Электропривод для остронаправленной антенны

 

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К ПАТЕНТУ

ЬЭ

Ю

Ю

ЬЭ

4й

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 4867682/07 (22) 20.09.90 (46) 30.10.93 Бюл. Мя 39- 0 (71) Московский лесотехнический институт (72) Сыромятников 8.С.; Зубков ВА; Верхов С.И. (73) Московский лесотехнический институт (64) ЭЛЕКТРОПРИВОД ДЛЯ ОСТРОНАПРАВЛЕННОЙ АНТЕННЫ (57) Использование: исполнительный элемент антенн космических летательных аппаратов. Сущность: эпектропривод содержит последовательно соединенные формирователь импульсов управления шагового двигателя, электронный коммутатор, (в) RU (и) 20023б1 С1 (51) 5 Н 02 Р 8 00 усилитель мощности, шаговый двигатель, механически связанный с силовым редуктором, последовательно соединенные блок управления двигателя постоянного тока, двигатель постоянного тока, механически связанный с силовым редуктором. Центральный блок управления двигателями состоит из регистра кода частоты управляющих импульсов, элемента сравнения, анализатора знака, преобразователей код-частота, постоянного запоминающего устройства, формирователя командных импульсов двигателя постоянного тока и триггера направления врашения. 2 ил.

2002361

Изобретение относится к машиностроению, в частности к исполнительным элементам антенн космических летательных аппаратов.

Традиционно высокие требования к точности позиционирования остронаправленных антенн, а также требования по упрощению конструкции и управлению их исполнительных элементов привели к тому, что в большинстве случаев в качестве исполнительных элементов используют электропривод на основе шагового двигателя, работающего по разомкнутому контуру, Однако при создании новых типов антенн возникает ситуация, когда требуется создать новые исполнительные элементы — электропривода под уже существующие системы наведения, При этом требования к новым исполнительным элементам могут быть невыполнимые при использовании шаговых двигателей, в частности, проблема обеспечения скорости вращения выходного вала привода с сохранением точности позиционирования, величина которой является недостижимой и определяется системой наведения в виде частоты следования управляющих импульсов на блок управления шаговым двигателем, величина частоты приемистости которого ниже величины частоты, определяемой системой наведения для данной скорости.

Поэтому стоит задача расширения диапазона работы электропривода остронаправленной антенны, базирующегося на использовании шагового двигателя, работающего по разомкнутому контуру. Как известно, увеличение диапазона рабочих частот следования импульсов управления шагового двигателя и, как следствие, скорости вращения его выходного вала с поддержанием достаточного момента на его выходном валу определяется динамической характеристикой шагового двигателя.

Известен электропривод с улучшенными динамическими характеристиками шагового двигателя за счет подключения последовательно к обмоткам шагового двигателя дополнительного резистора, так называемого форсировочного сопротивления, наличие которого уменьшает электромагнитную постоянную времени шагового двигателя и приводит к более быстрому нарастанию тока в фазе при подаче скачка напряжения на ве вход. Недостатком является снижение установившейся величины тока в фазе, что приводит к снижению момента вращения шагового двигателя, Известен электропривод с улучшенными динамическими характеристиками шагового двигателя эа счет изменения формы его

55 фазных напряжений, так называемое импульсное форсирование, при котором величина падения тока в фазе, присущая первому принципу, компенсируется увеличением фазного напряжения. Недостатком является то, что при повышенном напряжении и наличии форсировочного сопротивления КПД шагового двигателя не велик ввиду того, что порядка 80 мощности расходуется на нагрев данного формировочного сопротивления.

Известен электропривод с улучшенными динамическими характеристиками шагоеого двигателя за счет подключения к фазе двигателя диода и разрядного резистора, приводящих к ускоренному спаду тока в фазе шагового двигателя после снятия импульса напряжения на фазе. Недостатком является то, что после спадания тока до нуля цепь фазы разрывается, т,е. питание двигателя от нереверсивного усилителя мощности соп ровождается скачкообразным периодическим изменением активного сопротивления фазы от номинального значения, когда ток больше нуля и диод открыт до бесконечности, когда ток равен нулю ввиду того, что диод закрыт, Указанное обстоятельство затрудняет проектирование шагового привода и, кроме того, вносит дополнительные потери.

