(3).

Например, введена корректировка таблицы кодов числовых значений, устанавливаемых в интегральное звено в алгоритме ВС-ПИД – регулятора. Такая методика управления позволяет обеспечивать стабильные технические характеристики, несмотря на возможную нелинейность передаточной функции и износ системы в течение всего времени эксплуатации.

При нештатной потере связи с БКУ космического аппарата ДМ переходит в автономный режим управления (возврат вращения ротора до скорости последнего достоверного сообщения с БКУ).

Вся элементная база узлов разрабатываемого изделия соответствует ограничительному перечню для разработки военной и специальной техники.

результаты проведенной работы

Отработка программного обеспечения цифрового микроконтроллерного управления осуществлялась на макете ДМ-МК. Основные технические характеристики ДМ-МК:

управляющий момент 1 Нм; кинетический момент ±10 Нмс;

диапазон изменения частоты вращения         ±2 600 об/мин;

максимальный потребляемый ток                  10 А;

число импульсов на оборот                            1 360;

масса                                  8 кг;

напряжение питания            24….34 В;

тип ОЭВМ, используемой в МКМ        1880ВЕ81У;

такт общения с БКУ КА              125 мс;

срок службы              не менее 12 лет.

Допустимое отклонение частоты вра- щения ротора в режиме управления по скорости ДМ-МК:

• •    при неизменной заданной частоте — не более 1 об/мин;

• •    при темпе изменения заданной частоты не более 1 000 об/мин² — не более 2 об/мин;

• •    при темпе изменения заданной частоты вращения в диапазоне 1 000…8 000 об/мин² — не более 10 об/мин.

Полученные результаты испытаний подтвердили выполнение поставленных задач и соответствуют ожидаемым характеристикам создаваемого ДМ-МК. Внедрение двигателя-маховика с цифровым микроконтроллерным управлением планируется в 2019 г.

заключение

По итогам проделанной работы построена концептуальная модель решения задачи и сделаны выводы о приемлемости данного решения как аналога управления на КА «Канопус-В».

При шаге такта общения с БКУ, равного (или меньшего) 125 мс при различных темпах изменения заданной частоты, теоретически можно обеспечить оптимальное решение, где минимальное отклонение частоты вращения ротора составит не более 1 об/мин. Поэтому определены более жесткие требования к разрабатываемому изделию, и сформулирована следующая научная задача [12]:

Дано: основные технические характеристики ДМ-МК (см. выше по тексту) и новые требования к допустимому отклонению частоты вращения ротора в режиме управления по скорости ДМ-МК:

• •    при неизменной заданной частоте — не более 1 об/мин;

• •    при темпе изменения заданной частоты не более 1 000 об/мин² — не более 1 об/мин;

• •    при темпе изменения заданной частоты вращения в диапазоне 1 000…8 000 об/мин² — не более 1 об/мин.

Найти: функцию управления ДМ-МК в режиме заданной скорости.

Авторы выражают признательность сотрудникам АО «Корпорация «ВНИИЭМ» Макриденко Л.А., Сарычеву А.П., Меду-шеву С.В., Рогозе А.В., Щетинину М.Ю., Кузьмину В.К., Городецкому Р.С., Кубра-ку В.К., Соколунину И.В. за обеспечение возможности создания и отработки цифрового управления на образцах двигателей-маховиков, разработанных и выпускаемых АО «Корпорация «ВНИИЭМ».