JPH0544799U

JPH0544799U - リアクシヨンホイールの駆動回路

Info

Publication number: JPH0544799U
Application number: JP10432991U
Authority: JP
Inventors: 龍一田中; 晋吾平田
Original assignee: 三菱プレシジヨン株式会社
Priority date: 1991-11-25
Filing date: 1991-11-25
Publication date: 1993-06-15
Anticipated expiration: 2006-11-25
Also published as: JP2601029Y2

Abstract

(57)【要約】【目的】リアクションホイールの減速時の突入電流を
なくし、再加速時の動作遅れを少なくする。【構成】トルク方向指令の変化時毎に一時的に積分器
を減速状態にするワンショット回路と、一方、トルク方
向指令の変化を所定の時間だけ遅延するディレイ回路か
ら逆起電圧のタイミングをずらすコミテーション回路に
伝えることとにより、モータ駆動回路の供給電源の突入
電流を防ぐ。また、トルク方向指令とリアクションホイ
ールの回転方向指令信号との組み合わせがリアクション
ホイールの再加速であるかを判定する第１の論理回路
と、その判定結果が再加速の場合、ワンショット回路の
出力を通さない第２の論理回路により、積分器を減速状
態にせず、モータ駆動回路の供給電源の突入電流を防
ぐ。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は、姿勢制御に用いられるリアクションホイールの駆動回路であり、リアクションホイールモータの加速・減速切換時に発生する突入電流を防ぐ機能を持たせたものである。

【０００２】

【従来の技術】

例えば人工衛星の姿勢制御のために、リアクションホイールが用いられる。姿勢制御の原理を図４により説明する。図４（ａ）で、一つの軸周りの制御に限定してみると、その軸方向に一つのフライホイール４１が回転軸４２を平行にして取り付けられ、一定速度で回転し、衛星４３は静止しているものとする。ホイール速度にホイールの慣性モーメントを乗じた値がホイールの角運動量でもある。外乱トルクがなければ、角運動量保存則によって衛星は動かない。もし、ホイール速度を加速するとホイールの角運動量は増大するので、その増大分と等量で反対符号の角運動量を衛星本体が持つことになる。つまり、ホイール加速の反作用トルクが衛星に加わって逆転する。したがって、ホイール加速と逆方向のトルクが外乱トルクを打ち消したり、姿勢変更するための制御トルクとして利用できることになる。図４（ｂ）で、もし外乱トルク４４が例えば衛星本体に反時計方向に作用したとする。すると、衛星は反時計方向に回転するから、それを戻すべくホイールを反時計方向に増速すればホイールによる反作用トルク４５が働いて、衛星の姿勢は保持される（図４（ｃ））。つまり、外乱トルクによってホイールが衛星の身代わりになって回転させられた形になる。

【０００３】上記したように、トルクを発生させるためにリアクションホイールの回転速度を加速減速することになる。このための回路として、図５のような構成のものを用いる。図５において、１はトルクコマンドを印加してこれを積分する積分器、２は積分器１出力を鋸歯状波と比較して積分器１出力に比例した幅のパルスを発生するコンパレータ、３はコンパレータ２を介して入力した積分器１出力にしたがってリアクションホイールの加速に必要な電圧を制御する加速回路、４は制御対象でありブラシレス直流モータで代表させたリアクションホイール、５はインピーダンス変換器として作用し、リアクションホイール４の減速時の逆起電圧による電流を流す減速回路、６はトルク方向指令ＴＤを受けてリアクションホイールにトルク発生方向の切換え指示を与えるコミュテーション回路、７はリアクションホイール４に流れる電流を電圧に変換する抵抗器、８は前記抵抗器７に生ずる電圧を入力してこれを前記積分器１の入力にフィードバックする補償回路である。

