ES2345487T3 - Accionador giroscopico, en particular para dispositivo de pilotaje de la actitud de un satelite. - Google Patents

Abstract

Un accionador giroscópico que comprende un soporte (116) montado sobre una base (110) por medios (114, 118) que permiten hacerle girar alrededor de un primer eje (120) y que lleva una pieza giratoria (134) por medios (126, 130, 144) que permiten arrastrarle en rotación a velocidad elevada alrededor de un segundo eje (132) ortogonal al primer eje (120), comprendiendo el soporte (116) medios (128, 130) sobre los que gira el árbol (142) de la pieza giratoria, caracterizado porque la pieza giratoria (134) comprende dos costados (136) unidos por el árbol (142), y porque el soporte (116) comprende un tubo (122) en una extremidad del cual está fijado un zócalo (128) atravesado por el árbol (142) y que lleva guías (130) en rotación del árbol (142) y de la pieza giratoria (134) alrededor del segundo eje (132).

Description

Accionador giroscópico, en particular para dispositivo de pilotaje de la actitud de un satélite.

El presente invento se refiere a un accionador giroscópico, en particular para dispositivo de pilotaje de actitud de satélite por mando de orientación del eje de rotación de la pieza o cruceta giratoria de accionadores giroscópicos o girodinos de un conjunto de girodinos montado en el satélite.

Los girodinos o accionadores giroscópicos (designados a menudo por la sigla anglosajona cmg) se diferencian de las ruedas de reacción, corrientemente utilizadas para mandar la actitud de un satélite por intercambio de momento cinético, porque están montados sobre un soporte, llamado cardán, orientable por al menos un motor alrededor de al menos un eje ortogonal al eje de rotación de la pieza giratoria. En la mayor parte de los casos las piezas giratorias son arrastradas a velocidad constante o al menos poco variable durante su empleo.

Un conjunto de girodinos debe incluir al menos tres girodinos para permitir reorientar un triedro de referencia unido al satélite en todas las actitudes y al menos dos girodinos para un pilotaje de 2 ejes. En la práctica se utilizan al menos cuatro girodinos en conjunto o racimo para asegurar una redundancia.

El conjunto de girodinos constituye un accionador inercial cuyo mando permite aplicar un par que da a la plataforma del satélite un perfil de velocidades angulares especificado, generalmente por telecarga a partir del suelo. El par es generado por puesta en velocidad del eje cardán de manera que haga precesionar a la pieza giratoria. Para la pieza giratoria de orden i, el par Ci debido al efecto giroscópico está dado por:

Ci = Hi\sigmai

Donde

Hi es el momento de inercia de la pieza giratoria de orden:

\sigmai es la velocidad angular

Un satélite incluye generalmente un sistema de mando de actitud que recibe señales de entrada de captadores que permiten determinar su posición angular en una referencia inercial. Este sistema, que tiene generalmente una constante de tiempo relativamente larga, permite mantener al satélite en una actitud de consigna mandando los motores de las ruedas de reacción, o los de las cardán cuando el satélite está provisto de girodinos.

En el caso considerado aquí, del control de actitud con ayuda de un conjunto de girodinos, el sistema de mando determina en primer lugar el par a aplicar y debe deducir de él una velocidad a aplicar a las cardán de los girodinos. Las posiciones angulares de las cardán varían en el curso del tiempo. La capacidad de suministro del par total C es en consecuencia no estacionario y no lineal. Puede escribirse, en forma matricial:

(1)C = A(\sigma). \sigma

donde A es la matriz jacobiana a_{ij} = \deltaH_{i}/\delta\sigma_{j}, con i = 1 a 3 y j = 1 a 4 (o más generalmente uno al número de girodinos).

Un método clásico de guiado consiste, conociendo el par C a proporcionar, en invertir la relación (1) para obtener las velocidades \sigma_{c} de consigna a dar a los girodinos.

Ciertas misiones prevén modificaciones importantes de actitud del satélite en retardos cortos. Los girodinos están particularmente adaptados a estas misiones "ágiles". A la hora actual, se utilizan esencialmente dos métodos para determinar el perfil de velocidades a imponer a los soportes de los girodinos.