Известен электропривод с улучшенными динамическими характеристиками шагового двигателя за счет введения в цепь разряда обратного диода и разрядного резистора фазы шунтирующего конденсатора, приводящего к тому, что в процессе отключения тока фазы напряжение на конденсаторе увеличивается, обеспечивая увеличение темпа спадания тока фазы. B момент равенства тока фазы нулю начинается разряд конденсатора через разрядный резистор, С увеличением частоты коммутации конденсатор успевает разрядиться полностью, что вызывает ускорение процессов отключения фазы. При этом образуется частотно-зависимая разрядная цепь, обеспечивающая малую скорость спадания тока при низких частотах управления, что улучшает качество движения выходного вала двигателя и большую скорость в области высоких частот, что расширяет рабочий диапазон частот импульсов управления. Особенно хорошие результаты дает применение такой

RC-разрядной цепи, являющейся общей для всех фаз шагового двигателя. Недостатком является то, что время отключения тока фазы приблизительно в 1,5 раза выше, чем в првдыдущем принципе. Кроме того, при использовании данного принципа вносятся дополнительные потери, 2002361

Общим и главным недостатком всего вышеизложенного является то, что все они позволяют незначительно увеличить диапазон рабочих частот импульсов управления и, как следствие, расширить диапазон нормальной работы электропривода остронаправленной антенны, базирующегося на использовании шагового двигателя, работающего по разомкнутому контуру, Наиболее близким к предлагаемому изобретению является электропривод, базирующийся на использовании шагового двигателя, работающего по разомкнутому контуру совместно с последним вышеизложенным принципом улучшения динамических характеристик шагового двигателя, который взят за прототип и состоит из информационного входа, входа направления вращения, формирователя импульсов, электронного коммутатора, усилителя мощности, шагового двигателя, силового редуктора.

Главным недостатком прототипа является то обстоятельство, что прототип позволяет отрабатывать лишь те частоты следования импульсов управления, вырабатываемые системой наведения, и тем самым развивать соответствующие скорости вращения выходного вала, величины которых не превышают величину частоты приемистости шагового двигателя при заданной величине нагрузки на выходном валу привода без ухудшения точности его позиционирования, Целью изобретения является расширение диапазона работы электропривода остронаправленной антенны. Цель достигается тем, что в электроприводе остронаправленной антенны дополнительно используют центральный блок управления двигателями, блок управления двигателем постоянного тока, двигатель постоянного тока, силовой редуктор двигателя постоянного тока, силовой редуктор электропривода, выход которого является выходным валом электропривода, а первый вход которого соединен с выходом силового редуктора двигателя постоянного тока, вход которого соединен с выходом двигателя постоянного тока, каждый вход которого соединен с соответствующим выходом блока управления двигателем постоянного тока, первый вход которого соединен с первым выходом центральKoãî блока управления двигателями, а второй вход — с вторым выходом центрального блока управления двигателями, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами формирователя импульсов, первый вход центрального блока управления двигателя5

55 ми соединен с информационным входом, второй вход центрального блока управления двигателями соединен с входом направления вращения — движения антенны, второй вход силового редуктора электопривода соединен с выходом силового редуктора.

При этом при поступлении по информационному входу кода частоты следования импульсов управления, соответствующая величина частоты которого не превышает частоту шагового двигателя, выше которой происходит "потеря шага", работает только канал шагового двигателя. В противном случае работает и канал двигателя постоянного тока в соответствии с заданным сигналом по входу направления вращения, Все механические соединения между соответствующими силовыми редукторами электропривода жесткие, Технические характеристики двигателя постоянного тока выбираются таким образом, чтобы его номинальный момент вращения был аналогичен моменту вращения шагового двигателя, а скорость холостого хода — требуемой максимальной скорости вращения выходного вала электропривода с учетом передаточных соотношений силовых редукторов привода. При этом требуемое значение максимальной скорости определяется системой наведения и передается посредством информационного входа в виде кода частоты следования импульсов управления, соответствующего идеализированному шаговому двигателю (как если бы понятие "частоты приемистости" отсутствовало), с учетом передаточных соотношений соответствующих силовых редукторов привода, Совокупность отличительных признаков не обнаружена в источниках технической и патентной литературы для решения поставленной задачи расширения диапазона нормальной работы электропривода остронаправленной антенны, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критериям изобретения "новизна" и "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена структурная схема электропривода остронаправленной антенны, которая содержит информационный вход 1, вход 2 направления вращения, формирователь 3 импульсов, электронный коммутатор 4, усилитель 5 мощности, шаговый двигатель б, силовой редуктор 7, центральный блок 8 управления двигателями, блок 9 управления двигателем постоянного тока, двигатель 10 постоянного тока, силовой редуктор 11 двигателя постоянного тока, силовой редуктор 12 электропривода, выход которого является выходным валом электро2002361 привода, а первый вход которого соединен с выходом силового редуктора 11 двигателя постоянного тока, вход которого соединен с выходом двигателя 10 постоянного тока, каждый вход которого соединен с соответствующим выходом блока 9 управления двигателем постоянного тока, первый вход которого соединен с первым выходом центрального блока 8 управления двигателями, а второй вход — с вторым выходом центрального блока 8 управления двигателями, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входами формирователя 3 импульсов, первый вход центрального блока 8 управления двигателями соединен с информационным входом 1, второй вход центрального блока 8 управления двигателями соединен с входом 2 направления вращения, второй вход силового редуктора 12 электропривода соединен с выходом силового редуктора 7, каждый выход формирователя 3 импульсов соединен с соответствующим входом электронного коммутатора 4, каждый выход которого соединен с соответствующим входом усилителя 5 мощности, каждый выход кото рого соединен с соответствующим входом фазы шагового двигателя 6, выход которого соединен с входом силового редуктора 7.

