Projekt wstępny układu wykonawczego napędu sterolotek dla
advertisement
MECHANIK NR 7/2016 657 Projekt wstępny układu wykonawczego napędu sterolotek dla pocisku rakietowego kalibru 72 mm Preliminary design of the actuators of control surfaces the missile of calibre 72 mm MARCIN CHODNICKI MARCIN CZYŻAK BOGDAN MACHOWSKI JANUSZ ROSIAK ADRIAN SZKLARSKI * Materiały z XX SKWPWiE, Jurata 2016 r. DOI: 10.17814/mechanik.2016.7.116 Przyjęto założenie, że każdy ster może być napędzany oddzielnym i niezależnym aktuatorem, natomiast praca cyfrowego kontrolera pozwala realizować odpowiednim sterom funkcje sterów lub lotek (ogólnie – sterolotek). Rozwiązanie z pozoru wymagające większego skomplikowania układu elektronicznego powala wykonać jednak mechanizm sterowy, powtarzalny i realizowalny technicznie. Rozwiązanie tego typu wykorzystano w modelu pocisku kalibru 72 mm. Rys. 1. Układy: a) osiowo-symetryczny; SŁOWA KLUCZOWE: aktuator, pilot automatyczny Rys. 1. Układy: a) osiowo-syme- Rys. 2. Możliwe kierunki siły nośnej zależne Rys. 2.od Możliwe kierunki b) płasko-symetryczny [4] wychylenia sterówsiły [4] nośnej tryczny; b) płasko-symetryczny zależne od wychylenia sterów [4] It is assumed that each rudder can be driven by a separate and inde[4] Wypadkowa siła nośna działać będzie w płaszczyźnie odchylonej zarówno od płaszczyzny pendent actuator and the work of the digital controller can implement poziomej jak i pionowej, przy czym kierunek jej działania podają schematycznie rysunki z prawej strony góry. Każda para sterów posiada dwa możliwe położenia sterowane jednym the appropriate functions rudders and ailerons (general – elevons). przy uczym kierunek jej działania podają schematycznie rysunki kanałem. z prawej Przy dwóch parach sterówKażda sterowanych dwukanałowym systemem istnieje The solution apparently requires greater complexity of the electronics strony u góry. para sterów posiada dwa możlimożliwość orientowania wypadkowej siły we wszystkich czterech ćwiartkach, a więc uzyskać knocks do, however, steering mechanism, repetitive and realizable. we położenia sterowane jednym kanałem. Przy dwóch parach można dowolny kierunek działania siły nośnej, zapewniający przestrzenne sterowanie This solution was used in the model of the missile of caliber 72 mm. sterowanych dwukanałowym istnieje możpociskiemsterów rakietowym. Sygnały poszczególnych kanałów sąsystemem proporcjonalne do wymaganego manewru. liwość Układ sterowania może wypadkowej dopuszczać ograniczony obrót pocisku czterech dookoła osi KEYWORDS: actuator, autopilot orientowania siły we wszystkich podłużnej ćwiartkach, lub może wymagać zachowania stałego położenia powierzchni nośnych zgodnie można więc uzyskać dowolny kierunek działania z ich położeniem początkowym na wyrzutni. Zarówno w jednym, jak i w drugim przypadku Ogólne rozważania dotyczące sposobu rozmieszczania siły nośnej, zapewniający przestrzenne sterowanie pociskiem konieczny jest jeszcze jeden element sterowania, mianowicie autopilot stanowiący powierzchni nośnych i sterowych pocisku rakietowego dają rakietowym. Sygnały poszczególnych są na proporcjoautonomiczny układ na pokładzie pocisku. Zadanie takiego kanałów układu polega rozdzieleniu sygnałów nalne na odpowiednie pary sterów, zależnie od ich Układ chwilowego położenia względem w efekcie dwa rodzaje układów konstrukcji płatowców pocido wymaganego manewru. sterowania może układu nieruchomego w pociskach wykonujących względem osi podłużnej, względnie sków, a mianowicie (rys. 