Según un primer procedimiento, que se puede calificar de guiado local, se calcula con cada solicitud de par, la velocidad angular requerida para cada soporte por la fórmula (2) lo que vuelve a una pseudo-inversión de la Jacobiana. La tensión impuesta para tener en cuenta la redundancia es la búsqueda de un movimiento con energía mínima.

(2)\sigma_{c} = [A'(A.A')-1]C

La experiencia ha mostrado que esta aproximación conduce a menudo a abandonar un girodino cuya reorientación hacia la dirección requerida solicita demasiada velocidad a todos los soportes, con el resultado de que finalmente el conjunto incluye una pieza giratoria "durmiente", mientras que todas las demás se reagrupan en una dirección opuesta. El conjunto está entonces en una configuración singular: el momento cinético es máximo en esta dirección opuesta y es imposible obtener un par según esta dirección.

\newpage

Existen algoritmos para evitar localmente singularidades por puestas en velocidad de las cardan, tales que el par total resultante sea nulo. Pero estos algoritmos son poco eficaces, pues la aproximación de la singularidad es detectada tardíamente falta de predicciones sobre el perfil de par a seguir. Se está en consecuencia llevado a sobredimensionar la capacidad del conjunto, a fin de franquearse de la mayor parte de las singularidades.

Otra aproximación, que se puede calificar de guiado global continuo, implica calcular, antes del comienzo de la maniobra de cambio de actitud del satélite, la mejor trayectoria de reconfiguración de conjunto \sigma(t) durante toda la maniobra, a fin de evitar pasar en proximidad de una configuración singular. Este cálculo es muy pesado. Debe ser hecho en el suelo, y luego telecargado.

El documento EP 1 002 716 proporciona un procedimiento que permite, en el pilotaje de actitud por girodinos, franquearse del problema de las singularidades, limitando al mismo tiempo la carga de cálculo asociada. El procedimiento según EP 1 002 716 permite entonces explotar la integridad de la capacidad del conjunto para los basculamientos de la actitud del satélite.

Para ello, el documento EP 1 002 716 utiliza en particular el hecho de que la capacidad de par de un girodino no está limitada más que por la velocidad de rotación máxima del motor de arrastre de la cardan. El documento EP 1 002 716 utiliza igualmente la constatación de que es posible pasar transitoriamente en una configuración singular, a condición de que sea en el curso de la reconfiguración del conjunto de girodinos hacia una consigna predeterminada y mientras las cardán están animadas de una velocidad angular importante.

En consecuencia el documento EP 1 002 716 propone un procedimiento de pilotaje de la actitud de un satélite, por mando de uno de los girodinos de un conjunto (generalmente por al menos cuatro girodinos), que tienen piezas giratorias respectivas montadas sobre cardán montadas giratorias sobre una plataforma del satélite, alrededor de ejes de orientaciones diferentes, según la reivindicación 1ª del documento EP 1 002 716.

El documento EP 1 002 716 permite también reducir la duración de los basculamientos por la reducción de las fases de aceleración y de deceleración angulares de comienzo y de final de maniobra. Prácticamente, la ascensión de velocidad será casi instantánea con respecto al tiempo de respuesta de la subordinación de sistema de control de actitud. El momento cinético interno es reorientado en la dirección adecuada para obtener el perfil de velocidad y de actitud del satélite buscado antes de que este sistema intervenga.

El procedimiento del documento EP 1002716 permite además tener en cuenta una tensión de dominio angular de orientación de cada soporte limitando el dominio a una región determinada, por ejemplo de 360º, se pueden así evitar uniones de anillos y escobillas y utilizar cables para el pelado de las potencias y de las señales.

EL documento EP 1002716 propone igualmente un dispositivo de pilotaje de actitud según la reivindicación 10ª del documento EF 1002716.

En tal dispositivo, es posible de limitar el dominio de desplazamiento angular del eje cardán de un girodino 1-eje (por ejemplo a \pm 1/2 vuelta).