В качестве центрального блока управления двигателями использован блок, структурная схема которого представлена на фиг. 2 и состоит иэ регистра 13 кода частоты управляющих импульсов, элемента

14 сравнения, анализатора 15 знака, преобразователя код-частота 16, триггера 17 направления вращения, постоянного запоминающего устройства 18, содержащего код частоты приемистости шагового двигателя, формирователя 19 командных импульсов двигателя постоянного тока, первый вход которого соединен с первым выходом анализатора 15 знака, а второй — с выходом триггера 17 направления вращения, вход которого соединен с входом 2 направления вращения, информационный вход 1 соединен с входом регистра 13 кода частоты управляющих импульсов, выход которого одновременно соединен с третьим входом преобразователя код-частота 16 и вторым входом элемента 14 сравнения, первый вход которого соединен с выходом постоянного запоминающего устройства 18, одновременно выход постоянного запоминающего устройства 18 соединен с четвертым входом преобразователя код-частота

16, выход элемента 14 сравнения соединен с входом анализатора 15 знака, второй выход которого соединен с первым входом преобразователя код-частота 16, второй

40 .ем сигналов на входе анализатор 15 знака

55

35 вход которого соединен с первым выходом анализатора 15 знака, выход преобразователя код-частота 16 соединен с первым входом формирователя 3 импульсов, второй вход которого соединен с выходом триггера

17 направления вращения, первый и второй выходы формирователя 19 командных импульсов двигателя постоянного тока соединены соответственно с первым и вторым входами блока 9 управления двигателя постоянного тока.

При этом работа центрального блока управления двигателями заключается в следующем. При поступлении из системы наведения на информационный вход 1 кодовой комбинации сигналов, определяющих частоту следования импульсов управления на фазы шагового двигателя, данная кодовая комбинация заносится в регистр 13 кода частоты управляющих импульсов. Аналогично при поступлении сигнала, однозначно определяющего направление, на вход 2 направления вращения данный сигнал заносится в триггер 17 направления вращения, Под действием сигналов, содержащихся в регистре 13 кода частоты управляющих импульсов, происходит занесение его содержимого и содержимого постоянного запоминающего устройства 18 в элемент 14 сравнения. Одновременно содержимое регистра 13 кода частоты управляющих импульсов поступает на третий вход преобразователя код-частота tá, Элемент

14 сравнения путем вычитания содержимого постоянного запоминающего устройства

18 и содержимого регистра 13 частоты управляющих импульсов формирует кодовую комбинацию разности, которая поступает на вход анализатора 15 знака. Под действиформирует сигнал активизации следующим образом, Если знак разности неотрицателен, что соответствует тому, что величина частоты приемистости шагового двигателя, содержащаяся в постоянном запоминающем устройстве 18, не превосходит величину частоты следования управляющих импульсов, содержащуюся в регистре 13 кода частоты управляющих импульсов, то анализатор 15 знака передает сформированный сигнал на первый вход преобразователя код-частота 16, В этом случае с первого выхода анализатора 15 знака на первый вход формирователя 19 командных импульсов двигателя постоянного тока и второй вход преобразователя код-частота 16 сигнала не поступает, При этом если на втором выходе анализатора 15 знака находится нулевая кодовая комбинация сигналов, то данный блок we вырабатывает сигналы

2002361 активизации, что соответствует в дальнейшем прекращению работы всего привода.

Если же знак разности отрицателем, то наоборот: с второго выхода анализатора 15 знака на первый вход преобразователя кодчастота 16 сигнал не поступает, а с первого код-частота 16 поступают на первый вход формирователя 3 импульсов, на второй вход которого поступает сигнал из триггера 17 направления вращения. При поступлении сигнала активизации на первый вход формирователя 19 командных импульсов двигателя постоянного тока он вырабатывает сигнал таким образом, что на первом его выходе присутствует данный сигнал при одном направлении вращения (в это время сигнал на его втором выходе отсутствует) и, наоборот, сигнал присутствует на втором его выходе и отсутствует на первом при другом направлении вращения, определяемом сигналом на втором входе формирователя

19 командных импульсов двигателя постоянного тока.