1): dopuszczać ograniczony obrót obrót pocisku dookoła osi podłużnej na utrzymaniu położenia poszczególnych par sterów zgodnie z ich początkowym położeniem ●● osiowo-symetryczny; lub może wymagać zachowania stałego położenia powierzchni na wyrzutni. W tym drugim przypadku autopilot napędza specjalnie do tego celu ●● płasko-symetryczny. nośnych z ich położeniem początkowym na wyrzutni. przewidziane lotki, zgodnie które mogą stanowić oddzielny układ powierzchni sterujących przechyleniem pocisku lub można wykorzystać do tego celu jedną parę sterów. Napęd takiej W artykule rozważania ograniczone zostały do konstrukcji pary sterów zaopatrzony jest w dodatkowy mechanizm różnicowego ich wychylenia. Stery aerodynamiczne osiowo-symetrycznej. Układ osiowo-symetryczny stosowany jest do pocisków rakietowych, od których wymaga się znacznej Stery aerodynamiczne Prosty układ napędowy steru przedstawia rys. 3. Stery rozzdolności manewrowania w przestrzeni. Najważniejszą zaletą mieszczone symetrycznie po3.obu kadłuba połączone Prosty układ napędowy steru przedstawia rys. Sterystronach rozmieszczone symetrycznie po obu układów osiowo-symetrycznych jest możliwość sterowania stronach kadłuba, są rurą ułożyskowaną w dwóch punktach. Gniazda łożysk są rurąpołączone ułożyskowaną w dwóch punktach. Gniazda łożysk przestrzennego za pomocą dwóch sygnałów zmieniających zamocowane są do kadłuba.sąDodorury, łączącej Do oba rury, stery na sztywno,oba zamocowana jest zamocowane kadłuba. łączącej stery na kąt wznoszenia i kąt kierunku lotu, zwanych często kątami dźwigienka elenapędzana bezpośrednio przez, w tym przypadku, siłownik. Układ taki pozwala sztywno, zamocowana jest dźwigienka napędzana bezpośredwacji i azymutu. Sposób takiego sterowania można najlepiej na wychylenie obu sterów w jednakowym kierunku i o jednakowy kąt. W układach osiowonio przez, w tym siłownik. Układ taki pozwala symetrycznych co najmniej jednaprzypadku, para sterów posiada tak rozwiązany napęd. Jeśli obiena pary wyjaśnić na odpowiednich schematach, które przedstawiono sterów mają taki prosty obu układ sterów napędu steru, wówczas pocisk ma jeszcze lotki wychylane wychylenie w jednakowym kierunku i o jednakowy na rys. 2. Widoczne na tych schematach krawędzie sterów, różnicowo. W większości przypadków jedna para sterów spełnia rolę równocześnie sterów kąt. W układach osiowo-symetrycznych co najmniej jedna para poza głównymi płaszczyznami nośnymi, reprezentują położei lotek. sterów posiada rozwiązany napęd. Jeśli obie pary sterów nie krawędzi spływu steru. Napęd takich sterów musi tak zapewniać możliwość wychylenia równoczesnego sterów taki prosty Kinematyczny układ napędu steru, wówczas ma w jednym mają kierunku i różnicowo. schemat różnicowego napędupocisk sterów podany Równoczesne wychylenie sterów poziomych i pionowych jest na rys.jeszcze 4. Para sterów różnicowo 1-3, których osie obrotów oznaczono b-b, ma lotkinapędzana wychylane różnicowo. W większości przypadków pociąga za sobą zwiększenie lub zmniejszenie kąta natarcia łożyskowanie niezależne dla każdego steru. Jednoczesne wychylenie sterów 1-3 realizuje jedna para sterów spełnia rolę równocześnie sterów i lotek. zależnie od kierunku wychylenia sterów poziomych, z równosiłownik (6) za pomocą dźwigienki i strzemienia (9). Różnicowe wychylenie sterów realizuje musi zapewniać możliwość wychyleczesnym odchyleniem pocisku w lewo lub w prawo, zależnie siłownik (7) Napęd za pomocątakich dźwignisterów (10). Niezależność obu ruchów zapewnia specjalny węzeł