CN104158431B - 一种静电悬浮式天基超静平台系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种静电悬浮式天基超静平台系统包括宁静参考系统、载荷平台、星上电极腔、电容检测电路、数字控制系统、驱动电路以及微推进器；宁静参考系统通过真空腔体底座与载荷平台固结为一个整体；星上电极腔固定在卫星本体上；载荷平台悬浮于星上电极腔内，可被星上电极腔上通过静电力驱动，跟踪参考质量块运动；电容检测电路可获取载荷平台在星上电极腔内的相对位置；数字控制系统产生静电力和微推进器的控制信号；驱动电路将静电力加载到星上电极腔上驱动载荷平台跟踪参考质量块，实现第一级无拖曳控制；微推进器驱动卫星本体及星上电极腔跟踪载荷平台，实现第二级无拖曳。本发明结构简单、驱动力精确可控、低刚度甚至零刚度耦合，对高低频段的微振动均可有效抑制。

Description

一种静电悬浮式天基超静平台系统

技术领域

本发明涉及一种静电悬浮式天基超静平台系统，属于空间减振隔振技术领域。

背景技术

随着高分辨率空间遥感、超远距离激光通信和深空望远镜等空间探测活动的不断深化，卫星上所携带的有效载荷越来越精密，卫星的微振动效应成为对载荷性能不可再忽略的制约因素。目前，星上微振动的主动抑制方式主要有卫星无拖曳控制和采用压电式或超磁致伸缩式超静平台。但是，前者主要针对星外低频非保守力的扰动，克服不了高频微振动，后者结构复杂，本质上是种针对地面应用的隔振平台，不能很好满足星上精密载荷对平台稳定性日益苛刻的需求。

公开号为CN102710179A，名称为主动控制型磁悬浮隔振平台的专利公开了一种隔振平台。其发明中通过永磁体的磁场力实现平台的悬浮隔振，并解决了现有隔振平台存在固定频率的缺点。但是，该发明中作为悬浮力产生源的永磁体在受到机械冲击或是温度冲击时会产生退磁甚至消磁，使得悬浮力不稳定或消失。而且其特点为适应于重载荷使用，在卫星上失重环境下的减振并不需要高刚度承重，刚度越高，则带宽越高，从卫星本体上传递到平台上的振动能量也越大，尤其是高频振动会显著增加。采用较高刚度的连接材料实际上是一种适用于地面的减振平台设计方式刚度高，对于星上失重环境下并不需要高刚度支承平台，刚度太高反而不利于实现高精度减振。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种超静平台系统，具有结构简单、驱动力精确可控、低刚度甚至零刚度耦合、双级无拖曳架构、主被动减振一体化的特点，有效抑制在轨卫星微振动对载荷平台的影响。

本发明的技术解决方案是：一种静电悬浮式天基超静平台系统包括：宁静参考系统、载荷平台、星上电极腔、电容检测电路、数字控制系统、驱动电路以及微推进器；其中：

宁静参考系统又包括参考质量块、真空腔、真空腔底座、位移传感器；宁静参考系统通过真空腔体底座与载荷平台固结为一个整体；参考质量块无机械连接地悬浮在真空腔内，作为宁静参考源运行于纯地球引力轨道上；位移传感器检测参考质量块在真空腔内的相对位移，并将检测得到的信号输出给数字控制系统；

星上电极腔固定在卫星本体上，其内壁铺覆有十二块电极，与载荷平台上的电极形成电容对；

载荷平台悬浮于星上电极腔内，用于安装宁静参考系统以及搭载超精密仪器；载荷平台外表面铺覆有十二块电极，可被星上电极腔上的电极通过静电力实现六自由度驱动，使其跟踪参考质量块运动，构成第一级无拖曳；