【０００４】このリアクションホイール駆動回路は積分器１を使用した一次遅れの制御系を持つ。また加速・減速にわたってモータ電流を同方向に流すため、積分器１出力が正の領域を加速状態、負の状態を減速状態とし、さらにこの積分器１出力に連続性を持たせ、積分器１出力の増加に対してモータ電流が増加するように制御する。

【０００５】積分器１入力に任意のトルクコマンド（正の直流電圧）が印加されると、積分器１出力は正方向へ増加（積分器ゲイン極性は正とする）する。この出力電位の増加は次段コンパレータ２によりパルス幅の増加に変換され、加速回路３内の図示しないスイッチングトランジスタのオン時間を長くさせる。供給電源によるリアクションホイール４のモータへの供給電圧が増加し、モータ電流が増加する。この電流による電圧を補償回路８でフィードバックし、トルクコマンドとつりあうところで、積分器１出力が保持されモータ電流を制御する。加速回路３は、このようにパルス幅制御を行なう。リアクションホイール４は、このモータ電流によりモータトルクを発生させ、回転数を増加させる。このときの動作は次の第（１）式で表わされる。

【０００６】Ｖ_M＝Ｋ_Tω＋Ｉ_MＲ＋Ｖ_T （１）

【０００７】但し、Ｖ_M：加速回路３が供給するモータ電圧（Ｖ），Ｋ_T：リアクションホイール４のモータトルクスケールファクタ（Ｎｍ／Ａ），ω：リアクションホイール４のモータ回転数（ｒａｄ／ｓｅｃ），Ｉ_M：リアクションホイール４のモータ電流（Ａ），Ｒ：リアクションホイール４のモータ巻線抵抗（Ω），Ｖ_T：リアクションホイール４のモータスイッチングトランジスタ電圧降下（Ｖ），Ｋ_T ω：加速状態でのモータ逆起電圧（Ｖ）

【０００８】つまり、回転数の増加とともに、モータ電流が減少し、任意のトルクコマンドに相当する電流を保持するため積分器１出力は増加し、モータへの供給電圧Ｖ_M が増加する。このようにモータ電流を制御する。

【０００９】上記の状態においてトルク方向指令ＴＤが反転し、リアクションホイール４のコミュテーション回路６のタイミングが変わり、回転方向と逆のトルクが発生し、減速状態へ移行する。このとき、リアクションホイール４の回転数に伴う逆起電圧の極性が反転する。この逆起電圧は、

【００１０】Ｖ_MR＝−Ｋ_Tω＋Ｉ_MＲ＋Ｖ_T （２）

【００１１】で表わされ、この電圧が減速回路５内の図示しないトランジスタを通してモータに印加され、モータ電流が流れる。この電流は加速時と同様に積分器１にフィードバックされ、減速による回転数の減少とともに｜Ｖ_MR｜が減少すると、積分器１出力は増加し、減速回路５の図示しないトランジスタのインピーダンスを小さくするように制御する。さらに回転数の減少により｜Ｖ_MR｜が減少し、減速回路５内の図示しないトランジスタが飽和状態になってもモータ電流を保持できない状態になると、さらに積分器１出力が増加し、加速回路３の動作へと移行する。

【００１２】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、従来のリアクションホイールモータ駆動回路は、加速から減速の切換え時に、加速回路３で発生するモータ出力電圧と減速時に発生するモータ逆起電圧が加算されることにより、この電圧をモータ直流抵抗で割った分の電流がモータ駆動回路供給電源の突入電流として流れる問題があった。

【００１３】

【課題を解決するための手段】

この考案に係るリアクションホイールの駆動回路は、トルクコマンドを印加してこれを積分する積分器と、積分器出力にしたがってリアクションホイールの加速に必要な電圧を制御する加速回路と、リアンクションホイールの減速時の逆起電圧による電流を流す減速回路と、トルク方向指令の変化時に前記積分器を一時的に減速状態とするワンショット回路と、トルク方向指令を遅延して出力するディレイ回路と、前記ディレイ回路からのトルク方向指令を受けてリアクションホイールにトルク発生方向の切換え指示を与えるコミュテーション回路とを備えたことを特徴とするものである。