El documento de patente JP 01 226 496 divulga un accionador giroscópico, según el preámbulo de la reivindicación 1ª, que comprende, en referencia a los dibujos de este documento, un soporte (12, 13) montado sobre una base (14) por medios (15) que permiten hacer girar alrededor de un primer eje (12a), y que llevan un trompo (110) por los medios (11) permitiendo arrastrar en rotación a velocidad elevada alrededor de un segundo eje (10a) ortogonal al primer eje. En la extremidad del soporte (12, 13) por el lado opuesto a la base, el soporte comprende medios sobre los que gira el árbol del trompo alrededor del segundo eje.

El documento de patente US 5 256 942 muestra un accionador giroscópico, según el preámbulo de la reivindicación 1ª, con, en referencia a los dibujos de este documento, un trompo en forma de dos costados (16) unidos por un árbol (15). Este árbol está soportado por los dos lados por medio de un árbol perpendicular (30) en un marco (12), oponiéndose así al documento JP 01 226 496.

El problema en la base del invento es proponer un girodino de tamaño pequeño, poco voluminoso, capaz de proporcionar pares suficientes para provocar maniobras rápidas de satélites de clases intermedias, utilizable ventajosamente en un dispositivo según el documento EP 1 002 716, y cuyo trompo comprende dos costados unidos por un árbol de diámetro muy inferior al de los costados y cuyo soporte incluye medios en los que gira el árbol.

A este efecto, el invento propone un accionador giroscópico según la reivindicación 1ª. Unos modos de realización ventajosos del accionador giroscópico del invento constituyen el objeto de las reivindicaciones dependientes 2ª a 10ª.

Las características anteriores así como otras aparecerán mejor con la lectura de la descripción que sigue de un modo particular de realización del invento, dado a título no limitativo. La descripción se refiere a los dibujos que la acompañan, en los cuales:

La fig. 1 es un esquema en perspectiva que muestra una disposición posible de cuatro girodinos de un eje de un conjunto o racimo, en posición canónica;

Las figs. 2A y 2B muestran la variación en el tiempo del par aplicado por un girondino y un momento cinético H intercambiado con la plataforma, para varios perfiles de puesta en velocidad;

La fig. 3 muestra un girodino utilizable en un dispositivo según el documento EP 1 002 716.

La fig. 1 muestra un conjunto de cuatro girodinos 10a, 10b, 10c, 10d idénticos, cada uno de los cuales tiene una pieza giratoria 12 montada sobre una cardán 14 de manera que pueda girar alrededor de un eje 16. Un motor no representado mantiene la pieza giratoria en rotación, generalmente a velocidad constante, Cada cardán está montada sobre una plataforma del satélite (no representada) de manera que pueda girar alrededor de un eje 18 ortogonal al eje 16. Los ejes 18 tienen orientaciones diferentes. En el caso representado, ocupan las aristas de una pirámide regular de vértice 20.

Cada una de las cardán está provista de un motor 22, de los que solo se ha representado uno, que permiten hacerla girar alrededor del eje 18 respectivo. Un captador angular 24 da una información sobre la orientación de la cardán y por tanto del plano de la rueda 12.

El mantenimiento del satélite en una actitud de consigna en una referencia inercial está asegurado por un sistema de mando de actitud que puede ser de un tipo conocido. Incluye un órgano 26 de cálculo y de mando del motor 22 que recibe consignas de orientación de un emisor-receptor 28 de unión con el suelo y señales 30 que provienen de captadores no representados, tales como captadores de estrella y de horizonte terrestre, etc. Este órgano manda circuitos de potencia 32 que alimentan los motores. Este sistema tiene generalmente una constante de tiempo relativamente larga, de algunos segundos a varias decenas de segundos.

El dispositivo incluye igualmente medios de mando suplementarios 34 en el que posiciones finales a dar a las cardán de los girodinos son telecargadas para provocar una maniobra de reorientación del satélite. Como se ha indicado más arriba, esta posición final de todos los girodinos es evaluada partiendo de la hipótesis de que la reconfiguración será terminada antes de que el sistema de control de actitud intervenga para anular la diferencia entre la actitud real y la actitud de consigna del satélite en una referencia inercial.

