JP6955865B2 - Drive control method and reaction wheel of the rotating body - Google Patents
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Description
本発明は、例えば、フライホイール等の被回転体を駆動するモータ技術及び回転装置に関するもので、特に人工衛星の姿勢制御に要求されるトルク制御において、ロストルクに影響されない高精度な制御が可能な回転装置、及びその制御技術を提供するものである。 The present invention relates to, for example, a motor technology for driving a rotating body such as a flywheel and a rotating device, and can perform highly accurate control that is not affected by loss torque, particularly in torque control required for posture control of an artificial satellite. It provides a rotating device and its control technology.
人工衛星に搭載されるホイールアセンブリ(リアクションホイール)は、図1に示されているようにその内部のロータをモータにより加速あるいは減速し、その回転数を制御することにより、角運動量によるジャイロ安定効果を生成するとともに、制御トルクを発生、人工衛星に対する外乱トルク等の吸収による角運動量の蓄積の機能を有する。 As shown in Fig. 1, the wheel assembly (reaction wheel) mounted on the artificial satellite accelerates or decelerates the rotor inside it by a motor and controls its rotation speed, thereby stabilizing the gyro by the angular momentum. It has the function of generating control torque and accumulating angular momentum by absorbing disturbance torque and the like with respect to the artificial satellite.
ホイール加速の場合は、指令トルク値を受け、モータ制御回路を通してモータ巻線に加速の電流を印加する。一方、減速の場合は逆の減速方向のトルクを発生させる方向にモータ電流を流す。これにより生ずるモータトルクによりロータの回転数を変化させ、その反作用トルクは、モータステータを通して人工衛星に伝達される。 In the case of wheel acceleration, the command torque value is received and an acceleration current is applied to the motor winding through the motor control circuit. On the other hand, in the case of deceleration, the motor current is passed in the direction of generating torque in the opposite deceleration direction. The rotation speed of the rotor is changed by the motor torque generated by this, and the reaction torque is transmitted to the artificial satellite through the motor stator.
ホイールアセンブリは人工衛星からのトルク指令信号を受けて、モータ制御回路にてトルク指令信号に比例したモータ電流をモータに流し、ホイールロータを回転させる。減速時にモータは発電機として動作し、ロータの蓄えた回転エネルギ(機械的エネルギ)を、電流として取り出すことにより回転数を減少するトルクを発生する。 The wheel assembly receives a torque command signal from an artificial satellite and sends a motor current proportional to the torque command signal to the motor in a motor control circuit to rotate the wheel rotor. During deceleration, the motor operates as a generator and generates torque that reduces the number of revolutions by extracting the rotational energy (mechanical energy) stored in the rotor as an electric current.
このとき発生するロータ回転トルクの反力が人工衛星本体に伝わり、人工衛星本体を回転させるトルクとなる。 The reaction force of the rotor rotation torque generated at this time is transmitted to the artificial satellite body, and becomes the torque for rotating the artificial satellite body.
モータ電流によりモータが発生するトルクから、モータ及びロータを支持する軸受等で生じるロストルクを除いたトルクが、ホイールから外部への出力トルク(T)となる。
T=KT・I−ロストルク (式1)
ここで、KTはトルクスケールファクタ[N-m/A]、Iはモータ電流[A]である。
The torque generated by the motor due to the motor current minus the loss torque generated by the bearings supporting the motor and the rotor is the output torque (T) from the wheel to the outside.
T = K T · I- loss torque (Equation 1)
Here, KT is a torque scale factor [Nm / A], and I is a motor current [A].
また、ロータが回転するときの振動(並進力、回転トルク)が擾乱として衛星に伝わる。 In addition, the vibration (translational force, rotational torque) when the rotor rotates is transmitted to the satellite as a disturbance.
リアクションホイールアセンブリの構成は以下の通りである。
・角運動量を支えるロータ
・ロータを支える軸受
・ロータを駆動するDCモータ(ブラシレスDCモータが一般的である)
・DCモータを駆動するための制御基板
・そして上記構成要素を包括するハウジング
The configuration of the reaction wheel assembly is as follows.
