感度器における電磁干渉を最小化するための反応ホイールの設計

はじめに: 精密宇宙船の高度制御における電磁的課題

従って反応車輪は宇宙船の態度制御のworkhorses、防食剤をexpellingなしで望遠鏡、通信アンテナおよび科学的な器械のための良い指摘の正確さを可能にします。彼らの操作は角度の運動の保存に基づいています:電動機は回転子を回し、宇宙船は反対の方向で回します。この概念は優雅に、実用的な実装は重要な工学挑戦を:電磁妨害機(EMI)導入します。すべての反作用の車輪アセンブリは電気モーター、力、放射状物質および放射性物質を両方減らすために、放射状に測定器を発生させます。

反応ホイールにおける電磁干渉の根本原因

効果的な対策を設計するために、エンジニアはまず、反応ホイールシステム内のEMIのソースを理解しなければなりません。これらのソースは3つの広いカテゴリに分類されます。

1. モータードライブ電子工学

反応車輪は、通常、パルス幅調節(PWM)コントローラによって駆動されるブラシレスDCモータ(BLDC)または永久磁石同期モータ(PMSM)を使用します。高電流の急速な切り替え(多くの場合、10〜数百キロヘルツの周波数で)は、電力線に沿って移動し、周囲の環境に放射する高周波調和を生成します。急な電圧と電流エッジ(dVt/Istor)は、主流に、電力線に沿って移動し、周囲の環境に放射する高周波の高周波数の調和を生成します。

2. 回転子の不均衡および機械振動

一定速度で動作する完全にバランスの取れた回転子でさえ、近くの構造と組み合わせることができる機械振動を誘導します。直接電磁石ではなく、これらの振動はモーターに存在する磁場を調節し、マイクロホンノイズを生成したり、導電性ハウジング材料で渦電流を発生させることができます。さらに、ベアリング振動は導電性放電(ESD)イベントにつながり、導電性部品間の小さな相対的な動きを作り出すことがあります。

3. 接地および配線レイアウト

共有されたリターンパス、不十分なデカップリングおよび長個の保護されていないケーブルは、意図しないアンテナとして機能します。速度センサー、温度モニター、およびコマンドインターフェイスからのデジタル信号は、アナログ制御ループに結合し、クロストークと、機密サブシステムに放射または伝導する共通モード電流を作成できます。

[
キーインサイト:[]] 適切に設計された反応ホイールは、電気、機械、配線のすべての3つのソースカテゴリに対処する必要があります。干渉星トラッカーや低騒音の悲観センサーなどの機器に必要なサブマイクロボルトEMIレベルを達成するために。

EMIを最小化する基礎設計戦略

エンジニアは、システム理論上応用した際、EMI排出量を劇的に削減できる実証済みの技術スイートを開発しました。これらの方法は、コンポーネント選択からシステム統合まで、設計サイクル全体に及ぶものです。

4.1 シールドとエンクロージャ

物理的な障壁は電磁排出を含む最も有効な方法の1つを残します。反応車輪ハウジングは頻繁に高周波電気分野の保護のための高い機能材料(mu金属かPermalloyのような)から組み立てられます。極端な条件のために、結合された空気ギャップかフェライトによって荷を積まれる複合材料(銅、アルミニウム)と結合される供給の間隔の間隔のギャップが付いている多層シールドはおよびEMIの間隔を合わせる必要がありま。EMIの間隔を合わせるのにまたEMIのは避けます。

[例:] []]]ヘッシェル宇宙展望台]]は、量子ノイズ制限近くで動作する、その低温性ヘテロ受信機を保護するために、層状粘金属シールド付き反応ホイールを使用しました。

4.2 送電線のろ過および解凍

電力バスの排出は共通のEMIパスです。3段のフィルタートポロジーは典型的です:入力の共通モードチョークは、差動モードインダクタとX / Yコンデンサによって続きます。フィルタカットオフ周波数(通常、PWMの基礎の下)とコンポーネントのセルフレゾナント周波数の選択は、広帯域の減衰を保証します。ローカルデカップリングコンデンサ(電動およびセラミック)は、電流のループを低減し、モーターの回転数を制限します。

4.3 材料の選択および部品の選択

非磁性材料は、回転子シャフト、ベアリング、およびハウジングに好まれ、歪みのある周囲の磁場を避けます。セラミックベアリングまたはハイブリッドベアリング(セラミックボール付き鋼レース)は、渦電流損失を減らし、静電構造から潤滑剤誘発EMIを排除します。さらに、回転子構造用のカーボンファイバー複合材料を使用して、非導電性でありながら、それによって電気分野カップリングを最小限に抑える質量を減らすことができます。

4.4 操作戦略: 制御スピンプロファイルとソフトスタート

一時的なEMIは、安定した状態の排出よりも悪くなっています。徐々にモータ電流を増加させる「Soft-start」ランプは、ディ/ドットスイックを制限します。同様に、速度モード間の切り替え時に、リニア電流制御(直接PWMステップの代わりに)を使用して、磁気フラックストランジションを滑らかにすることができます。極端なシリュードの期間を持つミッションのために、反応ホイールは、一定の速度で動作するか、または完全に停止することができます(ゼロスピードホールド)、動的なEMIを排除するために、他のアクチュエータの間に、他のアクチュエータに依存します。