nia równoczesnego w jednym i różnicowo. (8). Para sterów 2-4 wychylana jest sterów równocześnie w jednym kierunku kierunku, ponieważ oba stery od kierunku wychylenia sterów pionowych. Wychylenie sterów Kinematyczny schemat różnicowego napędu sterów podany poziomych daje w efekcie pojawienie się składowej pionowej jest na rys. 4. Para sterów 336 napędzana różnicowo 1÷3, których siły nośnej, natomiast wychylenie sterów pionowych – skłaosie obrotów oznaczono b-b, ma łożyskowanie niezależne dla dowej poziomej. każdego steru. Jednoczesne wychylenie sterów 1÷3 realizuje Wypadkowa siła nośna działać będzie w płaszczyźnie odsiłownik (6) za pomocą dźwigienki i strzemienia (9). Różnicochylonej zarówno od płaszczyzny poziomej, jak i pionowej, we wychylenie sterów realizuje siłownik (7) za pomocą dźwigni * Mgr inż. Marcin Chodnicki – Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych; mgr (10). Niezależność obu ruchów zapewnia specjalny węzeł inż. Marcin Czyżak – Ministerstwo Obrony Narodowej; dr inż. Bogdan (8). Para sterów 2÷4 wychylana jest równocześnie w jednym Machowski ([email protected]) – Wojskowa Akademia Techkierunku, ponieważ oba stery połączone są strzemieniem niczna, Wydział Mechatroniki i Lotnictwa; mgr inż. Janusz Rosiak (janusz. na sztywno. Wychylenie sterów realizuje siłownik (5). Innym [email protected]) – PCO S.A.; mgr inż. Adrian Szklarski (szklarskia@ rozwiązaniem jest przyjęcie założenia, że każdy ster może witu.mil.pl) – Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia są strzemieniem na sztywno. Wychylenie sterów realizuje siłownik (5). Innym b) a) em jest przyjęcie założenia, że każdy ster może być napędzany oddzielnym Rys. 7. Silnik BLDC, a) widok, b) rzut boczny [7] ym aktuatorem, natomiast praca kontrolera pozwala realizować odpowiednim MECHANIK NR 7/2016 1. Parametry silnika BLDC[8] b) kcje sterów658lub lotek (ogólnie – sterolotek). Rozwiązaniea) z Tabela pozoru wymagające Parametr Wartość [jednostka] skomplikowania układu elektromechanicznego pozwala wykonać jednak Rys.prosty 7. Silnik BLDC, a) widok, b) rzut boczny [7] Napięcie zasilania 24 [V] być napędzany oddzielnym i niezależnym aktuatorem, na■ Przekładnia –typu w modelu została wykorzystana plastikowa sterowy, powtarzalny i realizowalny technicznie. Rozwiązanie tego Prąd znamionowy/rozruchowy 0,62/1,5 [A] Tabela 1. Parametry silnika BLDC[8] tomiastnapraca kontrolera pozwala realizować przekładnia kątowa, o przełożeniu 1:120 ne są strzemieniem sztywno. Wychylenie sterów realizuje odpowiednim siłownik (5). Innym Moment rozruchowy 0,022(rys. [Nm]8). Ze wzglądu no w modelu pocisku kalibru 72 naRozrys. 5.naObroty Parametr Wartość [jednostka] przesterom funkcje sterów lub mm lotek (ogólnie – sterolotek). demonstracyjny charakter plastikowej aniem jest przyjęcie założenia, że każdy sterprzedstawionego może być napędzany oddzielnym znamionowe/ bez obciążeniaprojektu użycie 3500/6250 [obr/min] Napięcie zasilania 24 pocisku [V] wiązanie z pozoru wymagające skomplikowania kładni jest wystarczające, w rzeczywistym rakietowym Masa silnika 0,12 [kg] eżnym aktuatorem, natomiast praca kontrolera większego pozwala realizować odpowiednim Prąd znamionowy/rozruchowy 0,62/1,5 [A] elektromechanicznego pozwala wykonaćzjednak należy wykorzystać przekładnię metalową. Wykorzystany mounkcje sterówukładu lub lotek (ogólnie – sterolotek). Rozwiązanie pozoruprosty wymagające rozruchowy 0,022 [Nm] kątowa, o przełoc) przekładnia –Moment w modelu została wykorzystana plastikowa przekładnia