・ Rotor that supports angular momentum ・ Bearing that supports the rotor ・ DC motor that drives the rotor (brushless DC motor is common)
-Control board for driving a DC motor-And a housing that includes the above components
従来のリアクションホイールのブラシレスDCモータの駆動は、図2に示されているようにホール素子でロータの位置検出をおこない、コイル(巻線)に流れる極性を変化させて駆動を行っている。通常ロータは永久磁石で、ステータはコイルで構成されている。例えば3相(U相、V相、W相)のステータ巻線は120°間隔に配置されており、またホール素子は120°間隔に3個配置されており、ロータに着磁された矩形波や台形波の磁束の変化を電圧に変換して出力する。ホール素子からのタコパルスは、一般的に8極モータでは、1回転4パルスである。 In the drive of the brushless DC motor of the conventional reaction wheel, as shown in FIG. 2, the position of the rotor is detected by the Hall element, and the drive is performed by changing the polarity flowing through the coil (winding). Normally, the rotor is a permanent magnet and the stator is a coil. For example, three-phase (U-phase, V-phase, W-phase) stator windings are arranged at 120 ° intervals, and three Hall elements are arranged at 120 ° intervals, and a square wave magnetized on the rotor. And the change in the magnetic flux of the trapezoidal wave is converted into a voltage and output. The tacho pulse from the Hall element is generally 4 pulses per rotation in an 8-pole motor.
ホール素子の役割は大まかに云って二つあり、一つは駆動電流の極性を変化させる、コミュテーションの役割、もう一つはリアクションホイールのループ制御(電圧制御、速度制御、あるいはトルク制御)の速度センサとして使用すること、の二つである。 There are roughly two roles of the Hall element, one is the role of communication that changes the polarity of the drive current, and the other is the loop control of the reaction wheel (voltage control, speed control, or torque control). It is used as a speed sensor.
図3に従来ホイールのトルク制御ループを示す。この系では電流フィードバックをおこなっている。すなわち、指令値であるコマンドα(角加速度:[rad/s2])を積分し、速度情報ω(加速度:[rad/s])とし、誘起電圧係数(KE:[Vs/rad])より電圧[V]に変換し、モータを励磁する。このモータの電流I[A]を検知し、α´に変換し、フィードバックして指令値αと比較して所望のトルクを出力する。また、ホールセンサ出力から角速度ω[rad/s]を求め、フィードバックして速度安定を期待している。ここで、図3におけるJはロータ慣性モーメント[kg・m2]、KTはトルク定数[N-m/A]である。 FIG. 3 shows a torque control loop of a conventional wheel. Current feedback is performed in this system. That is, the command value command alpha (angular acceleration: [rad / s 2]) by integrating the velocity information omega (acceleration: [rad / s]) and then, the induced voltage coefficient (K E: [Vs / rad ]) Converts to more voltage [V] and excites the motor. The current I [A] of this motor is detected, converted to α', fed back, and compared with the command value α to output a desired torque. In addition, the angular velocity ω [rad / s] is obtained from the Hall sensor output and fed back to expect speed stability. Here, J in FIG. 3 is the rotor moment of inertia [kg · m 2 ], and KT is the torque constant [N m / A].
図3の構成は、一般的トルク制御の構成であるが、本ループは基本的にT=KT・Iの方程式をベースにしているため、上記式1に示されているようにロストルクの影響が入る。また、角速度ωはホールセンサからタコパルス(一般的に4パルス/1回転)により求めるため低速回転では精度が得られない。 Arrangement of Figure 3 is a general torque control arrangement, the loop basically because it equations T = K T · I base, the influence of the loss torque as shown in the above formula 1 Enters. Further, since the angular velocity ω is obtained from the Hall sensor by taco pulse (generally 4 pulses / 1 rotation), accuracy cannot be obtained at low speed rotation.
以上のように、従来のホール素子使用のリアクションホイールのトルク制御では、
(1)ロストルクの影響がでる。
(2)低回転での速度精度が悪く、低トルクのコマンドに対して対応できない。
(3)モータはPWM(Pulse Width Modulation)によるDuty制御で駆動するが、基本的に矩形波励磁のため電流リップルが大きく制御精度に影響を与えやすい。
As described above, in the torque control of the reaction wheel using the conventional Hall element,
(1) The effect of loss torque appears.
(2) The speed accuracy at low rotation is poor, and it is not possible to respond to low torque commands.
