CN105253326A - 一种微小卫星用开关磁矩时间序列控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微小卫星用开关磁矩时间序列控制方法，包括以下步骤：(1)计算三轴磁矩；(2)根据磁控精度需求确定磁测磁控周期与卫星控制周期的关系；(3)比较计算磁矩与开关型磁力矩器最大输出磁矩的关系，确定每个卫星控制周期时间序列输出；(4)在磁测磁控周期的磁测时间开始和结束时完成两次磁测，完成开关磁矩时间序列控制输入。本发明的优点在于，根据磁控精度需求获得星上磁测磁控周期，将脉冲宽度控制转换为每个磁测磁控周期内的多个控制周期是否输出磁矩的指令序列，提高了磁控效率，实现了微小卫星在轨实时磁控。

Description

一种微小卫星用开关磁矩时间序列控制方法

技术领域

本发明涉及卫星技术领域，尤其涉及一种微小卫星用开关磁矩时间序列控制方法。

背景技术

卫星的姿态控制系统一般由敏感器、执行机构和姿控处理单元组成。在微小卫星磁控对日捕获过程中，采用开关型磁力矩器作为卫星执行机构进行磁控，磁强计作为卫星敏感器进行磁测，星务计算机作为姿控处理单元进行运算。

磁力矩器组件是碳卫星姿态控制分系统的重要执行部件，一般由坡莫合金棒作为磁芯，在其上缠绕一定规格和圈数的漆包线形成。磁力矩器通一定的电流，产生磁场，作用于坡莫合金棒，进而使整个磁力矩器磁化产生磁矩，与周围磁场相互作用产生力矩。

磁矩计算过程中，星务计算机根据敏感器测量输入和控制目标，计算三轴磁控力矩需求，根据空间磁场信息，计算得到三轴磁矩。计算方法如下：

m＝B×T/||B²||(1)

式中，m为三轴磁矩，单位为“安培.米²”，即AM²，T为控制力矩需求，单位为“牛顿.米.秒”，即Nms，B为空间磁场，单位为“特斯拉”，即T。

磁力矩器控制方式一般包括两种，开关控制和线性控制。开关控制由计算机提供开关信号和方向信号，输出正(负)最大磁矩，具有电源效率高，省功耗，电路设计简单的优点，但只能输出最大磁矩；线性控制由计算机提供-5V～+5V信号，对应磁矩可以从负最大磁矩线性变化到正最大磁矩，但电源效率较低，浪费部分功耗，且电路设计相对复杂，可靠性差于开关控制。

在微小卫星控制中，选择开关型磁力矩器作为执行机构时，一般采用脉宽调制方式进行控制，控制方式如下：

m_c＝P₀*m_t/t_c(2)

式中，m_c为式(1)计算得到的三轴磁矩，P₀为磁力矩器最大磁矩输出，m_t为脉宽控制时间，单位为秒，t_c为控制周期，单位为秒。

磁力矩器实际输出力矩与理论脉宽时间和控制电压存在偏差，偏差来源于(1)磁力矩器线圈电感影响，实际工作脉宽由于上升时间和下降时间的延迟而变窄；(2)微小卫星的星务计算机进行磁矩控制的同时，还在进行载荷数据通信，测控，热控等进程管理，因此一个控制周期中可能会由于与其他进程冲突导致控制脉冲宽度出现偏差，影响控制的精度。因此有必要对常规的脉宽控制方式进行改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种微小卫星用开关磁矩时间序列控制方法，对常规的脉宽控制方式进行改进，提高控制精度。

为了解决上述问题，本发明提供了一种微小卫星用开关磁矩时间序列控制方法，包括以下步骤：(1)计算三轴磁矩；(2)根据磁控精度需求确定磁测磁控周期与卫星控制周期的关系；(3)比较计算磁矩与开关型磁力矩器最大输出磁矩的关系，确定每个卫星控制周期时间序列输出；(4)在磁测磁控周期的磁测时间开始和结束时完成两次磁测，完成开关磁矩时间序列控制输入。

本发明的优点在于，针对微小卫星磁力矩器脉宽控制偏差，提供了一种时间序列控制方式，根据磁控精度需求获得星上磁测磁控周期，将脉冲宽度控制转换为每个磁测磁控周期内的多个控制周期是否输出磁矩的指令序列，解决了脉宽调制控制时间精度不足，且星务计算机同时需要进行数据管理可能引起的时间冲突问题，简化了控制复杂度，提高了磁控效率，实现了微小卫星在轨实时磁控。

附图说明

附图1所示是本发明的具体实施方式所述方法的实施步骤示意图。

附图2所示为本发明的具体实施方式所述方法的磁测磁控时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的一种微小卫星用开关磁矩时间序列控制方法的具体实施方式做详细说明。

