CN104143947B - 一种感应式反作用动量球系统 - Google Patents

Abstract

一种感应式反作用动量球系统，包括反作用动量球模块、位移检测与驱动电路、转速检测模块以及控制系统。反作用动量球模块由球形转子(1)以及布置在球形转子(1)周围的线圈电极笼(2)组成。球形转子(1)由线圈电极笼(2)产生的交变磁场进行悬浮与旋转驱动。转速检测模块包括转速检测探头(3)和转速检测电路，转速检测模块测得球形转子(1)的转速。位移检测与驱动电路中的位移检测部分测得球形转子(1)的相对位移。控制系统根据采集到的球形转子(1)的转速和位移信息产生控制信号，经位移检测与驱动电路中的驱动部分对线圈电极笼(2)的电流进行控制，通过改变交变磁场来实现对球形转子(1)的反馈控制。

Description

一种感应式反作用动量球系统

技术领域

本发明涉及一种用于卫星姿态调节的反作用动量球系统。

背景技术

目前，反作用飞轮动量交换系统是航天器姿态控制，特别是航天器三轴精密姿态控制的主要方式。然而为完成航天器三轴的姿态控制，需要至少三套飞轮按正交方式安装，在此基础上如果希望增加冗余度，那么还需要配合使用更多的飞轮，由此带来系统的质量、功耗及效率等方面的局限。此外，各轴飞轮之间还需要发生频繁的动量交换，由于轴与轴承之间存在摩擦，系统的控制精度和寿命受到了很大限制。

公开号为WO2010117819A1，名称为Reaction sphere for spacecraftattitude control(航天器姿态控制反作用球)的专利公开了一种反作用球，其反作用球的电磁极笼由20个电极按切去顶点的正20面体的空间位置布置，通过感应电机的原理驱动球形转子，可实现任意方向上的角动量交换，完成航天器的任意姿态角的控制。但是，该发明采用的20面体的电极布置方式，在实施动量交换的控制时需要经过较为复杂的解算过程，占用较大的计算资源，不利于航天器姿态控制的时间性要求。同时，该反作用球的球形转子采用单一的铜材料制作，易被氧化影响导电性，使得感应电流微弱，驱动效率低。另外，为了监测球形转子的位移和转速，需要额外的位移传感器及转速传感器，使得系统的体积、质量和功耗显著增加，降低了功能密度比，不利于用在微小卫星上。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种结构简单、体积小、高功能密度比、驱动性能稳定、驱动与检测一体化、解耦控制简便的反作用球系统。

本发明的技术解决方案是：一种感应式反作用动量球系统，包括反作用动量球模块、位移检测与驱动电路、转速检测模块以及控制系统，其中：

反作用动量球模块：包括球形转子以及布置在球形转子周围的线圈电极笼；所述的线圈电极笼由12个圆柱形的线圈构成，12个线圈均匀分布于球形转子的周围，12个线圈每四个一组构成相互正交的三组；

转速检测模块：用于对球形转子的转速进行检测，得到用于表征球形转子的全角速度的电压信号；

位移检测与驱动电路：将控制系统输出的正弦控制信号进行放大后作为球形转子的驱动电压送至各线圈；利用所述的驱动电压作为位移检测的激励电压，采用电涡流传感器原理检测获取球形转子的球心偏离线圈电极笼中心的位移；

控制系统：从转速检测模块获取用于表征球形转子的全角速度的电压信号，从位移检测与驱动电路获取球形转子的球心偏离线圈电极笼中心的位移，根据控制目标形成正弦控制信号并对正弦控制信号的频率、幅值和相位进行调整，从而对球形转子的转速和位移形成反馈控制。

所述的球形转子为实心球体或者空心球壳，球体或者球壳的表面为抗磁性材料，而球体或者球壳内部为软磁性材料。所述的抗磁性材料的表面上镀金。

所述的转速检测模块包括转速检测探头和转速检测电路，其中转速检测探头又包括发光二极管、光学镜片及COMS相机；光学镜片的光轴过球形转子的中心，发光二极管通过光学镜片照亮球形转子的表面，COMS相机获取球形转子的表面影像并送入转速检测电路；转速检测电路采用图像相关算法比对前后两个时刻的影像信息，得出球形转子的表面切向的位移，以及沿光学镜片光轴的转动角度，结合图像的采样频率以及球形转子的半径得到球形转子的全角速度，并输出电压信号作为球形转子的全角速度的表征。