(3) The motor is driven by duty control by PWM (Pulse Width Modulation), but since it is basically a square wave excitation, current ripple is large and it tends to affect the control accuracy.
上記パルス数の問題はエンコーダを使えば解決できるが、一般にはコストが高くなると考えられる。また、リアクションホイール及びその駆動制御に関しては、例えば、特許文献1が知られている。 The problem of the number of pulses can be solved by using an encoder, but it is generally considered that the cost is high. Further, for example, Patent Document 1 is known regarding the reaction wheel and its drive control.
上述した背景より求められているのは、
(イ) モータの正弦波駆動
(ロ) ロストルクの影響がないトルク制御方式
(ハ) 速度パルスの増加
(ニ) 低価格
である。
特に、フライホイール等の被回転体に対する高性能な駆動制御、及びそのような駆動制御を実現するための回転装置が求められている。
What is required from the background mentioned above is
(B) Sine wave drive of the motor (b) Torque control method that is not affected by loss torque (c) Increase in speed pulse (d) Low price.
In particular, there is a demand for high-performance drive control for a rotating body such as a flywheel, and a rotating device for realizing such drive control.
本発明は、人工衛星の姿勢制御を行うためのリアクションホイールの駆動に用いられる駆動制御方法であって、被回転体に設けられたマグネットに対して感磁素子を対向して配置し、前記感磁素子の出力信号に基づいて、前記被回転体を回転駆動する3相モータの相励磁切替信号となるコミュテーション信号を生成し、前記コミュテーション信号に基づいて、前記3相モータを駆動する被回転体の駆動制御方法において、前記感磁素子は、前記出力信号として前記被回転体の回転位相に基づくsin波およびcos波を出力可能なレゾルバ機能を備えるホールセンサであって、外部からの指令値から算出した角速度と、前記出力信号としての前記sin波および前記cos波から算出した前記被回転体の角速度と、前記sin波および前記cos波から算出した前記被回転体の回転位相とに基づいて前記コミュテーション信号を生成して前記3相モータを駆動制御することを特徴とする被回転体の駆動制御方法にある。 The present invention is a drive control method used for driving a reaction wheel for controlling the attitude of an artificial satellite. based on the output signal of magnetosensitive, said generating a commutation signal as a phase excitation switching signal of the three-phase motor for rotating the driven rotating body, on the basis of the commutation signal, and drives the front Symbol 3-phase motor In the drive control method of the rotated body, the magnetizing element is a Hall sensor having a resolver function capable of outputting a sine wave and a cos wave based on the rotation phase of the rotated body as the output signal, and is from the outside. The angular velocity calculated from the command value, the angular velocity of the rotated body calculated from the sine wave and the cos wave as the output signal, and the rotation phase of the rotated body calculated from the sine wave and the cos wave. A method of driving and controlling a rotated body is characterized in that a commutation signal is generated based on the above and the three-phase motor is driven and controlled.
本発明は、高性能な被回転体の駆動制御方法、及び回転装置、並びに、人工衛星の姿勢制御装置、人工衛星の姿勢制御方法を実現できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can realize a high-performance drive control method for a rotating body, a rotation device, an attitude control device for an artificial satellite, and an attitude control method for an artificial satellite.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
本実施形態では、被回転体の一例であるフライホイールに設けられたマグネットに対して感磁素子を対向して配置し、感磁素子の出力信号に基づいて、フライホイールを回転駆動する3相モータ(U相、V相、W相の各相)に対する相励磁切替信号となるコミュテーション信号を生成し、コミュテーション信号に基づいて、PWM制御インバータを通じて3相モータを制御する点に特徴がある。 In the present embodiment, the magnetic sensing element is arranged to face the magnet provided on the flywheel, which is an example of the rotated body, and the flywheel is rotationally driven based on the output signal of the magnetic sensing element. It is characterized in that it generates a communication signal that is a phase excitation switching signal for the motor (U-phase, V-phase, and W-phase) and controls the 3-phase motor through a PWM control inverter based on the communication signal. ..