【００１４】また、トルクコマンドを印加してこれを積分する積分器と、積分器出力にしたがってリアクションホイールの加速に必要な電圧を制御する加速回路と、リアンクションホイールの減速時の逆起電圧による電流を流す減速回路と、トルク方向指令とリアクションホイールの回転方向信号とを入力としてリアクションホイールの加減速を判定する第１の論理回路と、トルク方向指令の変化時にワンショット信号を出力するワンショット回路と、第１の論理回路の判定が減速であるときにのみ前記ワンショット信号を前記積分器に出力して一時的に減速状態とする第２の論理回路と、トルク方向指令を遅延して出力するディレイ回路と、前記ディレイ回路からのトルク方向指令を受けてリアクションホイールにトルク発生方向の切換え指示を与えるコミュテーション回路とを備えたように構成してもよい。

【００１５】

【作用】

ワンショット回路はトルク方向指令の変化時毎に一時的に積分器を減速状態にする。一方、トルク方向指令の変化はディレイ回路で所定の時間だけ遅延されコミテーション回路で逆起電圧発生のタイミングをずらす。これにより加速から減速の変化時に加速電流から減速電流への移行をスムースに行ない、モータ駆動回路の供給電源の突入電流を防ぐ。

【００１６】また、第１の論理回路はトルク方向指令とリアクションホイールの回転方向指令信号との組み合わせがリアクションホイールの再加速すなわち減速から加速のときであるかを判定する。再加速の場合、第２の論理回路はワンショット回路の出力を通さず、減速の場合に第１の論理回路の出力を受けてワンショット回路出力を通す。

【００１７】

【実施例】

図１（ａ）は本考案に係るリアクションホイールの駆動回路の一実施例の回路図であり、従来の技術として説明した図５のものにワンショット回路９とディレイ回路１０とを追加したものである。ワンショット回路９はトルク方向指令（ＴＤ）を入力し、出力を積分器１に接続して、トルク方向指令ＴＤの変化時毎に一時的に積分器１を負の状態すなわち減速状態とし、加速回路３と減速回路５をオフ状態にする。ディレイ回路１０はトルク方向指令ＴＤを入力に接続し、出力をコミュテーション回路６に接続して、トルク方向指令の変化を所定の時間だけ遅延する。

【００１８】図２に実施例のタイミングチャートを示す。トルク方向指令ＴＤの切換えでワンショット回路９により加速回路３をオフとし、さらにディレイ回路１０によりトルク方向指令ＴＤが遅れてＴＤ′とされて、コミュテーション回路６による切換えタイミングをずらす。これにより、切換え時間τが生じ、加速と減速とが直ちに移行しない。加速回路３で発生するモータ出力電圧と減速時に発生するモータ逆起電圧が加算されることがなく、モータ駆動回路供給電源の突入電流をほとんど零にすることができる。

【００１９】図１（ｂ）は再加速時の加速動作の遅れを改善するための実施例であり、追加した部分とそれに関連する部分のみを示したので、図示しない部分は図１（ａ）と同様である。図１（ａ）の例では、トルク方向指令ＴＤ切換時に積分器１の積分動作を減速するためにワンショット回路９を用いているが、トルク方向指令ＴＤ切換え時には必ずワンショット回路９が動作するため、再加速時（減速から加速への切換え）にも積分器１の動作点が減速動作になるので、加速動作になるまでの遅れ時間が大きくなってしまう。そこで、図１（ｂ）のように、排他的論理和回路で構成する第１の論理回路１１の一方の入力にトルク方向指令ＴＤを接続し、もう一方の入力にはホイール回転方向信号ＳＤを接続する。第１の論理回路１１の出力はアンド回路で構成する第２の論理回路１２の一方に接続し、もう一方の入力にはワンショット回路９の出力すなわち積分器を一時的に減速状態とするワンショット信号が接続され、第１の論理回路１１の出力によりゲートされる。