mechanizm sterowy, powtarzalny realizowalny technicznie. del przekładni posiada wbudowane sprzęgło zabezpieczające go skomplikowania układu elektromechanicznego pozwala prosty połączone są strzemieniem na sztywno. Wychyleniei sterów realizujewykonać siłownik (5).jednak Innymżeniu Obroty znamionowe/ obciążenia 3500/6250 1:120 (rys.8). Ze wzglądu nabez demonstracyjny charakter projektu[obr/min] użycie plastikowej jest przyjęcie założenia, że każdy ster może być Rozwiązanie napędzany oddzielnym Rozwiązanie tego typu wykorzystano w modelu pocisku kaliprzekładnię przed uszkodzeniem plastikowych zm sterowy,rozwiązaniem powtarzalny i realizowalny technicznie. tego typu Masa silnika 0,12 [kg] zębów. i niezależnym aktuatorem, natomiast praca kontrolera pozwala realizować odpowiednimprzekładni jest wystarczające, w rzeczywistym pocisku rakietowym należy wykorzystać brupocisku 72 mmkalibru przedstawionego na rys. 5. na rys. ystano w modelu 72 mm przedstawionego 5. wymagająceprzekładnię metalową. Wykorzystany model przekładni posiada wbudowane sprzęgło sterom funkcje sterów lub lotek (ogólnie – sterolotek). Rozwiązanie z pozoru przekładnia – w modelu przed została wykorzystana plastikowa przekładnia kątowa, o przełozabezpieczając przekładnię uszkodzeniem zębów. większego skomplikowania układu elektromechanicznego pozwala wykonać jednak prostyc) a) b) plastikowych mechanizm sterowy, powtarzalny i realizowalny technicznie. Rozwiązanie tego typu wykorzystano w modelu pocisku kalibru 72 mm przedstawionego na rys. 5. Prosty układ Rys. napędu sterów [4] 3. Prosty układ napędu sterów [4] żeniu 1:120 (rys.8). Ze wzglądu na demonstracyjny charakter projektu użycie plastikowej przekładni jest wystarczające, w rzeczywistym pocisku rakietowym należy wykorzystać przekładnię metalową. Wykorzystany model przekładni posiada wbudowane sprzęgło zabezpieczając przekładnię przed uszkodzeniem plastikowych zębów. Rys. 8.różnicowego Przekładnia: a) widok, b) wymiary przekładni kątowej [8] Rys. 4. Kinematyczny schemat Rys. 3. Przekładnia: a) widok, b) wymiary przekładni kątowej [8] napędu sterów [4] a) b) Rys. 4. Kinematyczny schemat różnicowego napędu sterów [4] ■ Ster aerodynamiczny – model na steru został wykonany na 3. Prosty układ napędu sterów [4]napędu Rys. Kinematyczny schemat różnicowego d)różster aerodynamiczny – model steru został wykonany podstawie danych demonstratora Rys. 3. Prosty układ ste- 4.Rys. 4. Kinematyczny schemat pocisku rakietowego kalibru 72demonstratora mma)(rys. 9): b) wymiary podstawie danych pocisku rakietowego rów [4] nicowego napędu sterów[4] [4] napędu sterów Rys. 3. Przekładnia: widok, przekładni kątowej [8]kalibru 72 mm (rys. 9). d) ster aerodynamiczny – model steru został wykonany na podstawie danych demonstratora pocisku rakietowego kalibru 72 mm (rys. 9): a) b) Rys. 5. Model pocisku kalibru 72 mm [1, 2] Elementy składowe napędu sterów b) a) Elementami składowymi napędu elektrycznego sterów będą: silnik BLDC, przekładnia, ster, stopień mocy, sterownik elektroniczny. Podstawowe wymagania: − średnica wewnętrzna kadłuba: ≤ 62 mm, Rys. 5. Model pocisku 722]mm [1, 2] −Rys. długość przedziału sterowania: 255 kalibru mm, 5. Model pocisku kalibru 72 mm [1, − minimalny moment obrotowy: 1 Nm, − maksymalny czas wykonania obrotu o 24° (skrajne wychylenia steru): ≤ 0,3 s. Rys. 5. Model pocisku kalibru 72 mm [1, 2] ty składowe napędu sterów Elementy składowe napędu sterów Rys. 9. Ster aerodynamiczny: a) model steru 3D, b) wymiary steru Rys. 9. Ster