电容检测电路根据电容与电极间隙的物理关系，通过检测电容可获取载荷平台在星上电极腔内的相对位置，并将检测得到的信号输出给数字控制系统；

数字控制系统根据位移传感器和电容检测电路的输出，经控制算法处理后(PID控制算法)产生静电驱动力和微推进器的控制信号；

驱动电路将数字控制系统产生的静电力控制信号放大，并加载到星上电极腔的电极上，形成静电力，驱动载荷平台跟踪参考质量块，维持参考质量块在真空腔中的相对位置不变，实现载荷平台的第一级无拖曳控制；

微推进器可对卫星本体实现六自由度驱动，根据数字控制系统的微推进器控制信号产生微推力，驱动卫星本体及星上电极腔跟踪载荷平台，实现卫星本体的第二级无拖曳。

所述宁静参考系统中的参考质量块自由悬浮于真空腔，其位移检测采用无接触式位移传感器，确保参考质量块只受地球引力支配，运行于纯引力轨道上，从而可作为整个系统的宁静参考源。

所述参考质量块悬浮在真空腔内，与真空腔间隙约为10um～1mm。

所述参考质量块为导电材料制成，为立方体，尺寸为4cm×4cm×1cm或4cm×4cm×4cm。

所述载荷平台受外力扰动时，由星上电极腔发生高带宽、精确可控的静电力补偿扰动力，使载荷平台跟踪参考质量块，保持二者的相对位置，实现第一级无拖曳主动减振，抑制高低频段上的微振动，实现载荷平台的超静。

所述卫星本体受外力扰动时，由微推进器发生微推力补偿扰动力，使卫星本体跟踪载荷平台，保持二者的相对位置，实现第二级无拖曳，利用二者间的极低静电负刚度实现被动隔振，极大衰减卫星本体对载荷平台的振动耦合，实现载荷平台的超静。

所述载荷平台的表面电极通过电气连接成为一等势体，与星上电极腔形成差分电容。

所述星上电极腔与载荷平台间构成的电容可复用于载荷平台的位置检测和驱动：通过差动电容检测可得到载荷平台在星上电极腔内的相对位置；另一方面，通过在星上电极腔的电极上施加电压可与载荷平台间形成静电力，可对载荷平台实现六自由度的驱动控制，作为载荷平台减振的控制力，实现载荷平台的超静。

通过调整加载到星上电极腔上的预载电压和控制电压，可对天基超静平台系统进行系统重构，改变载荷平台的动态特性，使载荷平台的超静性能更优。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明结构简单，不需要如压电晶体、磁致伸缩等材料作为驱动器，可减小智能材料特性退化造成的风险。在载荷平台及装载荷平台的腔表面合适位置铺覆上电极，施加便可形成静电力驱动，空间利用率高。

(2)本发明中通过静电悬浮隔离载荷平台与卫星本体，由微推进器驱动卫星本体跟踪载荷平台，实现第一级无拖曳。卫星本体与载荷平台二者间的静电负刚度非常低，极低的静电负刚度能有效抑制卫星本体上的振动耦合到载荷平台上，对高频振动尤其有效。本发明中的载荷平台由静电力驱动跟踪参考质量块实现第二级无拖曳，而静电力具有精确可控、频带宽的特性，因而能有效迅速地抑制载荷平台的微振动。静电力与微推力的控制由数字控制系统协同控制，构成双级无拖曳控制，实现载荷平台的超静。

(3)本发明中利用极低的静电负刚度实现被动隔振，并利用静电力驱动实现主动减振，主被动减振隔振一体化实现。

(4)本发明中的载荷平台被分布式静电力驱动，相比传统机械驱动的集总方式可大大减弱局部受力，避免应力过大产生不可逆的损坏。

(5)本发明中的静电力动态特性由施加在电极上的电压所决定，电学量具有控制灵活易调整的特点，可通过电压加载方式的改变而重构整个平台系统减振隔振的特性。

(6)电磁悬浮驱动中的线圈通电会发热，而压电陶瓷及超磁致收缩材料有机械摩擦的内耗发热。本发明中的静电力几乎无热效应，热应力的影响微弱，使平台具有良好的热稳定性，并可实现低功耗。

