Hệ thống động cơ phản lực micro (gọi tắt là PLM-1) đƣợc thiết kế và chế tạo và sau đó đã tích hợp thành công vào bộ mô phỏng cải tiến ADCS
Chức năng: PLM-1 dùng để tạo mômen quay quanh 3 trục trong quá trình điều
khiển platform 3 bậc tự do của thiết bị mô phỏng ADCS.
Các đặc tính kỹ thuật chính:
- Lực tạo ra của mỗi động cơ là (0,5†1) N, trên cánh tay đòn 380 mm (là bán kính của platfom).
- Hệ thống PLM-1 làm việc theo tín hiệu điều khiển dạng xung vuông với độ rộng
- Kích thƣớc từng động cơ micro 14 dài 20 cm.
- Khối lƣợng từng động cơ micro không quá 0,1 kg.
- Nguồn khí nén của hệ thống PLM-1 đảm bảo thiết bị mô phỏng ADCS làm việc
liên tục trong thời gian không ít hơn 15 phút sau mỗi lần nạp.
- Các ống khí nén làm bằng vật liệu thép inox.
Thành phần và sơ đồ của hệ thống:
Hệ thống PLM-1có sơ đồ và các thành phần sau:
Hình 2.26 Sơ đồ của hệ thống động cơ phản lực micro
1. Đầu nạp với van một chiều: là đầu nối hệ thống với ống dẫn khi nạp khí vào các bình. Kèm theo đầu nối là van một chiều để khi nạp xong khí không thoát trở lại đầu nạp.
2. Đồng hồ áp suất nguồn: Dùng để kiểm tra áp suất có trong bình khí, là đồng hồ cơ học có thang đo từ 0 đến 12 at.
3. Các bình khí: Gồm 3 bình hình cầu, mỗi bình có dung tích 2 lít. Các bình đƣợc bố trí đối xứng qua tâm của platform. Các bình có thể chịu đƣợc áp suất tối đa 150 at. Trong hệ thống, khống chế áp suất nạp không quá 50 at.
4. Khoá: Dùng để khoá không cho khí từ các bình tới các thiết bị khác khi hệ thống không làm việc. Khi xoay tay khoá theo chiều kim đồng hồ - ngắt cấp khí và ngƣợc lại.
5. Van giảm áp PB-5: Dùng để giảm áp suất từ các bình vào hệ thống với áp suất đầu ra của nó là 8 at. Khi áp suất đầu vào nhỏ hơn 8 at, áp suất đầu ra của van bằng áp suất đầu vào.
6. Van điều áp: Dùng để điều chỉnh vô cấp áp suất công tác tới các kim phun từ 0 – 8 at. Khi xoay núm điều chỉnh theo chiều kim đồng hồ - áp suất tăng, và ngƣợc lại khi xoay núm ngƣợc chiều kim đồng hồ - áp suất giảm.
7. Đồng hồ áp suất phun: Dùng để theo dõi áp suất sau van điều áp (trƣớc các kim phun), là đồng hồ cơ học có thang đo từ 0 – 10 at.
8, 9, 10, 11, 12, 13. Van điện từ với kim phun điều khiển: Mỗi cụm có một van
điện từ làm nhiệm vụ đóng mở khí tới kim phun. Khi có tín hiệu điện một chiều 24
1 2 3 3 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Vol cấp tới, van mở khí tới kim phun; khi tín hiệu điện bằng 0, van đóng không cho khí tới kim phun. Các cụm van với kim phun đƣợc lắp đối xứng với nhau từng đôi một, mỗi đôi điều khiển một kênh bằng cách tạo ra các lực đối xứng nhau qua tâm của platform.
Các kim phun có cấu tạo và kích thƣớc nhƣ hình sau:
Hình 2.27 Cấu tạo và các kích thƣớc của kim phun
Kim phun có cấu tạo dạng ống Laval với thiết diện nhỏ nhất có đƣờng kính là 2 mm. Với cấu tạo và kích thƣớc trên Hình 2.27 qua thử nghiệm nhận đƣợc xung lực sinh ra, khi có khí phun qua kim, tỷ lệ tuyến tính với áp suất ở đầu vào của kim:
F = k.p (1-18)
Trong đó F là lực sinh ra [N]; p là áp suất trƣớc kim phun [at]; k =0,2 là hệ số tỷ lệ.