aerodynamiczny: a)338 model steru 3D, b) wymiary steru Rys. 9. Ster aerodynamiczny: a) model steru 3D, b) wymiary steru a) przedział sterowania (rys. 6): ■■Stopień mocy – w pracy 338został wykorzystany układ pokładowe napędu sterów a) trójnego półmostka typu H z tranzystorami typu MOSFET ami składowymi napędu elektrycznego sterów będą: silnik BLDC, przekładnia, ster, Elementami składowymi napędu elektrycznego sterów b) (rys. 10). W celu zaoszczędzenia możliwie jak najwięcej miejmocy, sterownik elektroniczny. Podstawowe wymagania: będą: silnik BLDC, przekładnia, ster, stopień mocy, sterownik sca został użyty układ firmy STMicroeletronics L6234 nica wewnętrzna kadłuba: mm, elektroniczny. Podstawowe wymagania: i składowymi napędu≤ 62 elektrycznego sterów będą: silnik BLDC, ster,scalony e) stopieńprzekładnia, mocy – w pracy został wykorzystany układ potrójnego półmostka typu H w obudowie Power DIP 20. ość przedziału sterowania: 255 mm, ● ● średnica wewnętrzna kadłuba: ≤62 mm, z wykorzystaniem tranzystorów typu MOSFET (rys. 10). W celu zaoszczędzenia cy, sterownik elektroniczny. Podstawowe wymagania: możliwie jak najwięcej miejsca został użyty układ scalony firmy STMicroeletronics ●●obrotowy: długość przedziału sterowania: 255 mm, malny moment 1 Nm, L6234 asymalny wewnętrzna kadłuba: ≤o62 mm, a) w obudowie Power DIP 20. b) ●● minimalny moment obrotowy: 1 Nm, czas wykonania obrotu 24° (skrajne wychylenia steru): ≤ 0,3 s. Rys. 6. Przedział sterowania: a) model, b) wymiary przedziału sterowania ● ● maksymalny czas wykonania obrotu o 24° (skrajne wychyprzedziału sterowania: 255 mm, lenia steru): edział sterowania (rys. 6): ≤0,3 s. 337 lny moment obrotowy: 1 Nm, a) ■ Przedziałobrotu sterowania (rys. 6). malny czas wykonania o 24° (skrajne wychylenia steru): ≤ 0,3 s. b) a) b) ał sterowania (rys. 6): a) b) Rys. 6. Przedział sterowania: a) model, b) wymiary przedziału sterowania Rys. 6. Przedział sterowania: model, b) wymiary przedziału sterowania ■ Silnik BLDC –a)ze względu na wymagania stawiane napędowi sterów zostanie wykorzystany silnik BLDC DB22L01 Rys. 10. Stopień mocy a) widok, b) schemat układu scalonego L6234 [9] Rys. 40. Stopień mocy a) widok, schemat układu scalonego L6234[9] TABLICA II. Parametry układu L6234 [9] Tabela 2. Parametry układu L6234[9] Parametr Wartość Parametr Wartość Napięcie zasilana Napięcie zasilana 7 –7÷52 52 [V]V 2,82,8 A A Prąd wyjściowyPrąd wyjściowy firmy Nanotec 7).337 b) silnik BLDC – ze (rys. względu na stawiane wymagania napędowi sterów zostanie wykorzystany silnik BLDC DB22L01 firmy Nanotec a) b) (rys. 7): f) sterownik silnika BLDC – na potrzeby projektu został wykonany sterownik trójfazowego silnika ■BLDC. Wykorzystano sterowania.projektu Właściwezostał podanie ■Sterownik silnikatrapezową BLDC –metodę na potrzeby impulsów sterujących na stopień mocy wymaga określenie położenia wału, a co zatem wykonany sterownik trójfazowego silnika BLDC. Wykorzystano idzie odpowiedniej komutacji. W tym celu zastosowaniu pomiar siły elektromotorycznej trapezową metodę sterowania. SEM. Jest to siła wyrażona różnicą potencjałówWłaściwe na zaciskach podanie źródła prąduimpulsów w czasie, gdy obwód jest otwarty. na W przypadku SEM powstaje w czasiepołożenia oddziaływania sterujących stopień silników mocy siła wymaga określenia a) polawału, magnetycznego uzwojenia podczas obrotukomutacji. wirnika. a co zanatym idziesilnika – odpowiedniej W tym celu Rys. 6. Przedział sterowania: a) model, b) wymiary przedziału sterowania Rys. 7. Silnik