所述的位移检测与驱动电路至少三路检测通道，每一路检测通道又包括一对关于球形转子的中心对称布置的两个线圈，与球形转子构成差动位移检测方式，每一路检测通道中的一个线圈配置有电感检测电路，获取球形转子的位移信号。

所述的线圈电极笼的12个线圈均配置有备份线圈，12个备份线圈也均匀分布于球形转子的周围，12个备份线圈每四个一组构成相互正交的三组，且同一组线圈中的每两个相邻的线圈之间布置一个备份线圈。12个线圈同时通电工作，或者12个备份线圈同时通电工作，或者12个线圈和12个备份线圈同时通电工作。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明中的状态检测装置简单、驱动方式灵活精确，控制简便高效，具有高功能密度比且便于轻小型化的特点，尤其适用于立方星、微小卫星等星体上作为姿态控制系统；

2)本发明的线圈电极笼中，均匀分布于球形转子周围的12个线圈每四个一组构成相互正交的三组，相比于20面体的拓扑结构，本发明中的线圈组组间无耦合，控制简便；

3)本发明中的驱动线圈可复用为位移检测探头，驱动电压可复用为检测的激励信号，实现了驱动检测的一体化，提高了功能密度比，便于实现小型化；

4)本发明中的驱动电压可通过调频调幅精确灵活地控制球形转子的启停及转动，利用球形转子的反作用力矩能实现卫星的高精度高稳定指向控制；

5)本发明中的反作用球的球表面用抗磁性材料而球体内用软磁性材料，能提供更强更平稳的驱动力矩。球表面镀金可防氧化对球形转子导电性的影响，从而保证系统性能的稳定；

6)本发明中采用图像相关算法进行球形转子的转速检测，只需一个小型低像素的CMOS相机便可实现球形转子全角速度的检测，结构简单，便于实现集成；

7)本发明中采用差动电涡流传感器原理进行球形转子的位移检测，比传统电涡流传感方式有更高的线性度；

8)本发明中的12线圈电极笼可拓展为24线圈电极笼，所拓展的12线圈既实现冗余备份，又可协同原12线圈工作增强球形转子的驱动能力。

附图说明

图1为本发明系统的组成原理图；

图2为本发明反作用动量球模块组成示意图；

图3为本发明反作用动量球悬浮驱动原理图；

图4为本发明反作用动量球旋转驱动原理图；

图5为本发明反作用动量球转速检测原理图；

图6为本发明反作用动量球位移检测与驱动一体化控制原理图。

具体实施方式

本发明的感应式反作用动量球系统主要包括四个组成部分：反作用动量球模块、位移检测与驱动电路、转速检测模块以及控制系统。

反作用动量球模块是本系统的核心组件，由球形转子1以及布置在球形转子1周围的线圈电极笼2组成。球形转子1由线圈电极笼2产生的交变磁场进行悬浮与旋转驱动。转速检测模块包括转速检测探头3和转速检测电路，转速检测模块测得球形转子1的转速。位移检测与驱动电路中的位移检测部分测得球形转子1的相对位移。控制系统根据采集到的球形转子1的转速和位移信息产生控制信号，经位移检测与驱动电路中的驱动部分对线圈电极笼2的电流进行控制，通过改变交变磁场来实现对球形转子1的反馈控制。球形转子1对线圈电极笼2的反作用，可驱动与线圈电极笼2固结为一体的载体，如卫星本体。

如图2所示，本发明中的反作用动量球模块由球形转子1和线圈电极笼2组成。球形转子1由导电性良好的抗磁性材料制成，可选择铜、铝等。球形转子1可做成实心球体或空心球壳，还可以将球体或者球壳表面用抗磁性材料，而球体或者球壳内部用软磁性材料以增强驱动力矩。此外，为了防止氧化对导电性的影响，还可在球体或者球壳的表面镀金。根据动量交换的大小需求以及星上可用空间决定球形转子1的大小，例如用于立方星中可取球体直径为40mm。