(7)本发明的载荷平台悬浮在星上电极腔内，从而星上电极腔可为载荷平台屏蔽掉很大部分的空间非保守力，极大衰减空间非保守力对载荷平台的扰动。

(8)本发明加载到星上电极腔上的预载电压和控制电压可灵活方便地调整，从而能针对扰动力的频段、幅值等的不同，对载荷平台的动态特性进行重构，使载荷平台的超静性能更优。

附图说明

图1为本发明应用于搭载高分航天相机的系统组成示意图；

图2为本发明宁静参考系统结构示意图图；

图3为本发明中本发明中的两级无拖曳的驱动执行部分；

图4为本发明的系统工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的工作原理和工作过程做进一步解释和说明。

如图1所示，本发明一种静电悬浮式天基超静平台系统包括：宁静参考系统，载荷平台2，星上电极腔3，电容检测电路、数字控制系统、驱动电路，微推进器5以及安装于载荷平台上的高精度仪器高分航天相机4，其中：

如图2所示，宁静参考系统又包括参考质量块、真空腔、真空腔底座、位移传感器，宁静参考系统采用静电悬浮加速度计1。

作为宁静参考系统的静电悬浮加速度计1通过真空腔体底座与载荷平台固结为一个整体；参考质量块无机械连接地悬浮在真空腔内；位移传感器检测参考质量块在真空腔内的相对位移，并将检测得到的信号输出给数字控制系统。宁静参考系统中的参考质量块自由悬浮于真空腔，其位移检测采用无接触式位移传感器，确保参考质量块只受地球引力支配，运行于纯引力轨道上，从而可作为整个系统的宁静参考源。

由于外界干扰力(如太阳风，大气阻力等)都被真空腔7所屏蔽，因此参考质量块6可作为宁静参考源运行于纯地球引力轨道上。真空电极腔7的腔形根据参考质量块6的形状可为立方体，典型尺寸为4cm×4cm×1cm或4cm×4cm×4cm，真空腔7腔内边长比参考质量块6对应边长略大以容纳参考质量块6，二者间的间隙可设置为10um～1mm。参考质量块为导电材料制成。

真空腔7内壁上铺覆有多块电极，电极布置方式为：上下壁各有四块，前后左右壁各有两块，可参考“胡明，白彦峥，祝竺，吴书朝，周泽兵.基于八对差分电容极板的静电悬浮加速度计的设计，大地测量与地球动力学【J】，第32卷第5期：154-159”，电极与参考质量块6构成差动电容对，通过电容检测电路作为参考质量块1在真空电极腔内的的位移传感器，可得知参考质量块6在真空电极腔7内的相对位置。整个静电悬浮加速度计1工作在位移模式，即只检测参考质量块6的相对位移而不通过真空电极腔7上的电极驱动对其进行控制。

电容检测电路根据电容与电极间隙的物理关系，通过检测电容可获取载荷平台在星上电极腔内的相对位置，并将检测得到的信号输出给数字控制系统；电容检测电路为六路差动电容检测电路。

数字控制系统根据位移传感器和电容检测电路的输出，经控制算法处理后(PID控制算法)产生静电驱动力和微推进器的控制信号。

驱动电路将数字控制系统产生的静电力控制信号放大，并加载到星上电极腔的电极上，形成静电力，驱动载荷平台跟踪参考质量块，维持参考质量块在真空腔中的相对位置不变。

如图3所示为本发明中的两级无拖曳的驱动执行部分。载荷平台2悬浮在星上电极腔内，用于安装宁静参考系统以及搭载超精密仪器，载荷平台外表面铺覆有十二块电极，可被星上电极腔上的电极通过静电力实现六自由度驱动，使其跟踪参考质量块运动；星上电极腔固定在卫星本体上，其内壁铺覆有十二块电极，与载荷平台上的电极形成六对电容对。二者间的静电力作为第一级无拖曳的驱动力，用于驱动载荷平台2跟踪参考质量块6。