Nhƣ vậy,với áp suất đầu vào của kim phun từ 1,5 đến 8 at – xung lực sinh ra sẽ là 0,3 đến 1,6 N.
Có thể kiểm tra sự phụ thuộc của xung lực theo áp suất qua đồ thị
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 p (at) F (N )
Hình 2.28 Sự phụ thuộc của xung lực theo áp suất.
2.3.1.1 Thời gian bảo đảm làm việc của nguồn khí
Qua tính toán chi tiết, với áp suất nạp ban đầu của các bình 50 at, thể tích các bình là 6 lít, lực điều khiển là 0,5 N thì hệ thống có thể làm việc trong 30 phút.
2.3.1.2 Khuyếch đại công suất
Để hoạt động, cuộn cảm điều khiển các van điện từ cần điện áp điện áp +12v và dòng khoảng 0,2 A, trong khi đầu ra của máy tính trên khoang (RABIT-3000) chỉ có +5V, do đó cần phải có bộ khuyết đại công suất. Đặc điểm cơ bản của bộ khuếch đại công suất là cần thỏa mãn nhu cầu về phản ứng nhanh, đáp ứng đƣợc dòng (đủ công
M12x1 10 12
2
suất) do đó cần bổ sung 1 mạch bảo vệ đối với IC. Sơ đồ chức năng cho từng valve điện từ (có 6 valve) nhƣ sau:
Hình 2.29: Sơ đồ chức năng mạch khuyếch đại công suất
Lắp đặt bộ khuếch đại công suất, ta nối nguồn 12V trực tiếp vào valve điện từ, van mở khí nén; Sau đó đƣa đầu tín hiệu điều khiển vào bộ khuếch đại công suất, đầu ra của bộ khuếch đại đấu trực tiếp vào valve điện từ (thay cho đƣờng dây 12v lúc đầu), nếu valve làm việc bình thƣờng nhƣ lúc ban đầu là tốt. Nếu có trục trặc trong quá trình điều khiển thì đầu tiên thực hiện căn chỉnh valve .
2.3.1.3 Nguyên lý làm việc và vận hành của hệ thốngPLM-1
Nạp khí vào các bình bằng cách nối nguồn khí với đầu nạp (1), mở nguồn, khí qua van một chiều vào các bình, áp suất trong các bình đƣợc theo dõi qua đồng hồ (2). Áp suất nạp vào các bình không đƣợc vƣợt quá 50 at. Sau khi kết thúc nạp, tháo nguồn khí, van một chiều sẽ không cho khí từ các bình ra ngoài. Tuy nhiên để tránh rò rỉ khí, cần vặn nút đậy vào đầu nạp.
Khi mở khoá (4) khí từ các bình qua van giảm áp (5), áp suất giảm xuống còn 8 at. Khí tới van điều áp (6) và đƣợc điều chỉnh áp suất ra theo vị trí của núm điều chỉnh trên van, áp suất sau van đƣợc theo dõi qua đồng hồ (7). Khi điều chỉnh áp suất: kéo núm vặn ra, xoay núm theo chiều kim đồng hồ - áp suất tăng; ngƣợc chiều kim đồng hồ áp suất giảm. Sau khi kết thúc điều chỉnh, ấn núm vặn vào để khoá vị trí của núm. Khí sau van điều áp tới chờ ở các van điện từ với kim phun (8-13). Khi van nào đƣợc cấp điện một chiều 24 vol, nó cho khí đi qua phun ra ở vòi phun tƣơng ứng, sinh ra lực và tạo mô men điều khiển platfom. Khi ngừng cấp điện tới van, nó đóng không cho khí phun ra.