BLDC, a) widok, b) rzut boczny [7] Rys. 7. Silnik BLDC, a) widok, b) rzut boczny [7] 337 TABLICA I. Parametry silnika BLDC [8] Tabela 1. Parametry silnika BLDC[8] Parametr Parametr Napięcie zasilania Napięcie zasilania znamionowy/rozruchowy Prąd Prąd znamionowy/rozruchowy Moment rozruchowy Moment rozruchowy Obroty znamionowe/ bez obciążenia Obroty znamionowe/ bez obciążenia Masa silnika Masa silnika Wartość Wartość [jednostka] 24[V] V 24 0,62/1,5 [A] 0,62/1,5 A 0,022 [Nm] 0,022 Nm 3500/6250 [obr/min] 3500/6250 obr/min 0,12 [kg] 0,12 kg zastosowano pomiar siły elektromotorycznej SEM. Jest to siła wyrażona różnicą potencjałów na zaciskach źródła prądu w czasie, gdy obwód jest otwarty. W przypadku silników siła SEM powstaje w czasie oddziaływania pola magnetycznego na uzwojenia silnika podczas obrotu wirnika. Omawiany sposób sterowania silnikiem BLDC nazywa się trapezoidalnym ze względu na kształt przebiegu siły SEM na poszczególnych fazach silnika. Na podstawie podanego wykresu można zauważyć pewien algorytm sterowania silnikiem c) przekładnia – w modelu została wykorzystana plastikowa przekładnia kątowa, o przełożeniu 1:120 (rys.8). Ze wzglądu na demonstracyjny charakter projektu użycie plastikowej przekładni jest wystarczające, w rzeczywistym pocisku rakietowym należy wykorzystać przekładnię metalową. Wykorzystany model przekładni posiada wbudowane sprzęgło zabezpieczając przekładnię przed uszkodzeniem plastikowych zębów. Rys. 51. Wzorcowy idealny kształt siły SEM oraz prądu [6] Rys. 62. Widok STM Discovery F4 f) Prąd wyjściowy 2,8 A sterownik silnika BLDC – na potrzeby projektu został wykonany sterownik trójfazowego Wykorzystano metodę sterowania. f) silnika sterownikBLDC. silnika BLDC – na potrzebytrapezową projektu został wykonany sterownik Właściwe trójfazowegopodanie impulsów sterujących na stopień mocy wymaga a co zatem silnika BLDC. Wykorzystano trapezową metodę określenie sterowania.położenia Właściwewału, podanie impulsów sterującychkomutacji. na stopień W mocy określenie położenia wału,elektromotorycznej a co zatem idzie odpowiedniej tymwymaga celu zastosowaniu pomiar siły idzie odpowiedniej komutacji. różnicą W tym celu zastosowaniu pomiar siłyźródła elektromotorycznej SEM. JestNR to siła wyrażona potencjałów na zaciskach prądu w czasie, gdy MECHANIK 7/2016 SEM. Jest siła wyrażona różnicą potencjałów źródła prądu w czasie, gdy obwód jesttootwarty. W przypadku silników na siłazaciskach SEM powstaje w czasie oddziaływania obwód jest otwarty. Wnaprzypadku silników SEM obrotu powstaje w czasie oddziaływania pola magnetycznego uzwojenia silnikasiła podczas wirnika. pola magnetycznego na uzwojenia silnika podczas obrotu wirnika. 659 ●● napięcie zasilające silnik: 24 V, ●● maksymalny prąd silnika: 1,5 A, ●● elementy wykonawcze i mikrokontroler na wspólnej masie, ●● napięcie sygnałów sterujących z mikrokontrolera: 3,3 V, ●● maksymalny prąd sygnałów sterujących: 20 mA, d) napięcie sygnałów sterujących z mikrokontrolera: 3,3V, sygnałów ●● sterownik musi posiadać możliwość przenoszenia PWMsygnałów do 50 kHz. sterujących: 20mA, e) maksymalny prąd noty aplikacyjnej układu L6234sygnałów wszystkie tranzyf) sterownik musi Według posiadać możliwość przenoszenia PWM do 50 kHz story można sterować przy napięciu zasilania dla stanu wysokiego 2÷7 V. L6234 Zatem wykorzystany układ mikroprocesorowy Według noty aplikacyjnej układu wszystkie tranzystory można sterować przy spełnia wymagania. Przy zasilaniu 3,3 V tranzystory pozwalają zasilania dla stanu wysokiego od 2V do 7V. Zatem wykorzystany układ mikropro Rys. 51. Wzorcowy idealny kształt siły SEM na uzyskanie prądu drenu ponad 1,5 A, umożliwiając steroRys. 