线圈电极笼由12个圆柱形的线圈构成(以C1，C2，…，C12表示)，均匀分布于球形转子1的周围，即假想的一个中心与球形转子1的球心重合边长与球形转子1直径相同的立方体的12条棱边的中间位置，其在球坐标系的空间坐标为：C1(r+d₀，α+0°，90°)，C2(r+d₀，α+90°，90°)，C3(r+d₀，α+180°，90°)，C4(r+d₀，α+270°，90°)，C5(r+d₀，α+45°，45°)，C6(r+d₀，α+225°，45°)，C7(r+d₀，α+225°，135°)，C8(r+d₀，α+45°，135°)，C9(r+d₀，α+135°，45°)，C10(r+d₀，α+315°，45°)，C11(r+d₀，α+315°，135°)，C12(r+d₀，α+135°，135°)，其中r为球形转子1的半径，d₀为各线圈与球形转子1的间隙，α为任意角度。

当然，也可以布置为C1^*(r+d₀，α+45°，90°)，C2^*(r+d₀，α+135°，90°)，C3^*(r+d₀，α+225°，90°)，C4w(r+d₀，α+315°，90°)，C5^*(r+d₀，α+0°，45°)，C6^*(r+d₀，α+180°，45°)，C7^*(r+d₀，α+180°，135°)，C8^*(r+d₀，α+0°，135°)，C9^*(r+d₀，α+90°，45°)，C10^*(r+d₀，α+270°，45°)，C11^*(r+d₀，α+270°，135°)，C12^*(r+d₀，α+90°，135°)。

12个线圈中，每个线圈由漆包线环圆柱形铁芯绕制而成，线圈的轴线均沿球形转子1的径向方向并通过球形转子1的球心。在线圈中通以交流电，每个线圈可单独产生斥力实现球形转子1悬浮于线圈电极笼2的中心。12个线圈又可按沿球形转子1的大圆周分布分为正交的3组(C1～C4一组，C5～C8一组，C9～C12一组)，每组的4个线圈通以相差90度的正弦交流电，可产生扭矩驱动球形转子1转动，实现动量交换。正交的3组线圈的组合可实现球形转子1沿空间的任意轴转动，从而实现任意向的动量交换。

线圈电极笼2与球形转子1之间留有一定间隙，当球体直径为40mm时，可设计线圈电极笼2与球形转子1的标称间隙为1mm，此间隙可根据加工精度、球体大小、驱动需求进行适当调整。线圈的直径约为球体或者球壳半径的1/4，以球体大圆周向能布置8个线圈为参考来决定线圈半径，实际中其大小还需要根据驱动能力需求、线圈导线半径，最大驱动电流来综合决定。

为实现冗余设计，可以将两套线圈按布置方式都装配上去，即共有24个电极。每个线圈中带有圆柱形软磁性铁芯以增强驱动能力。

如图3a所示，本发明中的平动驱动采用交变电流产生的电磁感应悬浮原理。线圈电极笼2中的线圈通以交变的电流I，产生交变的磁场B，交变的磁场会产生感应电场E，从而在球形转子1的表面感应出涡电流I_e。I与B相差0°，E相比B滞后90°，又由于球形转子1表面的电阻和电感效应，使得I_e比E滞后一定的相位θ。设球形转子1表面的等效电阻为R_e，等效电感为L_e，则其阻抗角为θ＝tan-1(ωL_e/R_e)，ω为驱动电流角频率。因此，涡电流I_e与线圈上的电流I之间的相位差为(90+θ)°，二者流向相反的时间占的比例较大，如图3b中A和C区所占时间比B和D区所占时间要长，相互作用力的净效果表现为斥力，从而对球形转子1产生一个向上的悬浮力。因此，球形转子1的导电性越好，则等效电阻R_e就越小，θ越接近90°，产生的悬浮力越大。最理想情况下当所用球形转子1为超导体时，电阻R_e＝0，θ＝90°，I_e与螺线管上的电流I之间的相位差为180°，在一个周期内始终为斥力，产生的悬浮力最大。