Sau mỗi lần kết thúc công việc, cần đóng khoá (4) để tránh rò khí và gây trở áp trên các thiết bị của hệ thống. Trong quá trình hệ thống làm việc, chú ý theo dõi sự rò rỉ khí và khắc phục bằng cách vặn chặt lại đầu nối có rò rỉ.
Điện áp điều khiển các van điện từ là điện một chiều 24 vol. điều khiển dạng xung, độ rộng xung không quá 0,5 s.
Áp suất nạp vào các bình chứa không đƣợc quá 50 at. Để xả áp suất các bình khí: mở khoá (4), cấp điện cho van điện từ bất kỳ, khí đƣợc xả ra qua kim phun.
RABIT-3000 Khuếch đại
công suất Valve điện từ
Hình 2.30: Hệ thống động cơ phản lực PLM-1 sau khi lắp đặt lên bộ mô phỏng ADCS
Hệ thống PLM-1 sau khi tích hợp lên bộ mô phỏng ADCS đã hoạt động bình thƣờng, đạt các chỉ tiêu kỹ thuật đặt ra, bƣớc đầu chứng tỏ tính hiệu quả vì đã tạo ra vận tốc góc nhanh hơn so với các bánh xe động lƣợng (vận tốc trung bình đạt 1.8 deg/s).
2.3.2 Bộ mô phỏng cảm biến hướng mặt trời SS-1
2.3.2.1 Chức năng:
SS-1 đo góc tầm (so với mặt phẳng ngang của platform) và góc phƣơng vị của vectơ nối từ điểm đặt cảm biến đến một nguồn sáng kích thƣớc nhỏ trong phòng so với một hƣớng chuẩn trên mặt đất (ví dụ: phƣơng Bắc).
2.3.2.2 Mô tả cấu tạo và vận hành của SS-1
Sơ đồ chức năng của SS-1 đƣợc trình bày nhƣ hình dƣới đây:
Hình 2.31: Sơ đồ chức năng của thiết bị SS-1 Khối cảm biến tín hiệu quang- điện tử Bộ biến đổi tín hiệu CPU 89C51RD2 Khuếch đại công suất Các cảm biến góc (encoders) Các môtơ điều khiển bám nguồn sáng nguồn sáng
Mạch giao tiếp với RABIT-3000
RABBIT - 3000
SS-1 thực chất là một hệ bám (tracking system) theo nguồn sáng cả về góc tầm và về góc hƣớng lắp liền với các cơ cấu đo góc (encoders). Các góc nói trên đƣa ra dƣới dạng số trong phần mềm của máy tính RABIT-3000 của trên bộ mô phỏng ADCS.
Về mặt cấu tạo, SS-1 bao gồm 4 bộ phận chính sau đây:
- Khối phía trên (điều khiển theo góc tầm);
- Khối phía dƣới (điều khiển theo góc hƣớng);
- Khối điều khiển
- Nguồn sáng (mô phỏng Mặt Trời).
Hình 2.32: Hình ảnh SS-1
Các hình trên đã mô tả hình ảnh bên ngoài của các bộ phận nói trên và SS-1 lắp trên platform của thiết bị mô phỏng ADCS.
Mô tả phần cơ khí của thiết bị
Thiết bị có cấu trúc nhƣ một khẩu pháo cao xạ có các cơ cấu quay góc tầm và hƣớng và có 2 bộ cơ cấu chấp hành: một bộ quay tầm và một bộ quay hƣớng. Trên trục công tác của bộ quay tầm có bố trí bộ cảm biến hƣớng ánh sáng (20). Mỗi bộ cơ cấu chấp hành bao gồm: hộp giảm tốc; động cơ bƣớc; encoder.
Bộ phận cảm biến hƣớng ánh sáng (20) cho tín hiệu để điều khiển các động cơ bƣớc (1) và thông qua hộp giảm tốc quay các trục công tác (12) sao cho nòng pháo luôn hƣớng vào tâm điểm của nguồn sáng. Các trục công tác (12) gắn chặt với các encoder (2), từ đó cho giá trị các góc quay tầm hƣớng.