【００２０】今、ホイール回転方向が反時計方向ＣＣＷの状態で、トルク方向指令ＴＤが時計方向ＣＷのときは、再加速（加速）の場合である。反時計方向ＣＣＷのときのホイール回転方向信号ＳＤが“Ｈ”で、時計方向ＣＷのときのトルク方向指令ＴＤが“Ｈ”を示したときは、第１の論理回路１１は“Ｌ”であり、第２の論理回路１２出力にワンショット回路９のワンショット信号を出力しないようにできる。なお、ホイール回転方向が反時計方向ＣＣＷの状態で、トルク方向指令ＴＤが反時計方向ＣＣＷのときは、減速の場合である。反時計方向ＣＣＷのときのホイール回転方向信号ＳＤが“Ｈ”で、反時計方向ＣＣＷのときのトルク方向指令ＴＤが“Ｌ”を示したときは、第１の論理回路１１は“Ｈ”であり、第２の論理回路１２出力にワンショット回路９のワンショット信号を出力するようにできる。図３にトルク方向指令ＴＤと回転方向信号ＳＤとによる加速・減速の関係を示す。上記の例では図３の下段の回転方向が反時計方向ＣＣＷである場合を説明した。このように減速の場合は第１の実施例のようにワンショット信号を出力して突入電流を防止することができ、加速の場合はワンショット信号を出力せず、積分器１の動作点が遅れなく加速動作に移ることができる。

【００２１】

【考案の効果】

以上説明したように、本考案によれば、減速時の突入電流をなくすことができ、また、再加速時の動作の遅れを少なくすることができる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本考案の一実施例の回路図、（ｂ）は
他の実施例を説明する回路図である。

【図２】本考案の実施例のタイミングチャートである。

【図３】トルク方向指令ＴＤと回転方向信号ＳＤとによ
る加速・減速の関係を示す図である。

【図４】姿勢制御の原理を説明する図である。

【図５】従来のリアクションホイールの駆動回路の一例
の回路図である。

【符号の説明】

１積分器３加速回路４リアクションホイール５減速回路６コミュテーション回路９ワンショット回路１０ディレイ回路１１第１の論理回路１２第２の論理回路

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】姿勢制御に用いるリアクションホイール
の駆動回路において、トルクコマンドを印加してこれを
積分する積分器と、積分器出力にしたがってリアクショ
ンホイールの加速に必要な電圧を制御する加速回路と、
リアンクションホイールの減速時の逆起電圧による電流
を流す減速回路と、トルク方向指令の変化時に前記積分
器を一時的に減速状態とするワンショット回路と、トル
ク方向指令を遅延して出力するディレイ回路と、前記デ
ィレイ回路からのトルク方向指令を受けてリアクション
ホイールにトルク発生方向の切換え指示を与えるコミュ
テーション回路とを備えたことを特徴とするリアクショ
ンホイールの駆動回路。
【請求項２】姿勢制御に用いるリアクションホイール
の駆動回路において、トルクコマンドを印加してこれを
積分する積分器と、積分器出力にしたがってリアクショ
ンホイールの加速に必要な電圧を制御する加速回路と、
リアンクションホイールの減速時の逆起電圧による電流
を流す減速回路と、トルク方向指令とリアクションホイ
ールの回転方向信号とを入力としてリアクションホイー
ルの加減速を判定する第１の論理回路と、トルク方向指
令の変化時にワンショット信号を出力するワンショット
回路と、第１の論理回路の判定が減速であるときにのみ
前記ワンショット信号を前記積分器に出力して一時的に
減速状態とする第２の論理回路と、トルク方向指令を遅
延して出力するディレイ回路と、前記ディレイ回路から
のトルク方向指令を受けてリアクションホイールにトル
ク発生方向の切換え指示を与えるコミュテーション回路
とを備えたことを特徴とするリアクションホイールの駆
動回路。