如图4所示，为本发明的转动驱动原理示意图(只画出绕某一轴的旋转驱动)，它采用感应电机原理，具体过程如下：

1、旋转磁场的产生：同一组的四个线圈中通以相同频率ω(周期为T)但相位相差90°的正弦交流电，如图4左上角四个线圈①②③④中的电流相角分别为0°，90°，180°，270°，此时由四个线圈产生的合成磁场指向①号线圈；线圈中正弦电流的相角随着时间的变化而变化，其合成磁场也会随之转动，经过1/4周期后到达图4右上角的状态，四个线圈①②③④中的电流相角分别为90°，180°，270°，0°，此时由四个线圈产生的合成磁场指向②号线圈；同理，到达图4右下角状态时由四个线圈产生的合成磁场指向③号线圈，到达图4左下角中的状态时由四个线圈产生的合成磁场指向④号线圈，然后再又回到图4左上角的状态，实现磁场的一整周旋转，磁场的转速与电流频率一致为ω。

2、电磁扭矩驱动：旋转的磁场会使球形转子1上产生电涡流，根据楞次定律可知电涡流在磁场中的受力效果是使球形转子1跟随旋转磁场转动，以阻碍磁场相对球形转子1的旋转。驱动扭矩的大小与旋转磁场和球形转子1的转速差成正比，当球形转子1的转速达到磁场的转速ω时，二者转速差为0，此时旋转磁场不再对球形转子1产生力的作用，球形转子1保持转速ω。

如图5所示，为本发明的转速检测模块示意图，主要包括转速检测探头3和转速检测电路，其中转速检测探头3由发光二极管4、光学镜片5及COMS相机6组成。发光二极管4通过光学镜片5照亮球形转子1的表面，光学镜片5可采用光电鼠标中的光路结构。COMS相机6获取球形转子1的表面微小范围的影像，然后将图像信息送入到转速检测电路中。转速检测电路采用相关算法比对前一时刻和当前时刻图像信息，可以得出球形转子1的表面切向的移动的方向和位移以及观测轴(沿光学镜片轴并过球形转子1的中心)上的转动角度，位移和转动角度再乘以图像的采样频率便可得到垂直于观测轴的移动速度和以观测轴为转轴上的角速度，进一步结合已知的球形转子1的球半径参数可将切向速度转化为垂直于观测轴的角速度，从而利用两个角速度可得到球形转子1的全角速度。转速检测电路输出V_wx、V_wy、V_wz，作为表征全角速度的电压信号送给控制系统。上述方法具体可参考“孙卜郊，周东华，基于NCC的存在旋转的图像匹配方法【J】，传感器与微系统，2008，27(5)：43-48.”的相关内容。需要说明的是，可测量的最大角速度与COMS相机6的成像视场的大小以及拍照的频率有关，视场越大，拍照频率越高可测的最大角速度越大。在确定COMS相机6的情况下，可通过更改光学透镜5的放大比率来调整最大可测角速度。角速度的分辨率与COMS相机6上的像素分辨率以及光学透镜5的放大比率有关，像素分辨率越高，放大比率越小，则角速度分辨率越优。

如图6所示为本发明的位移检测与驱动一体化原理图，图中只画出一个通道，可从6对线圈中任取3对相对的线圈便可形成全位移检测，也可采用多于3对相对的线圈做位移检测，综合多路信息可更好的估计球转子的位移。

位移检测与驱动电路由与每一个线圈电感相匹配的电容、限流电阻、电流放大器以及检波电路组成。球形转子1与线圈实际等效为一电感L，在电路中输入交流信号，信号的频率由等效电感和匹配电容决定(由二者谐振频率决定)，经电流放大器放大加载到线圈中实现驱动。球形转子1与线圈组成的等效电感随球形转子1与线圈的相对位置不同而不同。因此，利用驱动信号作为激励信号，通过检波电路测出等效电感的变化，可以提取到球形转子1在线圈电极笼中的相对位置。

控制系统由AD转换器，DSP及DA转换器组成。通过AD转换器采集检波电路的输出电压，由DSP采集到的球形转子1的转速(V_wx、V_wy、V_wz表征)和位移(由V_U、V_D表征)，对比指定的控制目标，计算出控制各个线圈中正弦控制信号的频率、幅值和相位，经电流放大器放大后产后正弦驱动信号形成闭环反馈控制，实现反作用动量球的三轴稳定悬浮和三轴正反向转动，同时，此正弦驱动信号复用为检测的激励信号。

球形转子1与线圈构成电涡流传感器，由电涡流传感器的测距原理知当球形转子1偏离线圈电极笼2的对称中心时，会改变与偏离方向上的线圈形成的等效电感，从而引起电路上电信号的改变，通过检波电路检测出电信号的变化便可表征球形转子1的偏离位移。设球形转子1在对称中心时，上下两路的检波电路的输出V_U、V_D均为V₀。当球形转子偏移中心位移为z时，V_U、V_D的输出分别为