ここで、感磁素子は、フライホイールと一体的に回転するマグネットの磁界変化を感知するものであり、詳細には、磁界を形成するN極/S極の各部が感磁素子の対向位置で回転することで、対向位置で固定された感磁素子が、マグネットの磁界変化を検出する。そして、このような感磁素子は、マグネットの磁界変化に基づいて、正弦波のアナログ信号等を出力信号として出力する。なお、本実施形態の感磁素子は、レゾルバ機能を備え、以下、レゾルバ型ホールセンサとして説明する。 Here, the magnetic sensing element senses a change in the magnetic field of a magnet that rotates integrally with the fly wheel. Specifically, each part of the N pole / S pole forming the magnetic field is located at a position facing the magnetic sensing element. By rotating, the magnetic sensing element fixed at the opposite position detects the change in the magnetic field of the magnet. Then, such a magnetic sensing element outputs a sine wave analog signal or the like as an output signal based on the change in the magnetic field of the magnet. The magnetic sensitive element of the present embodiment has a resolver function, and will be described below as a resolver type Hall sensor.
本発明は、レゾルバ型ホールセンサの出力信号を用いて、次の[A]及び[B]の要素を新たに取り入れることで、高精度な3相モータのPWM制御インバータでの駆動を実現するものである。
[A]センサ出力のsin波/cos波からロータ位置検出を行うこと
[B]センサ出力から速度情報を生成すること(sin波/cos波の位相角をパルス化して高分解能な速度情報を作り出すこと)
The present invention realizes driving of a highly accurate three-phase motor with a PWM control inverter by newly incorporating the following elements [A] and [B] using the output signal of the resolver type Hall sensor. Is.
[A] Detecting the rotor position from the sine wave / cos wave of the sensor output [B] Generating speed information from the sensor output (Phasing the phase angle of the sine wave / cos wave to create high-resolution speed information matter)
ここで、本発明において、DCモータ(3相モータ)を正弦波駆動する手段としては、上述したパルス幅変調方式、つまり、PWM制御インバータ回路の導入が1つの要点となる。従来のホール素子に替わって、励磁コイルのスイッチィングタイミングを決めるセンサが必要である。すなわち、個別のホール素子を使用しないと云うことはセンサレス駆動であることから、なんらかの手段でロータ位置を検出しなければならない。 Here, in the present invention, as a means for driving a DC motor (three-phase motor) in a sine wave, the introduction of the above-mentioned pulse width modulation method, that is, a PWM control inverter circuit is one of the main points. Instead of the conventional Hall element, a sensor that determines the switching timing of the exciting coil is required. That is, since it is a sensorless drive that does not use individual Hall elements, the rotor position must be detected by some means.
従来構成(図2)のように3つのホール素子の出力を個別の位置検知アンプで増幅し、その出力をスイッチングマトリックスにて処理し、ロータの回転制御を行う場合には、ロータに対して、個別のホール素子及び位置検知アンプを要する。 When the outputs of the three Hall elements are amplified by individual position detection amplifiers as in the conventional configuration (Fig. 2), the outputs are processed by the switching matrix, and the rotation of the rotor is controlled, the rotor is controlled. Requires a separate Hall element and position detection amplifier.
これに対し、本発明は、このような個別のホール素子及び位置検知アンプを設けた構成としなくても、被回転体側に設けたマグネットに対して対向配置されるレゾルバ型ホールセンサを適用する、すなわち、レゾルバ型ホールセンサとマグネットとで構成されるセンサユニットを、フライホイールの回転駆動機構に組み込んだことで、レゾルバ型ホールセンサの出力信号であるsin波/cos波に基づいてロータ位置検知を高精度に行え、更に回転検知の構成を簡略化できる。 On the other hand, the present invention applies a resolver-type Hall sensor that is arranged to face a magnet provided on the side to be rotated, without having to provide such an individual Hall element and a position detection amplifier. That is, by incorporating a sensor unit composed of a resolver type Hall sensor and a magnet into the rotation drive mechanism of the flywheel, rotor position detection is performed based on the sin wave / cos wave which is the output signal of the resolver type Hall sensor. It can be performed with high accuracy, and the rotation detection configuration can be simplified.