卫星上的微推进器5可对卫星本体实现六自由度驱动，根据数字控制系统的微推进器控制信号产生微推力，驱动卫星本体及星上电极腔跟踪载荷平台2，实现卫星本体的第二级无拖曳。

星上电极腔4的电极布置方式与静电悬浮加速度计的电极布置方式一样，但可将上(下)面某相邻两块电极组成一块，前(后)面的两块电极组成一块，形成共六对电极。载荷平台2的表面电极通过电气连接成为一等势体，与星上电极腔4形成六对差分电容，既可通过差动电容检测电路对载荷平台2进行位置和姿态的检测，又可通过在电极上加电实现对载荷平台2的六自由度驱动控制。微推进系统应当具有对卫星本体六自由度驱动的能力。

如图4所示为本发明中一个平动自由度上微振动抑制的双级无拖曳原理图。其它自由度上的微振动抑制与此相同。

第一级：当无外界扰动时，参考质量块6保持在真空电极腔7的中心位置。当载荷平台2受到非保守力(太阳风、大气阻力等以及星上振动耦合)的扰动时，与载荷平台2固连的静电悬浮加速度计1的电极腔7相对其内的参考质量块6会有位移，数字控制系统根据静电悬浮加速度计1的位移检测电路检测到的位移发出控制信号，经驱动电路放大后加载到星上电极腔3的电极上，产生静电力驱动载荷平台2跟踪静电悬浮加速度计内的参考质量块6，使参考质量块6始终保持在真空电极腔7的中心位置，以补偿外界扰动力对载荷平台的振动影响。

第二级：当无外界扰动时，载荷平台2保持在星上电极腔3的中心位置。当星上电极腔3亦即卫星本体受到非保守力(太阳风、大气阻力等以及星上振动耦合)的扰动时，与载荷平台2会产生相对微小位移，通过电容检测电路检测出其相对位移，数字控制系统根据位移信号发出微推进器的控制信号，产生微推力驱动卫星本体跟踪载荷平台2，使载荷平台2始终保持在星上电极腔3的中心位置，以减小卫星扰动通过静电负刚度传递到载荷平台2上。

假设载荷平台2与星上电极腔3之间的等效标称间隙D为1mm，预载电压V_r为100V，最大反馈控制的电压V_b为100V，有效作用面积A为1m²，则当平台处于卫星本体中间时，卫星本体驱动平台的静电力F_e大小为：

$F_e=\frac{2{\mathrm{\ϵAV}}_r}{D^2}{V}_b=\frac{2\×8.85\×{10}^{-12}\×1\×100}{{\left({10}^{-3}\right)}^2}\×100=0.177N---\left(1\right)$

电学量的动态范围一般可达到10⁶的量级，因此，若反馈电压的最小分辨率为0.1mV，则推力可实现的分辨率为0.177μN，这样的量程和分辨率比目前最好的微推进器性能还高，而且带宽还远远高于微推进器，故而能很好的对高频扰动进行补偿抑制。此外，可通过预载电压的调整，实现不同量程和最小推力分辨率的需求。

载荷平台2与星上电极腔3之间静电负刚度会随反馈电压的变化而变动，可计算出其绝对最大值为(当V_b＝V_r时)：

$K_e=-\frac{2\mathrm{\ϵ}A(V_b^2+V_r^2)}{D^3}=-\frac{2\×8.85\×{10}^{-12}\×1\×({100}^2+{100}^2)}{{\left({10}^{-3}\right)}^3}=-354N/m---\left(2\right)$

远小于一般压电陶瓷的刚度10⁶N/m，故而由卫星本体振动到平台的扰动耦合可得到极大减小。

本发明还可以通过调整加载到星上电极腔上的预载电压和控制电压，可对天基超静平台系统进行系统重构，改变载荷平台的动态特性，使载荷平台的超静性能更优。

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 (9)