В качестве блока управления двигателем постоянного тока может использоваться комбинационная схема, осуществляющая коммутацию якорных клемм двигателя постоянного тока с номинальным напряжением его питания. При этом в зависимости управления двигателями не вырабатывает

В данном режиме работы электропривода канал двигателя постоянного тока находится в нерабочем состоянии. Формирователь

3 импульсов под действием сигналов с его первого и второго входов вырабатывает сигналы по линиям связи, соответствующие фазам шагового двигателя 6, частота следования которых определяется частотой поступления импульсов на его первый вход, 50

55 а последовательность возбуждения фаз— направлением вращения, соответствующего сигналу, поступившему на его второй от присутствия сигнала на том или ином входе блока управления двигателя постоян- вход. Данные сигналы поступают на входы ного тока полярность коммутируемого на- электронного коммутатора 4, который их выхода анализатора 15 знака на первый вход формирователя 19 командных импульсов двигателя постоянного тока и второй вход преобразователя код-частота 16 сигнал поступает, Наличие сигнала на первых входах преобразователя код-частота 16 и формирователя 19 командных импульсов двигателя постоянного тока приводит зти блоки в активное, рабочее состояние, B противном случае, вышеперечисленные блоки находятся в режиме ожидания. Исключение составляет преобразователь код-частота 16: он может находиться в активном состоянии и при наличии сигнала на его втором входе, Если на первом входе преобразователя код-частота 16 присутствует сигнал активизации, то под его влиянием преобразователь код-частота 16 формирует импульсы, частота следования которых определяется кодовой комбинацией сигналов на его третьем входа, Если же на втором входе и реоб разо вателя код-частота 16 и рисутствует сигнал активизации, то под его влиянием преобразователь код-частота 16 формирует импульсы, частота следования которых определяется кодовой комбинацией сигналов на его четвертом входе, Данные импульсы с выхода преобразователя

45 пряжения такова, что обеспечивает вращение выходного вала двигателя постоянного тока в требуемом направлении, Принцип действия предлагаемого электропривода остронаправленной антенны заключается в следующем.

По информационному входу 1 на первый вход центрального блока 8 управления двигателями поступает из системы наведения кодовая комбинация сигналов, определяющая величину частоты следования импульсов управления на фазы шагового двигателя 6, тем самым определяя требуемую скорость вращения выходного вала электропривода. Одновременно по входу 2 направления вращения на второй вход центрального блока 8 управления двигателями поступает из системы наведения сигнал, однозначно определяющий требуемое направление вращения выходного вала электропривода. Под действием этих сигналов центральный блок 8 управления двигателем осуществляет сравнение величины заданной частоты с величиной частоты приемистости шагового двигателя. В зависимости от результата сравнения работа электропривода разбивается на два следующих режима.

1. Если величина частоты приемистости шагового двигателя превосходит величину заданной частоты.

В этом случае центральный блок 8 управления двигателями вырабатывает импульсы и передает их со своего третьего выхода на первый вход формирователя 3 импульсов, частота следования которых определяется величиной, заданной системой наведения частоты. Кроме того, центральный блок 8 управления двигателями передает со своего четвертого выхода на второй вход формирователя 3 импульсов сигнал направления вращения, идентичный сигналу с входа 2 направления вращения, заданного системой наведения. Других сигналов в этом режиме работы центральный блок 8

2002361

12 распределяет в соответствии со способом коммутации фаз шагового двигателя 6. Далее распределенные сигналы с выходов электронного коммутатора 4 поступают на входы усилителя 5 мощности, который пре- 5 образует их к виду сигналов, непосредственно воспринимаемых фазами шагового двигателя 6. При этом если потенциал выходных сигналов с электронного коммутатора 4 низкий, то сигналы с соответствующих 10 выходов усилителя 5 мощности на соответствующие фазы шагового двигателя 6 не поступают, Если же. потенциал высокий, то возбуждается соответствующая фаза двигателя, Под действием сигналов с выходов 15 усилителя 5 мощности ротор шагового двигателя 6 приходит в движение, которое посредством силового редуктора 7 поступает на второй вход силового редуктора 12 электропривода, который в свою очередь преоб- 20 разует его в механическое перемещение выходного вала привода, характеризующееся заданной системой наведения скоростью движения.