本実施形態では、上述したレゾルバ型ホールセンサからの出力、すなわちsin波出力とcos波出力とでロータの回転角位相を求め、これにモータの誘起電圧の位相を合わせ、トランジスタの駆動タイミングを調整することで、高精度なモータ駆動を行うことができる。この位相調整を基準に、詳細は後述するが、モータ駆動のコミュテーション信号、すなわち、3相モータの相励磁切替信号を作り出す。なお、基本的にこの駆動は180°通電となる。 In the present embodiment, the rotation angle phase of the rotor is obtained from the output from the resolver type Hall sensor described above, that is, the sine wave output and the cos wave output, and the phase of the induced voltage of the motor is matched with this to adjust the drive timing of the transistor. By doing so, it is possible to drive the motor with high accuracy. Based on this phase adjustment, although details will be described later, a motor-driven communication signal, that is, a phase excitation switching signal for a three-phase motor is generated. Basically, this drive is energized by 180 °.
ここで、上述したレゾルバ型ホールセンサを使い、PWM制御インバータを通じた3相モータの駆動制御について説明する。図4には、モータのトルク制御のブロック図を示す。
まず、トルク制御の入力であるが、外部からの指令値の入力101はコマンドである角加速度α[rad/s2]であることから、これを積分して角速度ωを求め、目標(速度Limit)の角速度ωを決め、そこからα/ωより時間を決めて、角加速度αと角速度ωを入力(102)し、所望の変調波生成111を行う。このとき、変調波生成111には、レゾルバ型ホールセンサ30からのsin波/cos波に基づくロータの位置検出結果と、モータの誘起電圧との位相を調整(108)し、モータのスイッチングタイミングを決める。一方、この変調波生成111では、角加速度αと角加速度ωの指令値を受け、所望する変調波を生成(103)する。この所望の波形をコンパレータ112に入力、コンパレータ112のもう1つの端子には、例えば、鋸波(三角波)を入力し、電圧パルスの生成(105)を行い、この出力をインバータ32に入力すると略所望とする変調波に則った動作でモータ33が駆動される。これが本発明におけるPWM制御インバータ方式を用いたモータの駆動制御である。
Here, the drive control of the three-phase motor through the PWM control inverter using the resolver type Hall sensor described above will be described. FIG. 4 shows a block diagram of torque control of the motor.
First, regarding the input of torque control, since the
また、このようなモータ33の駆動に伴ってレゾルバ型ホールセンサ30も駆動することから、レゾルバ型ホールセンサ30により、速度情報106として角速度ω[rad/s]を出力し、指令値の角速度ω[rad/s]と比較することで、その偏差でモータ33を駆動、すなわち、フィードバック制御110によってモータ33を高精度なトルク制御で駆動することが可能となる。
Further, since the resolver
ここで、3相モータのトルクT[N-m]、3相モータの角加速度α[rad/s2]、フライホイールの慣性モーメントJ[kg・m2]としたとき、3相モータのトルク制御は、下記の式2により導かれる。
T=J・α (式2)
この上記式2の基本方程式を基に制御系が組まれていることから、モータ制御において、ロストルク(トルク損失)の影響はない。
Here, when the torque T [Nm] of the 3-phase motor, the angular acceleration α [rad / s 2 ] of the 3-phase motor, and the moment of inertia J [kg ・ m 2 ] of the flywheel, the torque control of the 3-phase motor is , Derived by Equation 2 below.
T = J · α (Equation 2)
Since the control system is constructed based on the basic equation of the above equation 2, there is no influence of loss torque (torque loss) in motor control.
本発明におけるセンサユニットは、エンコーダやレゾルバに比較してコストも安く、リアクションホイール全体のコスト低減に結びつく。また120°毎3個配置のホール素子に比較して配線数も低減でき、この点からもコスト低減が可能となる。また、本発明のリアクションホイールのモータ駆動は正弦波であり、電流リップルが少ない。 The sensor unit in the present invention is cheaper than an encoder or a resolver, and leads to a reduction in the cost of the entire reaction wheel. Further, the number of wirings can be reduced as compared with the Hall elements arranged every 120 °, and the cost can be reduced from this point as well. Further, the motor drive of the reaction wheel of the present invention is a sine wave, and the current ripple is small.
以下、図面を参照して、本発明を実施の形態に基づいて詳細に説明するが、本発明は下記の形態に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings based on the embodiments, but the present invention is not limited to the following embodiments.