62. Widok STM Discovery F4 Rys. 51.11. Wzorcowy idealny kształtkształt siły SEM Rys. 12. Widok oraz prądu [6] spełnia wymagania. Przy zasilaniu 3,3V tranzystory pozwalają na prą Rys. Wzorcowy idealny STM Discovery F4 Rys. 62. Widok STM Discovery F4 wanie kluczami tranzystorowymi, co jest wystarczające uzyskanie dla oraz prądu[6] [6] siły SEM oraz prądu ponad 1,5A umożliwiając sterowanie kluczami tranzystorowymi, co jest wystarcz wybranego silnika BLDC. Podsumowując tak dobrane elementy układu sterowania wybranego silnika BLDC. 339 silnikiem BLDC pozwalają na sterowania jego bezpieczną i ciągłą pracę. BLDC podzielony na sześć części. Pomiar sygnału SEM dokoPodsumowując tak dobrane elementy układu silnikiem BLDC pozwalaj 339 Oscylogram komutacji silnika BLDC oraz momentu przełączenuje się na fazie, która nie jest aktualniebezpieczną zasilana. Następnie i ciągłą pracę. Oscylogram komutacji silnika BLDC oraz momentu prz nia na kolejną komutację na podstawie sygnału SEM i sumy porównuje się mierzony sygnał z jednej fazy z sumą sygnałów na kolejną komutacjesygnałów na podstawie sygnału przedstawia rys. SEM 13. i sumy sygnałów przedstawia rys. 1 trzech faz. W momencie przecięcia się następuje przełączenie na kolejną komutację. W projekcie wykorzystano układ firmy STMicroelectronic STM32F4. Układ ten bazuje na procesorze ARM Cortex M4 o częstotliwości pracy 168 MHz i 1 MB pamięci Flash. Opis działania napędu sterów Napęd steru pod względem konstrukcji najczęściej stanowi jeden zespół, który jest umieszczony w oddzielnym przedziale kadłuba pocisku plot. Można spotkać rozwiązania, w których źródła energii są oddzielnymi zespołami. Z zasady źródło energii, które zasila napęd steru, jest głównym źródłem energii zasilającym pokładowe urządzenia pocisku. Na podstawie analizy parametrów silnika BLDC został dobrany odpowiedni układ półmostka typu H, zbudowany Rys. 13. Oscylogram komutacji silnika BLDC oraz momentu przełączenia z dwóch tranzystorów MOSFET na każdą fazę silnika. DoRys. 73. Oscylogram komutacji BLDC oraz przełączenia na ko na kolejną komutację silnika na podstawie sygnału SEMmomentu i sumy sygnałów datkowo jedno z wymagań stawianych całemu układowi to możliwie małe rozmiary. Dlatego został użyty układ scalony komutacje na podstawie sygnału SEM i sumy sygnałów firmy STM L6234. Przedstawione w poprzednim rozdziale Podsumowanie parametry stopnia mocy są wystarczające do zasilenia silPodsumowanie nika BLDC. Szczególną uwagę należy zwrócić na napięcie Napędy z wykorzystaniem silnika BLDC jako elementu wyzasilania (24V – wymagane napięcie zasilania silnika oraz Uzyskano parametry silnika: szybka na jest wymuszenie ( konawczego znajdują zastosowanie tam,odpowiedź gdzie wymagany 52V – maksymalne napięcie, jakie może obsłużyć bardzo stopień dobre prędkości1,5A, na żądanym poziomie w 0,05 s) pełnego obrotu duży moment obrotowy (Moraz = 2,64wykonanie Nm, z wykorzystaniem prze- w czasie mocy), pobierany prąd (silnik pobiera maksymalnie wekładni), małe wymiary długość 105 maksyma dług noty katalogowej układ scalony wytrzymuje 2,8A, Zgodnie zdo założeniami ster wychyla się (łączna o kąt +/12°,silnika czyli i przekładni: musi wykonać mm, szerokość i wysokość: ok. 22 mm) oraz niezawodność zatem uzyskano około 180% margines bezpieczeństwa dla o 24°. Obrót ten wykonuje w 0,00196 s. Przynp.zastosowaniu