1.一种静电悬浮式天基超静平台系统，其特征在于包括：宁静参考系统、载荷平台、星上电极腔、电容检测电路、数字控制系统、驱动电路以及微推进器；其中：

宁静参考系统包括参考质量块、真空腔、真空腔底座、位移传感器；宁静参考系统通过真空腔体底座与载荷平台固结为一个整体；参考质量块无机械连接地悬浮在真空腔内，作为宁静参考源运行于纯地球引力轨道上；位移传感器检测参考质量块在真空腔内的相对位移，并将检测得到的信号输出给数字控制系统；

星上电极腔固定在卫星本体上，其内壁铺覆有十二块电极，与载荷平台上的电极形成电容对；

载荷平台悬浮于星上电极腔内，用于安装宁静参考系统以及搭载超精密仪器；载荷平台外表面铺覆有十二块电极，可被星上电极腔上的电极通过静电力实现六自由度驱动，使其跟踪参考质量块运动，构成第一级无拖曳；

电容检测电路根据电容与电极间隙的物理关系，通过检测电容可获取载荷平台在星上电极腔内的相对位置，并将检测得到的信号输出给数字控制系统；

数字控制系统根据位移传感器和电容检测电路的输出，经控制算法处理后产生静电驱动力和微推进器的控制信号；

驱动电路将数字控制系统产生的静电力控制信号放大，并加载到星上电极腔的电极上，形成静电力，驱动载荷平台跟踪参考质量块，维持参考质量块在真空腔中的相对位置不变，实现载荷平台的第一级无拖曳控制；

微推进器可对卫星本体实现六自由度驱动，根据数字控制系统的微推进器控制信号产生微推力，驱动卫星本体及星上电极腔跟踪载荷平台，实现卫星本体的第二级无拖曳。

2.如权利要求1所述的一种静电悬浮式天基超静平台系统，其特征在于：所述宁静参考系统中的参考质量块自由悬浮于真空腔，其位移检测采用无接触式位移传感器，确保参考质量块只受地球引力支配，运行于纯引力轨道上，从而可作为整个系统的宁静参考源。

3.如权利要求2所述的一种静电悬浮式天基超静平台系统，其特征在于：所述参考质量块悬浮在真空腔内，参考质量块与真空腔间隙10um～1mm。

4.如权利要求1所述的一种静电悬浮式天基超静平台系统，其特征在于：所述参考质量块为导电材料制成，为立方体，尺寸为4cm×4cm×1cm或4cm×4cm×4cm。

5.如权利要求1所述的一种静电悬浮式天基超静平台系统，其特征在于：所述载荷平台受外力扰动时，由星上电极腔发生高带宽、精确可控的静电力补偿扰动力，使载荷平台跟踪参考质量块，保持二者的相对位置，实现第一级无拖曳主动减振，抑制高低频段上的微振动，实现载荷平台的超静。

6.如权利要求1所述的一种静电悬浮式天基超静平台系统，其特征在于：所述卫星本体受外力扰动时，由微推进器发生微推力补偿扰动力，使卫星本体跟踪载荷平台，保持二者的相对位置，实现第二级无拖曳，利用二者间的极低静电负刚度实现被动隔振，极大衰减卫星本体对载荷平台的振动耦合，实现载荷平台的超静。

7.如权利要求1所述的一种静电悬浮式天基超静平台系统，其特征在于：所述载荷平台的表面电极通过电气连接成为一等势体，与星上电极腔形成差分电容。

8.如权利要求1所述的一种静电悬浮式天基超静平台系统，其特征在于：所述星上电极腔与载荷平台间构成的电容可复用于载荷平台的位置检测和驱动：通过差动电容检测可得到载荷平台在星上电极腔内的相对位置；另一方面，通过在星上电极腔的电极上施加电压可与载荷平台间形成静电力，可对载荷平台实现六自由度的驱动控制，作为载荷平台减振的控制力，实现载荷平台的超静。

9.如权利要求1所述的一种静电悬浮式天基超静平台系统，其特征还在于：通过调整加载到星上电极腔上的预载电压和控制电压，可对天基超静平台系统进行系统重构，改变载荷平台的动态特性，使载荷平台的超静性能更优。