図5は外輪回転型のリアクションホイールの断面図であり、10はリアクションホイール全体を示している。角運動量発生のホイールロータ(フライホイール)13は、軸受16の外輪16aに取り付けられ、回転保持部となる軸受16の内輪16bは、シャフト(固定軸部)14に固定される。このシャフト14はベース15に取り付けられている。シャフト14は固定であり、従って、本実施形態のリアクションホイールは外輪回転型のホイールである。
FIG. 5 is a cross-sectional view of the outer ring rotation type reaction wheel, and FIG. 10 shows the entire reaction wheel. The wheel rotor (flywheel) 13 that generates angular momentum is attached to the
ロータ13は、径方向外側において、回転軸の軸方向と平行に突出するスカート部13aが設けられ、このスカート部13aには、マグネット18が取り付けられ、モータコイル17に電流が流されることでロータ13がシャフト14の回転軸xの回りに回転駆動される。
The
このようにして回転するロータ13に台座11が取り付けられ、センサユニットの一部を構成するマグネット12が、シャフト14に対向する下端面に装着されている。一方、マグネット12と共にセンサユニットを構成するレゾルバ型ホールセンサ30は、マグネット12に対向してシャフト14の一端部に適宜な空間(間隔)20で取り付けられる。
The
また、図5では、ベース15の下端部において、ロータ13の駆動を制御する制御基板40が設けられている。この制御基板40とレゾルバ型ホールセンサ30とは、シャフト14を回転軸と同軸方向に貫通して設けられた配線経路14aを通じて、通信ケーブル25により接続されている。この通信ケーブル25を通じて、レゾルバ型ホールセンサ30からの信号が制御基板40に伝達され、制御基板40を介してモータコイル17への通電が制御される。これにより、ロータ13の回転駆動が制御される。
Further, in FIG. 5, a
このように、本実施形態では、シャフト14を貫通する配線経路14aを設けることで、ロータ13の回転中心部の近傍にレゾルバ型ホールセンサ30を配置でき、ロータ13の回転軸受構造をシャフト14内の配線経路14aを通じて、制御基板40に対して最短距離で配線を行うことが可能となる。すなわち、本実施形態の構成によれば、リアクションホイール本体の可動中心、つまり回転軸xの線上で且つロータ13の回転中心部に対して、配線を伴うセンサユニットを組み込み易く、制御基板40への配線を含めてコンパクトに収容できる。
As described above, in the present embodiment, by providing the
本発明のリアクションホイールは、殆どの衛星のアクチュエータとして使用可能であり、特にトルク制御において、軸受の摩擦トルクによる誤差がないため、従来品に比べて著しく高い分解能を誇り、且つその出力直線性も優れたものであることから、高精度のポインティング用のアクチュエータとして力を発揮する。つまり、本発明のリアクションホイール及びその駆動制御方法は、人工衛星等の姿勢を制御する姿勢制御装置に組み込むことにより、人工衛星の姿勢を高精度に制御することができる。本発明のリアクションホイールは、コストが安く実現できることから、通常の産業機器において高精度トルク制御が必要な機器には適用でき、広範囲な需要が期待できる。 The reaction wheel of the present invention can be used as an actuator for most satellites. Especially in torque control, since there is no error due to the friction torque of the bearing, it boasts a significantly higher resolution than the conventional product and its output linearity. Since it is excellent, it exerts its power as an actuator for high-precision pointing. That is, the reaction wheel of the present invention and its drive control method can control the attitude of the artificial satellite with high accuracy by incorporating it into an attitude control device that controls the attitude of the artificial satellite or the like. Since the reaction wheel of the present invention can be realized at low cost, it can be applied to equipment that requires high-precision torque control in ordinary industrial equipment, and a wide range of demand can be expected.
以上、本発明を具体的な例を含めながら詳細に説明したが、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。
上述した実施形態の図5では、本発明を外輪回転型のリアクションホイールに適用した構造について例示して説明したが、本発明は勿論これに限定されず、例えば、軸受内輪すなわち、シャフトが回転するリアクションホイールにもセンサモジュールの適用は可能であり、この場合はシャフトにマグネットを取り付け、ベース15にセンサを取り付けることで目的は達成される。
Although the present invention has been described in detail with reference to specific examples, the present invention is not limited to the above-described embodiment.