La reconfiguración del conjunto se efectúa por reorientación casi instantánea e independiente de los ejes de pieza giratoria, y no por seguimiento paso a paso de una trayectoria continua predeterminada.

La configuración inicial no es singular y la configuración final es calculada para ser no singular igualmente. Las configuraciones intermedias son tan transitorias que una improbable pérdida de orden de la Jacobiana pasa virtualmente desapercibida del sistema de control de actitud 26.

No es entonces ya necesario sobredimensionar la capacidad de control del conjunto para evitar las singularidades. Se puede utilizar la integridad de la capacidad de momento cinético del conjunto para realizar las maniobras. Una parte del margen ganado puede ser reservada para liberar tiempo para los transitorios de tranquilización y de afinado del punteo o indicación en ejes inerciales al final del basculamiento.

La disminución de las velocidades cresta de basculamiento obtenida gracias a la reducción de la duración de las fases de aceleración y de deceleración aparece en las figs. 2A y 2B.

Adoptando un par elevado, se da al perfil de velocidad, reproducido por el perfil de momentos cinéticos, una forma rectangular (líneas en trazos llenos en las figs. 2A y 2B).

La capacidad de momento cinético máximo requerida del conjunto para provocar el intercambio de momento cinético global es hasta dos veces menor que en el caso del par pequeño representado por una línea en trazos mixtos. Ahora bien, la capacidad de momento cinético es un factor esencial de dimensionamiento del conjunto (masa, dimensiones y velocidad de rotación de las piezas giratorias), mientras que la capacidad de par de un girodino no está limitada más que por la velocidad de rotación máxima del motor de cardan.

Es ventajoso en consecuencia buscar un perfil de momento cinético rectangular o trapezoidal de momentos cinéticos, con un largo escalón constante. Las regulaciones de las pendientes de salida y de llegada aseguran la continuidad del perfil con relación a las condiciones iniciales y finales de velocidad angular especificada.

En el caso extremo de un perfil rectangular, el guiado del conjunto es muy simplificado, ya que basta calcular una configuración \sigma de consigna para el conjunto tal que H(\sigma)-I_{sat}\Omega_{sat} (siendo \Omega_{sat} la velocidad angular) en lugar de una trayectoria continua \sigma(t).

Para ello, una consigna de posición es enviada en bucle abierto a cada motor al comienzo de cada maniobra. La subordinación en posición utiliza un codificador angular y reorienta la cardán los más rápido posible; el único límite es la banda pasante del control de los motores de cardán y su velocidad máxima.

El momento cinético interno es reorientado de manera casi instantánea con relación a los tiempos de respuesta de la subordinación de control de actitud. Si fuera necesario, el sistema de control de actitud puede ser puesto fuera de servicio durante la reconfiguración de conjunto o su mando de par limitado a un valor muy inferior a la capacidad de los girodinos. Para ello, se pueden utilizar técnicas de saturación o de filtrado. Los motores de las cardán pueden ser del tipo paso a paso. Se suprime así el bucle de subordinación en posición, ya que el motor paso a paso es directamente mandado en posición. El control fino de microperturbaciones y de los despunteos puede entonces ser asegurado no por pequeñas reorientaciones de los ejes cardan, sino por la aceleración o la deceleración de las piezas giratorias de inercia, pareciéndose entonces el sistema a una grupo estacionario de ruedas de reacción.

Una vez el conjunto reconfigurado, el satélite es animado de la buena velocidad alrededor del eje elegido, con las incertidumbres sobre las inercias y los alineamientos aproximados.

Como la reconfiguración no es estrictamente instantánea, se crea un error de actitud con relación al perfil teórico de consigna. El sistema de control de actitud debe anular este error.