4.5 レイアウトとルーティングの最適化

騒音と感度回路の物理的な分離は基本的です。パワーエレクトロニクスは、アナログセンサーインターフェースから実用的な限りに位置するはずです。すべてのケーブルは、シールド、ツイストペア構造で、両端(高周波信号用)または単点(低周波数用)で地面のリターンで、地面が戻ります。PCB地上平面の適切なセグメンテーションは、アナログフロントエンドを汚染するデジタルノイズを防ぐ必要があります。星地質トポロジーは、アンテナとして機能する可能性がある接地ループを避けます。

次世代反応ホイールの先端技術

基礎戦略が有効である一方で、最近の革新は、特に主力科学の使命のために、電磁的に達成できるものの境界を押します。

アクティブキャンセルとフィルタリング

アクティブEMIのキャンセルは、干渉信号の反転したコピーを注入するために二次巻上げまたは補助センサーを使用して、ソースでキャンセルします。この技術は、両方の実行された一般的なモード電流と放射されたフィールドに適用することができます。フィルタリングされたx LMS(Least Mean Square)アルゴリズムなどの適応アルゴリズムは、ホイール速度が変化するような干渉の変化を追跡し、動作範囲全体でキャンセルの有効性を維持することができます。

ベアリングとレビテーションのスーパーコンダクタリング

高温超伝導体(HTS)は、回転子を物理的接触なしで支え、軸受の騒音および関連EMIを完全に排除する浮力力を発生させることができます。それでも実験中、HTSベアリングは、]LISA Pathfinderフォローオンミッションのような概念のための実験室の反応車輪で実証されています。機械振動の欠如は、また、敏感な機器にマイクロホンカップリングを削減します。

ガリウム窒化物(GaN)半導体との統合モータードライブ

GaNのようなワイドバンドギャップ半導体は、従来のシリコンMOSFETよりも低損失で高速な切り替え速度を提供します。しかし、より高速な切り替えは、慎重に管理されていない場合はEMIを増加させることができます。利点は、より小さい、より軽いフィルタを使用して、高度な変調機構(スプレッドスペクトルクロックなど)を広範囲に分散し、ピーク振幅を減らす機能からなります。GaNベースのドライブは、コンパクトな設計のためのスペース評価ホイールでます採用されています。

試験・検証・コンプライアンス

低EMIの設計は、戦闘の半分だけである。徹底的なテストは、実際のシステムが要件を満たしていることを検証します。標準手順は次のとおりです。

]電波暗室で放射状排出試験を発生させ、DCから複数のGHzまでの電磁場強度を測定します。
[] ラインインピーダンス安定化ネットワーク(LISN)を使用して電力線に排出試験[を誘導し、宇宙船の電力バスをシミュレートします。
] 応答ホイール制御電子機器が他のペイロードから、高出力送信機などの外部フィールドで破壊されていないことを確認するための、Susceptibility Testing[]]]。
[]トランジェントテスト](例えば、ESD、雷間接的な効果)が起動またはオン軌道イベント中に免疫を検証します。

ミル・スタッド-461 と ECSS-E-ST-20-07 は、宇宙システムのための一般的に呼び出された規格で、ミッションの電磁環境に制限を合わせています。

未来の方向:反応車輪および器械の共同設計

究極のEMI緩和戦略は、初期設計段階から相まって、反応ホイールと敏感な機器を組み合わせて扱うことです。この「co-design」アプローチは、次のとおりです。

ホイールの詳細な電磁モデルを機器チームと共有して、脆弱な周波数を特定します。
反応ホイール速度範囲を選択すると、調和のとれた楽器の動作バンド(例えば、ノッチフィルタや機械的ダイザーリングによる)を回避します。
ホイールのパワーと制御電子機器を専用の「キエットゾーン」内に統合し、さらなるシールドと分離された電源を提供します。

AIAA] など、従来のコンポーネントレベルのアプローチと比較して、システムレベルのEMIを20〜30dB削減できるという最近の研究が発表されています。

結論:科学のための電磁石純度の達成

反応ホイールからの電磁干渉を最小限に抑えることは、要求が厳しいが、解決可能なエンジニアリングの問題です。堅牢なシールド、慎重なフィルタリング、インテリジェントな材料選択、および高度なアクティブなキャンセルを組み合わせることで、エンジニアは、最も敏感な機器に無視できない影響で動作する反応ホイールアセンブリを作成することができます。宇宙ミッションは、あらゆる意味で正確な測定をターゲットにしています。地球の光線を遠方から遠方光線にまで、設計の原則は重要性でのみ成長します。報酬は、有益です。宇宙空間は、自己の秘密の要素を解除することなく、宇宙空間を解除することができます。