In FIG. 5 of the above-described embodiment, the structure in which the present invention is applied to the outer ring rotation type reaction wheel has been illustrated and described, but the present invention is of course not limited to this, and for example, the bearing inner ring, that is, the shaft rotates. The sensor module can also be applied to the reaction wheel, in which case the objective is achieved by attaching a magnet to the shaft and attaching the sensor to the
<付記>
本発明は、上述した実施形態に限定されず、以下のような特徴を有するものである。
[特徴1]
感磁素子とマグネットとを対向配置して構成されるセンサモジュールを具備したリアクションホイールで、このセンサ出力とモータの誘起電圧波形との位相を調整し、3相のコミュテーション信号を形成してセンサレス駆動を可能にしたリアクションホイール。
[特徴2]
リアクションホイールのモータ駆動にPWM制御インバータ方式を採用し、指令値として所望の波形(変調波)とキャリヤでパルス生成を行い、180°通電と正弦波駆動としたリアクションホイール。
[特徴3]
上記[特徴1]と[特徴2]を組み合わせ、指令値としての速度に追随するようセンサモジュールの速度出力を帰還し比較器で誤差をなくす系を持つリアクションホイール。
[特徴4]
上記[特徴3]の制御系で、T=J・αの方程式に基づいた制御設計により、ロストルクの影響がないトルク制御が出来るリアクションホイール。
[特徴5]
トルク制御ループは入力が角加速度α[rad/s2]と速度limitの角速度ω[rad/s]を基本とした所望のランプ入力を変調波とし、このランプ入力に追随するように設計された系で、その追随は、指令値とセンサモジュールのsin、cosの位相差より求めた回転パルスを基にした速度との比較で動作するリアクションホイール。
<Additional notes>
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and has the following features.
[Feature 1]
A reaction wheel equipped with a sensor module in which a magnetic sensing element and a magnet are arranged so as to face each other. The phase of this sensor output and the induced voltage waveform of the motor is adjusted to form a three-phase communication signal without a sensor. A reaction wheel that enables driving.
[Feature 2]
A reaction wheel that uses a PWM control inverter method to drive the motor of the reaction wheel, generates pulses with the desired waveform (modulated wave) and carrier as command values, and uses 180 ° energization and sine wave drive.
[Feature 3]
A reaction wheel that combines the above [Feature 1] and [Feature 2] and has a system that feeds back the speed output of the sensor module so as to follow the speed as the command value and eliminates the error with the comparator.
[Feature 4]
A reaction wheel that can control torque without the influence of loss torque by the control design based on the equation of T = J · α in the control system of the above [Feature 3].
[Feature 5]
The torque control loop is designed to follow this ramp input with the desired ramp input based on the angular acceleration α [rad / s 2 ] and the angular velocity ω [rad / s] of the speed limit as the modulated wave. In the system, the follower is a reaction wheel that operates by comparing the command value with the speed based on the rotation pulse obtained from the phase difference of sin and cos of the sensor module.
また、上述した[特徴1]乃至[特徴5]のいずれか1つのリアクションホイールの駆動系へ好適に用いることができる回転装置については、以下のような構成を有する回転装置が挙げられる。
[構成1]
被回転体を回転させる駆動部と、
前記被回転体を回転軸回りに回転可能に保持する回転保持部と、を備え、
前記回転保持部には、前記駆動部による前記被回転体の回転駆動に伴って、前記被回転体が有するマグネットが発する磁界の変化を検出する感磁素子が、前記回転軸の軸方向において前記マグネットに対向して設けられたことを特徴とする回転装置。
[構成2]
前記感磁素子の出力信号に基づいて、前記駆動部を駆動するための駆動信号を生成する制御基板、を備え、
前記回転保持部には、前記回転軸の軸線と同軸である固定軸部が設けられ、
前記感磁素子と前記制御基板とは、前記固定軸部を軸方向に貫通して設けられた配線経路を通じて通信ケーブルにより接続されたことを特徴とする回転装置。
なお、上述した回転装置又はその駆動制御方法は、人工衛星の姿勢制御を行うためのリアクションホイールの駆動や、人工衛星の姿勢制御装置にも広く適用できる好適に用いることができる。
Further, as a rotating device that can be suitably used for the drive system of any one of the above-mentioned [feature 1] to [feature 5], a rotating device having the following configuration can be mentioned.
[Structure 1]
The drive unit that rotates the rotating body and
A rotation holding portion that rotatably holds the body to be rotated around a rotation axis is provided.