Al estar la configuración de llegada de las cardán elegida bastante lejos de una singularidad, el sistema de control de actitud puede compensar estos errores sin dificultad por una ley de guiado local clásica del conjunto. Incluso al cabo de varias maniobras, las excursiones de las posiciones de las cardán al rededor de la configuración de consigna quedan limitadas y el conjunto puede ser llevado a configuración canónica durante las fases de eliminación de saturación en periodo de vigilia.

Cada uno de los girodinos puede tener la constitución mostrada en la fig. 3. El girodino incluye entonces una base 110 que define, con una envolvente estanca 112, un volumen en el que es colocado el conjunto del accionador. Sobre la base 110 está fijado un mecanismo de basculamiento que tiene una parte de estator 114 y una parte de rotor que constituye un soporte 116. La parte de estator 114 está constituida por un manguito en el que hay colocados medios de guiado (rodamiento de bolas por ejemplo) 118 espaciados entre sí de manera que den una orientación precisa a un eje de basculamiento 120 alrededor del cual gira un tubo 122 que pertenece al soporte 116.

Las partes de estator 114 y de rotor incluyen igualmente los componentes de un motor de par de conmutación electrónica 124, que tiene imanes permanentes sobre la parte de rotor.

Los pasos de corriente eléctrica entre las partes de rotor y de estator 114 pueden ser efectuados por conectadores giratorios 126 de anillo y escobilla, representados en número de tres en la figura.

La posición angular del soporte 116 o parte de rotor está dada en cualquier instante por un codificador 138 que presenta una parte fijada rígidamente a la parte de estator 114 y un rotor unido al tubo 122 por un acoplamiento elástico 140.

Se puede en particular utilizar un codificador óptico 138, de salida incremental en forma de señales en cuadratura. Estas señales pueden ser tratadas por una electrónica de proximidad capaz de funcionar en modos periodímetro, para el punteo fino, y frecuencímetro, durante los basculamientos a velocidad rápida.

Las señales de salida del codificador 138 pueden ser utilizadas en varios bucles de regulación y de medida:

-

un bucle de auto pilotaje del motor 124 que efectúa la conmutación de las fases y el control de las corrientes de fase en función de la posición instantánea;

-

medida de la orientación de la pieza giratoria 134, y de control de la velocidad instantánea de basculamiento para el control del par generado sobre el satélite.

En la extremidad del tubo 122 del soporte 116 hay fijado un zócalo 128 que lleva guías 130 que definen el eje 132 de rotación de una pieza giratoria 134 que puede ser considerada como que comprende dos costados 136 unidos por un árbol hueco 142.

Esta disposición permite elegir el diámetro de los rodamientos 130 de manera que aseguren el mejor compromiso posible entre la duración mecánica durante el lanzamiento y después de una duración de vida importante en órbita, un par viscoso resistivo aceptable y una frecuencia propia de flexión del árbol fuera del dominio de frecuencia parásita susceptible de ser aplicada. Para evitar la contaminación del interior de la envolvente 112, los rodamientos de bolas pueden estar provistos de estrechamientos que evitan que aceite depositado localmente, se escape.

La pieza giratoria 134 es arrastrada en rotación a una velocidad elevada, generalmente constante. Un motor de arrastre de la pieza giratoria incluye, en el caso presentado en la figura, un motor de par 144 sin escobilla y sin hierro, generalmente de conmutación electrónica, cuyo par compensa las disipaciones de energía por rozamiento. Puede incluir generalmente un rotor anular pasivo 146 que pertenece a la periferia de uno de los costados 136 y un arrollamiento 148 alimentado por medio de los conectadores giratorios 126 y fijado a una llanta 158 paralela al costado y solidaria del zócalo 128. La electrónica 150 de mando y de regulación de velocidad del motor 144 puede estar situada sobre una o varias placas de circuito impreso insertadas en el interior de la llanta 158 paralela al costado que está provisto del motor, y a la que se le puede dar una forma de champiñón.

La velocidad de rotación es medida por un taquímetro 152 que tiene una corona 154 fijada al otro costado 136 y una parte activa 156 que pertenece a una segunda llanta 158, similar a la que soporta el arrollamiento 148. La segunda llanta puede contener una tarjeta 160 de tratamiento de las señales proporcionadas por el taquímetro, unida al exterior por uno de los conectadores giratorios 126.

