2.Вербальное описание объекта управления

В качестве объекта управления рассматривается избыточный блок двигателей-маховиков.

На рис. 1.1 изображена схема размещения исполнительных органов в избыточном блоке двигателей-маховиков.

Рисунок 2.1 – Схема расположения исполнительных органов в избыточном блоке двигателей-маховиков.

где ДМ_i – двигатель-маховик;

Ωi – угловая скорость вращения ДМ_i;

М_упрi – управляющий момент ДМ_i;

α, β, γ – углы установки ДМ_i;

ω_x, ω_y, ω_z – Угловые скорости вращения микроспутника.

Оптимальной структурой ориентации двигателей-маховиков на космическом аппарате является вариант с углами β=60° і α=45°.

Так как все четыре двигателя идентичны, то рассмотрим один из них.

Выбор исполнительного органа зависит от требований надежности и точности обеспечения стабилизации и ориентации КА, а так же необходимости нормального функционирования.

Выбор двигателя проводится по ряду параметров, которые удовлетворяют требованиям системы. В итоге было принято решение выбрать электродвигатель коллекторный 180 PRO extream prodaction (рис.2.1). Его основные характеристики приведены в таблице 2.1:

Таблица 2.1 – Cпецификация двигателя:

Номинальное напряжение:	10 V
Рабочее напряжение:	2.5 - 6 V
Обороты:	28000 min-1
Ток покоя:	0.275 А
Рабочий ток:	1.58 A
Ток короткого замыкания:	6.8 A
Вес:	42 г

Рисунок 2.2 – Внешний вид исполнительного двигателя

Рассмотрим устройство двигателя постоянного тока:

По некоторым мнениям этот двигатель, можно еще назвать синхронной машиной постоянного тока с самосинхронизацией. Простейший двигатель (рис. 2), являющийся машиной постоянного тока, состоит из одного постоянного магнита на индукторе (статоре), из одного электромагнита с явно выраженными полюсами на якоре (двухполюсного якоря с явно выраженными полюсами и с одной обмоткой из двух частей), щёточноколлекторного узла с двумя пластинами (ламелями) и двумя щётками.

Простейший двигатель имеет два положения ротора (две «мёртвые точки»), из которых невозможен самозапуск, и неравномерный крутящий момент. В первом приближении магнитное поле полюсов статора равномерное (однородное) и равно:

Ms=s*2*B*I*L*r*sin(w*t),

где   — число витков обмотки ротора;  — индукция магнитного поля полюсов статора;  — ток в обмотке ротора [А];  — длина рабочей части витка обмотки [м];  — расстояние от оси ротора до рабочей части витка обмотки ротора (радиус) [м];  — синус угла между направлением северный-южный полюс статора и аналогичным направлением в роторе [рад];  — угловая скорость [рад/сек];  — время [сек].

Из-за наличия угловой ширины щёток и углового зазора между пластинами (ламелями) коллектора в двигателе этой конструкции имеются динамически постоянно короткозамкнутые щётками части обмотки ротора. Число короткозамкнутых частей обмотки ротора равно числу щёток. Эти короткозамкнутые части обмотки ротора не участвует в создании общего крутящего момента.

Суммарная короткозамкнутая часть ротора в двигателях с одним коллектором равна:

,

где  — число щёток,  — угловая ширина одной щётки [радиан].

Без учёта короткозамкнутых щётками частей крутящего момента средний крутящий момент  рамок (витков) с током за один оборот равен площади под интегральной кривой крутящего момента, делённой на длину периода (1 оборот = 2π):

.

ДПТ являются обратимыми электрическими машинами, то есть в определённых условиях способны работать как генераторы.

На статоре ДПТ располагаются, в зависимости от конструкции, или постоянные магниты (микродвигатели), или электромагниты с обмотками возбуждения (катушками, наводящими магнитный поток возбуждения).

В простейшем случае статор имеет два полюса, то есть один магнит с одной парой полюсов. Но чаще ДПТ имеют две пары полюсов. Бывает и более. Помимо основных полюсов на статоре (индукторе) могут устанавливаться добавочные полюса, которые предназначены для улучшения коммутации.

Коллектор (щёточно-коллекторный узел) выполняет одновременно две функции: является датчиком углового положения ротора и переключателем тока со скользящими контактами.

Конструкции коллекторов имеют множество разновидностей.

Выводы всех катушек объединяются в коллекторный узел. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин-контактов (ламелей), расположенных по оси (вдоль оси) ротора. Существуют и другие конструкции коллекторного узла.

Щёточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе и переключения тока в обмотках ротора. Щётка — неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый).

Щётки с большой частотой размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора. Как следствие, при работе ДПТ происходят переходные процессы, в обмотках ротора. Эти процессы приводят к искрению на коллекторе, что значительно снижает надёжность ДПТ. Для уменьшения искрения применяются различные способы, основным из которых является установка добавочных полюсов.

При больших токах в роторе ДПТ возникают мощные переходные процессы, в результате чего искрение может постоянно охватывать все пластины коллектора, независимо от положения щёток. Данное явление называется кольцевым искрением коллектора или «круговой огонь». Кольцевое искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пластины коллектора и срок его службы значительно сокращается. Визуально кольцевое искрение проявляется в виде светящегося кольца около коллектора. Эффект кольцевого искрения коллектора недопустим. При проектировании приводов устанавливаются соответствующие ограничения на максимальные моменты (а следовательно и токи в роторе), развиваемые двигателем.

Устройство двигателя постоянного тока изображено на рисунке 2.3

Рисунок 2.3- Устройство простейшего двигателя постоянного тока.