In the rotation holding portion, a magnetic sensitive element that detects a change in the magnetic field generated by the magnet of the rotated body as the driven body is driven to rotate is provided in the axial direction of the rotating shaft. A rotating device characterized in that it is provided facing the magnet.
[Structure 2]
A control board that generates a drive signal for driving the drive unit based on the output signal of the magnetic sensitive element is provided.
The rotation holding portion is provided with a fixed shaft portion coaxial with the axis of the rotating shaft.
A rotating device characterized in that the magnetic sensitive element and the control board are connected by a communication cable through a wiring path provided so as to penetrate the fixed shaft portion in the axial direction.
The above-described rotating device or its drive control method can be suitably used for driving a reaction wheel for controlling the attitude of an artificial satellite and widely applicable to an attitude control device for an artificial satellite.
10 リアクションホイール
11 マグネット台座
12 センサモジュール用マグネット
13 ロータ
14 シャフト
15 ベース
16 軸受
16a 軸受外輪
16b 軸受内輪
17 モータコイル
18 モータ用マグネットロータ
20 空間(間隔)
30 レゾルバ型ホールセンサ(センサ部)
31 IC(LSI)
32 3相インバータ
33 モータ
40 制御基板
10
30 Resolver type Hall sensor (sensor unit)
31 IC (LSI)
32 Three-
Claims (7)
前記感磁素子は、前記出力信号として前記被回転体の回転位相に基づくsin波およびcos波を出力可能なレゾルバ機能を備えるホールセンサであって、
外部からの指令値から算出した角速度と、前記出力信号としての前記sin波および前記cos波から算出した前記被回転体の角速度と、前記sin波および前記cos波から算出した前記被回転体の回転位相とに基づいて前記コミュテーション信号を生成して前記3相モータを駆動制御することを特徴とする被回転体の駆動制御方法。 This is a drive control method used to drive a reaction wheel for controlling the attitude of an artificial satellite. A magnetic sensory element is arranged so as to face a magnet provided on a rotating body, and the output of the magnetic sensory element is output. based on the signal, the generating a commutation signal as a phase excitation switching signal of the three-phase motor for rotating the driven rotating body, on the basis of the commutation signal, the driven rotating body to drive the front Symbol 3-phase motor In the drive control method
The magnetizing element is a hall sensor having a resolver function capable of outputting a sine wave and a cos wave based on the rotation phase of the rotating body as the output signal.
The angular velocity calculated from the command value from the outside, the angular velocity of the rotated body calculated from the sine wave and the cos wave as the output signal, and the rotation of the rotated body calculated from the sine wave and the cos wave. A method for driving and controlling a driven object, which comprises generating the communicating signal based on the phase and driving and controlling the three-phase motor.
前記被回転体を回転軸回りに回転可能に保持する回転保持部を備え、
前記回転保持部には、前記3相モータによる前記被回転体の回転駆動に伴って、前記マグネットが発する磁界の変化を検出する前記感磁素子が、前記回転軸の軸方向において前記マグネットに対向して設けられたことを特徴とするリアクションホイール。 A reaction wheel including a rotating body that is driven and controlled by the drive control method according to any one of claims 1 to 5.
A rotation holding portion for rotatably holding the body to be rotated around a rotation axis is provided.
Wherein the rotary holding unit, with the rotation of the driven rotating body by the three-phase motor, said sensing element for detecting a change in magnetic field emanating previous KOR Gunetto, the magnet in the axial direction of the rotary shaft A reaction wheel characterized by being installed facing the magnet.
前記回転保持部には、前記回転軸の軸線と同軸である固定軸部が設けられ、
前記感磁素子と前記制御基板とは、前記固定軸部を軸方向に貫通して設けられた配線経路を通じて通信ケーブルにより接続されたことを特徴とする請求項6に記載のリアクションホイール。 A control board that generates a drive signal for driving a drive unit that rotates the body to be rotated based on an output signal of the magnetizing element is provided.
The rotation holding portion is provided with a fixed shaft portion coaxial with the axis of the rotating shaft.
The reaction wheel according to claim 6, wherein the magnetically sensitive element and the control board are connected by a communication cable through a wiring path provided so as to penetrate the fixed shaft portion in the axial direction.
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