Hình 2.33: Sơ đồ cấu tạo SS-1 và hộp giảm tốc
Mô tả phần điện tử và điều khiển của SS-1
Để thực hiện đƣợc chức năng cảm biến hƣớng mặt trời, SS-1 có cấu trúc phần điện tử nhƣ sau:
Hình 2.34: Cấu trúc phần điện tử của SS-1
Mảng cảm biến gồm 15 chiếc đƣợc lắp đặt sao cho khi hƣớng nguồn sáng “Mặt Trời” chiếu vuông góc với bề mặt thì chỉ có 1 cảm biến trung tâm nhận đƣợc tín hiệu, khi lệch trái thì chỉ các cảm biến trái nhận đƣợc, khi lệch phải, lệch trên, lệch dƣới cũng có hiện tƣợng tƣơng tự. Để thực hiện đƣợc điều này, các cảm biến kết hợp với các ống kim loại phải đƣợc gia công chính xác. Các ống đƣợc đặt với các góc có độ chính xác đến 0.20
. Qua mạch điều khiển CPU có thể đọc đƣợc trạng thái (bị chiếu hay không bị chiếu) của từng cảm biến. Các tín hiệu của cảm biến đƣợc đánh trọng số và so sánh giữa mảng trên với mảng dƣới, giữa mảng bên phải với mảng bên trái và kết luận hƣớng mặt trời lệch để quay động cơ bƣớc.
Encoder (2) Mạch giao tiếp với RABIT-3000
RABIT-3000 Sensor Array
(15 cảm biến)
Mạch điều khiển CPU
89C51RD2 (64Kbyte ROM) Mạch nạp chƣơng trình qua RS-232 Động cơ bƣớc Bộ khuếch đại công suất
CPU đƣợc chọn là Philip 89C51RD2 đủ thích hợp cho bài toán điều khiển cảm biến mặt trời. F clock chọn bằng 11.059Mhz cho phép CPU có tốc độ đủ lớn trong khi có thể chọn tốc độ giao tiếp qua cổng RS-232 để download chƣơng trình từ CPU xuống máy tính cũng nhƣ từ máy tính lên CPU mà không cần tháo CPU khỏi mạch điện nhờ phần mềm FlashMagic. Lập trình bằng MicroVision.
Mảng cảm biến xác định hƣớng lệch, trên cơ sở đó bộ phận điều khiển phát lệnh để các động cơ bƣớc chuyển dịch bộ cảm biến và đồng thời với nó là toàn bộ bệ máy theo hƣớng cần thiết. Tốc độ xử lý của CPU đủ để nó điều khiển động cơ bƣớc quay thông qua các cấp khuếch đại công suất. Khi động cơ bƣớc quay, kéo theo encoder quay. Đọc trạng thái của encoder qua 1 cổng 10 bít (2 bít ra và 8 bít vào) bằng 3 chu trình, CPU R-3000 có đƣợc thông tin về trạng thái của SS-1. Để kiểm soát đƣợc trạng thái (các góc) trong không gian của đối tƣợng điều khiển, chúng ta sử dụng encoder số loại 12 bit để đạt đƣợc độ chính xác cần thiết
SS-1 sử dụng 2 nguồn điện +5v và +12 V, tuy nhiên chỉ cần cung cấp đầu vào +12v. Bản thân thiết bị tự tạo +5v ổn định nhờ IC 7805. Công suất đầu vào ứng với 0.2A.
2.3.3 Mạch điều khiển từ xa và mạch công suất-chuyển mạch
Trong quá trình hoạt động của hệ thống, việc viết và nạp chƣơng trình cho vi xử lý Rabbit3000 khá phức tạp. Sau khi nạp xong chƣơng trình, cần reset lại vi xử lý Rabbit3000 để thực thi chƣơng trình mới vừa nạp xong. Việc reset này liên quan đến việc bật/tắt công tắc cấp nguồn cho Rabbit3000, mỗi khi bật/tắt sẽ có lực tác động lên bộ mô phỏng làm ảnh hƣởng đến hoạt động của hệ thống. Để tránh và giảm thiểu ảnh hƣởng của lực tác động không mong muốn này, một bộ mạch điều khiển từ xa đã đƣợc xây dựng và thiết kế. Bộ mạch điều khiển này đáp ứng các yêu cầu nhỏ gọn, hoạt động tốt, nhạy với tín hiệu điều khiển từ xa.