przekładni temperatury 25°C). (brak wrażliwych elementów, szczotek komutatora). Wła- o przełożen czas obrotu o 24° wzrasta do 0,23 s osiągając średnią prędkość kątową 100°/s. Ponieważ prędkość obrotowa silnika będzie sterowana syściwości dynamiczne silnika są bardzo dobre w porównaniuokoło do gnałem PWM, kolejnym ważnym elementem jest pojemność silników krokowych czy silników prądu stałego. Należy jednak Wykonany model działa poprawnie, co świadczy o dobrze dobranych elementach uk bramki tranzystora. Od tego parametruwłaściwym zależy: szerokość że silnikOsiągnięcie BLDC wymagazamierzonego bardziej skomplikowanego sposobiepamiętać, sterowania. celu wymagało d zakresu sterowania prędkością silnika oraz skomplikowanie układu elektronicznego sterownika, tym bardziej przy wykorzyanalizy konstrukcji sterów, zapoznania się z budową, zasadą działania oraz sp sterownika. Według noty aplikacyjnej L6234 można sterować staniu bezczujnikowej metody pomiaru kąta położenia wału. sterowania silnikami BLDC oraz przeprowadzenia badań na modelu symulacyjn wewnętrznymi tranzystorami z częstotliwością do 50 kHz. Kolejnym etapem jest eliminacja zakłóceń. Poza fabryczLITERATURA rzeczywistym. Napędy z wykorzystaniem silnika BLDC, jako elementu wykon nymi elementami stabilizacji napięcia zasilania znajdującymi znajdują zastosowanie tam, gdzie wymagany jest duży moment obrotowy (M = 2 1.Baldursson S. „BLDC Motor Modeling and Control – a Matlab/Simulink się na płytce STM, zastosowano kondensatory 100uF i 0,1uF z wykorzystaniem przekładni), małe wymiary Implementation”, Sverige, 2005. (łączna długość silnika i przekładni: podpięte pomiędzy zasilaniem stopnia mocy Vs, a uziemie2.Czyżak M. „Demonstrator napędu sterów przeciwlotniczego pocisku wysokość: około 22 mm) oraz niezawodność (brak wrażliwych eleme niem GND. W celu odfiltrowania zasilaniaszerokość sterującegoigórnym rakietowego”, Praca dyplomowa, WAT, Warszawa 2014. tranzystorem MOSFET dodatkowo zastosowano szczotkikondensator komutatora).3.Chodnicki Właściwości dynamiczne silnika są przeciwlotniczego bardzo dobre w porów M. „Demonstrator pilota automatycznego 220nF. Napięcie odniesienia Vref zostałosilników sprzężonekrokowych poprzez pocisku rakietowego”, Pracastałego. dyplomowa, WAT, Warszawa czy silników prądu Należy jednak2014. pamiętać, że siln kondensator 1uF. 4.Dubiel S., Frątczak W. „Konstrukcja pocisków rakietowych: Cz. 3, Konwymaga bardziej skomplikowanego układu elektronicznego sterownika, strukcja podzespołów i wybrane zagadnienia z podstaw projektowania”, tym bard Sterowanie silnikiem będzie wykorzystywać pomiar siły Warszawa, WAT 1972. pomiaru kąta położenia wału. wykorzystaniu bezczujnikowej metody elektromotorycznej SEM, w tym celu należy zastosować odpo5.Koruba Z., Osiecki J.W. „Budowa, dynamika i nawigacja wybranych wiedni układ dzielnika napięcia oraz filtracji sygnału. Zostanie broni precyzyjnego rażenia”, Politechnika Świętokrzyska, Kielce 2006. wykorzystany filtr dolnoprzepustowy. Pozwala to na właściwe 6.Zawirski K., Deskur J. „Automatyka napędu elektrycznego”, Poznań, odfiltrowanie zakłóceń układu oraz sygnału PWM. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej 2012. Trzecim etapem jest dobór właściwego układu mikropro7.Karta katalogowa firmy Nanotec silnika BLDC DB22L01. cesorowego do sterownika silnika od którego oczekuje się 8.Karta katalogowa firmy Pololu przekładni Pololu1121. spełnienia następujących parametrów: 9.Kartka katalogowa firmy STMicroelectronic układu L6234. ■ 341