El taquímetro 152 es ventajosamente sin contactos. Se puede utilizar en particular un taquímetro que tenga acopladores optoelectrónicos. Cada acoplador incluye por ejemplo al menos un diodo electroluminiscente y al menos un fototransistor llevado por la llanta, que coopera con la corona anular 154 que presenta una alternancia de zonas de transmisión y de ocultación de un haz entre el diodo electroluminiscente y el fototransistor.

Los medios de alimentación de los motores 144 a partir de una fuente eléctrica exterior no representada pueden estar montados sobre una tarjeta 162 colocada alrededor de la base de la parte de estator 114. Los medios de alimentación del motor de basculamiento 124 pueden estar colocados sobre otra tarjeta 164. Unas conexiones con el exterior, no representadas, permiten mandar el basculamiento a partir de un circuito exterior.

Claims (10)

1. Un accionador giroscópico que comprende un soporte (116) montado sobre una base (110) por medios (114, 118) que permiten hacerle girar alrededor de un primer eje (120) y que lleva una pieza giratoria (134) por medios (126, 130, 144) que permiten arrastrarle en rotación a velocidad elevada alrededor de un segundo eje (132) ortogonal al primer eje (120), comprendiendo el soporte (116) medios (128, 130) sobre los que gira el árbol (142) de la pieza giratoria, caracterizado porque la pieza giratoria (134) comprende dos costados (136) unidos por el árbol (142), y porque el soporte (116) comprende un tubo (122) en una extremidad del cual está fijado un zócalo (128) atravesado por el árbol (142) y que lleva guías (130) en rotación del árbol (142) y de la pieza giratoria (134) alrededor del segundo eje (132).

2. Un accionador según la reivindicación 1ª, caracterizado porque el zócalo (128) está fijado en una extremidad del tubo (122) por el lado opuesto a la base (110).

3. Un accionador según una cualquiera de las reivindicaciones 1ª y 2ª, caracterizado porque los medios de arrastre de la pieza giratoria (134) en rotación comprenden un motor de par (144) sin escobilla y sin hierro que tiene un rotor anular pasivo (146) que pertenece a la periferia de uno de los costados (136) y un arrollamiento (148) alimentado por medio de conectadores giratorios (126) colocados entre el soporte (116) y la base (110).

4. Un accionador según la reivindicación 3ª, caracterizado porque el arrollamiento (148) está fijado a la periferia de una llanta (158) solidaria del soporte (116).

5. Un accionador según una cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 4ª, caracterizado porque comprende un taquímetro (152) que tiene una corona pasiva (154) fijada a un costado (136) y una parte activa (156) que pertenece a una llanta (158) solidaria del soporte (116).

6. Un accionador según la reivindicación 5ª, caracterizado porque el taquímetro (152) es sin contactos.

7. Un accionador según la reivindicación 6ª, caracterizado porque el taquímetro (152) incluye al menos un acoplador optoelectrónico que tiene un diodo electroluminiscente y una fotorresistencia llevada por la llanta (158), que coopera con la corona anular (154) que presenta una alternancia de zonas de transmisión y de ocultación de un haz luminoso entre el diodo electroluminiscente y el fototransistor.

8. Un accionador según una cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 7ª, caracterizado porque los medios (114, 118) que permiten hacer girar el soporte (116) comprenden un motor de par (124) de corriente continua y de conmutación electrónica que tiene imanes permanentes sobre el soporte (116) y un arrollamiento sobre una parte de estator (114) solidaria de la base (110).

9. Un accionador según una cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 8ª, caracterizado porque comprende un codificador (138) de posición angular del soporte (116) que tiene una parte solidaría de la base (110) y un rotor unido al soporte (116) por un acoplamiento elástico (140).

10. Un accionador según una cualquiera de las reivindicaciones 1ª a 9ª, caracterizado porque el árbol (142) es de diámetro muy inferior al diámetro de los costados (136).