Hình 2.36 Mạch nguồn ổn định 5V của mạch thu
Hình 2.35 và Hình 2.36 là sơ đồ mạch nguyên lý của mạch điều khiển từ xa sử dụng. IC PT2249 sử dụng trong mạch nguyên lý này để giải mã tín hiệu hồng ngoại đƣợc phát ra từ mạch điều khiển từ xa sử dụng IC mã hóa tín hiệu PT2248 (Hình 2.37) tƣơng ứng, từ đó đƣa ra tín hiệu điện để đóng hoặc ngắt mạch nguồn ra. Nguồn vào và ra là điện một chiều 12V. Trên mạch điều khiển có 2 đèn led báo điện áp vào 5V và 12V, giúp dễ dàng nhận biết mạch điện hoạt động.
Hình 2.38 Mạch công suất - chuyển mạch
Hệ thống bộ mô phỏng bán vật lý đƣợc nâng cấp, tích hợp sử dụng một cơ cấu chấp hành là hệ thống phụt khí microthruster để điều khiển tƣ thế vệ tinh dựa trên bộ mô phỏng bán vật lý. Chân điều khiển của Rabbit3000 có điện áp ra 5V, trong khi điện áp để điều khiển đóng/mở các van từ của van phụt khí là 24V. Do đó, điện áp ra của chân điều khiển của Rabbit3000 không đủ để điều khiển cơ cấu chấp hành van phụt khí.
Mạch công suất - chuyển mạch sử dụng để điều khiển van phụt khí hoặc thanh từ lực là một giải pháp khác phục vấn đề nêu trên và nâng cao công suất, giúp cơ cấu chấp hành hoạt động ổn định hơn. Trong Hình 2.38, IC ULN2803 là một OPTO cách ly quang cung cấp điện áp ra 12V cho van phụt khí. Các chân đầu ra của IC ULN2803 lần lƣợt đƣợc đóng/mở tƣơng ứng với các chân đầu vào và các chân đầu vào đƣợc điều khiển bởi các chân điều khiển của Rabbit3000. Đầu vào chân điều khiển control I/O cho phép chuyển mạch điều khiển van phụt khí hoặc thanh từ lực khi có tín hiệu điều khiển; bộ phận chuyển mạch này thƣờng ở trạng thái đóng (điều khiển van phụt khí) khi đƣợc điều khiển thì chuyển sang trạng thái mở (điều khiển thanh từ lực). Các đèn led báo nguồn vào và nguồn ra cũng đƣợc thiết kế nhằm thuận tiện cho việc theo dõi và quan sát hoạt động của mạch. Các mạch đƣợc đặt trong hộp đựng đƣợc thiết kế nhằm phù hợp với kích thƣớc mạch điện điều khiển từ xa và mạch công suất. Hộp đựng nhỏ gọn thích hợp đặt trong không gian hẹp trên bàn mô phỏng, có tính thẩm mỹ với kích thƣớc 115×87×57mm. Nhựa PVC sử dụng làm vật liệu chế tạo hộp đựng có khối lƣợng nhỏ, giảm thiểu ảnh hƣởng khối lƣợng của hộp tới sự cân bằng của hệ mô phỏng bán vật lý.
2.3.4 Hệ thống cấp khí nén
Để bảo đảm hoạt động cho các bộ mô phỏng dựa khớp cầu đệm khí, hơn nữa lại đƣợc trang bị cơ cấu chấp hành động cơ phản lực nhƣ bộ mô phỏng ADCS, hệ thống cấp khí nén đóng vai trò quan trọng. Do vậy, luận văn đã đi đến thiết kế hệ thống cấp khí nén bao gồm 2 hệ thống cấp khí nén khác nhau: một hệ thống là cấp khí cho khớp