2, Если величина частоты приемистости 25 шагового двигателя не превосходит величину заданной частоты, В этом случае центральный блок 8 управления двигателями вырабатывает командные импульсы, которые в зависимости 30 от сигнала, поступившего на него с информационного входа 2 направления вращения, либо с первого, либо с второго выхода центрального блока управления двигателями поступают соответственно либо на пер- 35 вый, либо на второй вход блока 9 управления двигателем постоянного тока.

Одновременно центральный блок 8 управления двигателями вырабатывает импульсы и передает их со своего третьего выхода на 40 первый вход формирователя 3 импульсов, частота следования которых соответствует частоте приемистости шагового двигателя

6, Дальнейшая отработка импульсов данной

Формула изобретения

ЭЛЕКТРОПРИВОД ДЛЯ ОСТРОНАПРАВЛЕННОЙ АНТЕННЫ, содержащий шаговый двигатель, механически связанный с 50 силовым редуктором, усилитель мощности, выходы которого соединены с соответствующими входами шагового двигателя, электронный коммутатор, выходы которого соединены с соответствующими входами 55 усилителя мощности, формирователь импульсов управления шагового двигателя с информационным входом и входом направления вращения, выходы которого соединены с соответствующими входами частоты каналом шагового двигателя происходит идентично вышеописанной работе в первом режиме, Под действием командных импульсов, пришедших на тот или иной вход, блок 9 управления двигателем постоянного тока коммутирует якорные клеммы двигателя 10 постоянного тока номинальным напряжением его питания, полярность которого обеспечивает вращение выходного вала двигателя 10 постоянного тока в требуемом направлении. Механическое перемещение выходного вала двигателя 10 постоянного тока посредством силового редуктора 11 двигателя постоянного тока передается на первый вход силового редуктора 12 электропривода, который в свою очередь преобразует перемещение с обоих каналов к механическому перемещению выходного вала электропривода, обеспечивая таким образом заданную скорость его движения, При необходимости останова выходного вала привода на информационный вход 1 подается нулевая кодовая комбинация сигналов, под действием которой центральный блок 8 управления двигателями перестает вырабатывать сигналы на все свои выходы, что приводит к останову двигателей, Таким образом, предложенное техническое решение позволяет расширить диапазон работы электропривода остронаправленной антенны, базирующегося на использовании шагового двигателя, работающего по разомкнутому контуру, (56)1, Дискретный электропривод с шаговыми двигателями, Под общ. ред, М.Г.Чиликина. М,: Энергия, 1971.

2, Ивоботенко В.А., Козаченко В.Ф. Под ред. Л.А.Садовского. Шаговый электропривод в робототехнике. M., МЭИ, 1984.

3, А.Hughes, High Speed Operation of

Stepping Motors, Electronics and Power.

1978, vol. 24, N 10. электронного коммутатора, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона работы электропривода, в него введены двигатель постоянного тока, механически связанный с силовым редуктором, блок управления двигателем постоянного тока, выходы которого соединены с соответствующими входами двигателя постоянного тока, центральный блок управления двигателями с информационным входом и входом направления движения антенны, составленный из регистра кода частоты управляющих импульсов, элемента сравнения, анализатора знака, входом соединенного с выходом элемента сравне14

2002361

)Э

grus 2

Составитель В,Сыромятников

Техред М.Моргентал Корректор М 1етрова

Редактор А.бер

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб.. 4/5

Заказ 3177

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ния, преобразователя код - частота, постоянного запоминающего устройства. выход которого соединен с четвертым входом преобразователя код - частота и с первым входом элемента сравнения, второй вход которого соединен с третьим входом преобразователя код - частота и выходом регистра кода частоты управляющих импульсов, вход которого является информационным входом центрального блока управления двигателями, формирователя командных импульсов двигателя постоянного тока и триггера направления вращения, вход которого является входом направления движения антенны центрального блока управления двигателями, а выход

- четвертым выходом указанного блока и соединен с вторым входом формирователя командных импульсов двигателя постоянного тока, первый вход которого соединен с вторым входом преобразователя код - частота и первым выходом анализатора знака, второй выход которого соединен с первым входом преобразователя код частота. выход которого образует третий выход центрального блока управления двигателем, первый и второй выходы которого образованы выходами формирователя командных импульсов двигателя постоян10 ного тока и соединены соответственно с входами блока управления двигателя постоянного тока, информационный вход и вход направления вращения формирователя импульсов управления шагового двига15 теля соединены соответственно с третьим и четвертыми выходами центрального блока управления двигателем, и силовой редуктор электропри вода, механически связанный с силовыми редукторами шаго20 вого двигателя и двигателя постоянного тока, выходной вал которого является выходным валом электродвигателя.