V_U＝V₀+V_z (1)

V_D＝V₀-V_z (2)

其中，V_z为由球形转子1偏移z引起的电压变化，在一定偏移范围内，电压V_z与z成线性关系，设比例因子为k，即有：

V_z＝k□z (3)

结合(1)～(3)式，因此，

$z=\frac{V_0-V_D}{k}---\left(4\right)$

或

$z=\frac{V_U+V_0}{k}---\left(5\right)$

由于线圈的布置关于球心对称，因此，可利用差动信息提高位移检测的线性度，联立(4)、(5)式，可得

$z=\frac{V_U-V_D}{2k}---\left(6\right)$

等效电感的检测不限使用图中所示的检波电路，亦可替换为其它电感检测电路。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种感应式反作用动量球系统，其特征在于：包括反作用动量球模块、位移检测与驱动电路、转速检测模块以及控制系统，其中：

反作用动量球模块：包括球形转子(1)以及布置在球形转子(1)周围的线圈电极笼(2)；所述的线圈电极笼(2)由12个圆柱形的线圈构成，12个线圈均匀分布于球形转子(1)的周围，12个线圈每四个一组构成相互正交的三组；

转速检测模块：用于对球形转子(1)的转速进行检测，得到用于表征球形转子(1)的全角速度的电压信号；

位移检测与驱动电路：将控制系统输出的正弦控制信号进行放大后作为球形转子(1)的驱动电压送至各线圈；利用所述的驱动电压作为位移检测的激励电压，采用电涡流传感器原理检测获取球形转子(1)的球心偏离线圈电极笼(2)中心的位移；

控制系统：从转速检测模块获取用于表征球形转子(1)的全角速度的电压信号，从位移检测与驱动电路获取球形转子(1)的球心偏离线圈电极笼(2)中心的位移信号，根据控制目标形成正弦控制信号并对正弦控制信号的频率、幅值和相位进行调整，从而对球形转子(1)的转速和位移形成反馈控制。

2.根据权利要求1所述的一种感应式反作用动量球系统，其特征在于：所述的球形转子(1)为实心球体或者空心球壳，球体或者球壳的表面为抗磁性材料，而球体或者球壳内部为软磁性材料。

3.根据权利要求2所述的一种感应式反作用动量球系统，其特征在于：所述的抗磁性材料的表面上镀金。

4.根据权利要求1所述的一种感应式反作用动量球系统，其特征在于：所述的转速检测模块包括转速检测探头(3)和转速检测电路，其中转速检测探头(3)又包括发光二极管(4)、光学镜片(5)及COMS相机(6)；光学镜片(5)的光轴过球形转子(1)的中心，发光二极管(4)通过光学镜片(5)照亮球形转子(1)的表面，COMS相机(6)获取球形转子(1)的表面影像并送入转速检测电路；转速检测电路采用图像相关算法比对前后两个时刻的影像信息，得出球形转子(1)的表面切向的位移，以及沿光学镜片(5)光轴的转动角度，结合图像的采样频率以及球形转子(1)的半径得到球形转子(1)的全角速度，并输出电压信号作为球形转子(1)的全角速度的表征。

5.根据权利要求1所述的一种感应式反作用动量球系统，其特征在于：所述的位移检测与驱动电路包括至少三路检测通道，每一路检测通道又包括线圈电极笼(2)中的一对关于球形转子(1)的中心对称布置的两个线圈，与球形转子(1)构成差动位移检测方式，每一路检测通道中的一个线圈配置有电感检测电路，获取球形转子(1)的位移信号。

6.根据权利要求1所述的一种感应式反作用动量球系统，其特征在于：所述的线圈电极笼(2)的12个线圈均配置有备份线圈，12个备份线圈也均匀分布于球形转子(1)的周围，12个备份线圈每四个一组构成相互正交的三组，且同一组线圈中的每两个相邻的线圈之间布置一个备份线圈。

7.根据权利要求6所述的一种感应式反作用动量球系统，其特征在于：所述的12个线圈同时通电工作，或者12个备份线圈同时通电工作，或者12个线圈和12个备份线圈同时通电工作。