附图1所示是本具体实施方式所述方法的实施步骤示意图，包括：步骤S1，计算三轴磁矩；步骤S2，根据磁控精度需求确定磁测磁控周期与卫星控制周期的关系；步骤S3，比较计算磁矩与开关型磁力矩器最大输出磁矩的关系，确定每个卫星控制周期时间序列输出；步骤S4，在磁测磁控周期的磁测时间开始和结束时完成两次磁测，完成开关磁矩时间序列控制输入。

步骤S1，计算三轴磁矩需求方法，具体如下：星务计算机根据敏感器测量输入和控制目标，计算三轴磁控力矩需求，根据空间磁场信息，计算得到三轴磁矩。计算方法如下：

m＝B×T/||B²||(1)

式(1)中，m为三轴磁矩，单位为“安培.米²”，即AM²，T为控制力矩需求，单位为“牛顿.米.秒”，即Nms，B为空间磁场在卫星本体系(X_b,Y_b,Z_b)的分量，由磁强计测量获得，单位为“特斯拉”，即T。具体为：

磁强计测量电压V_x、V_y、V_z，计算磁强计测量值：

B_x＝k_x*V_x+b_x

B_y＝k_y*V_y+b_y

B_z＝k_z*V_z+b_z

其中k_x，k_y，k_z，b_x，b_y，b_z为标定系数。

通过安装矩阵得到本体系下地磁场矢量

B＝A^T*[B_xB_yB_z]

其中A为磁强计安装矩阵。

步骤S2，根据磁控精度需求确定磁测磁控周期与卫星控制周期的关系，具体步骤如下：

设磁测磁控周期为t_m，t_m＝t_mc+t_mm，其中为t_mc磁控周期，且t_mc＝m*t_c，t_mm为磁测周期，且t_mm＝n*t_c，。根据磁力矩器实际测量结果，获得上升时间(磁力矩器从0％-90％的时间)和下降时间(磁力矩器从100％-10％的时间)之和为τ，根据星务计算机控制周期和实测结果，获得脉宽控制误差t_e。

确定n的方法如下，n初值设为0，若n*t_c<a*(τ+t_e)，则n＝n+1，直到满足n*t_c>a*(τ+t_e)，式中a为磁测安全系数，一般取4～10。

确定m的方法如下，m初值设为0，若b/m>(τ+t_e)/t_c，则m＝m+1，直到满足b/m<(τ+t_e)/t_c，式中b为磁控安全系数，一般取2～4。

步骤S3，比较计算磁矩与开关型磁力矩器最大输出磁矩P₀的关系，确定每个卫星控制周期时间序列输出。具体步骤如下：

1)设初值i＝1；

2)若1)设初值i＝1；

2)若输入的X轴磁矩m_cx>i*P₀/m，则输出磁矩P₀＝sign(m_cx)*P₀，否则输出0，对Y、Z轴磁矩做同样处理；

3)将i的数值增加1；

4)由磁矩输出计数i判断，若m+n>i≥m，输出磁矩0；

5)由磁力矩器工作状态字判断，若某个磁力矩器被屏蔽，则输出开关与方向控制电压为0；否则，按输入磁矩与磁力矩器对应关系输出控制电压；

6)若i≥m+n，则i＝1。

步骤S4，在磁测磁控周期的磁测时间开始和结束时完成两次磁测，完成开关磁矩时间序列控制输入。

附图2为上述方法的磁测磁控时序图。

接下来给出本发明的一个实施例：

某微小卫星控制周期为0.25秒，采用60Am²的磁力矩器(即P₀＝60Am²)，进行磁力矩器时间序列控制，根据磁矩实际测量结果，上升时间和下降时间之和为12ms，星务计算机控制周期和实测结果，获得脉宽控制误差为10ms。得到磁测周期参数为4，即磁测周期为1秒，磁控周期参数为16，即磁控周期为4秒。

若需要产生的磁矩为32Am²，则20个控制周期内的磁力矩器时间序列控制信号为：

控制周期	输出磁矩
		1	P0
2	P0
		3	P0
4	P0
		5	P0
6	P0

7	P0
		8	P0
9	0
		10	0
11	0
		12	0
13	0
		14	0
15	0
		16	0
17	0
		18	0
19	0
		20	0

估算该磁测磁控周期内的控制误差如下：

按照常规的脉宽控制，相对误差为：

(12+10)/(32/60*250)*100％＝16.5％

按照本发明提出的时间序列控制方法，相对误差为：

(32-30+12+10)/16*250*100％＝0.6％

由上表可见，采用本发明提出的时间序列控制方法，可以简化磁控输出计算的复杂度，且相对控制误差大大减小。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种微小卫星用开关磁矩时间序列控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)计算三轴磁矩；

(2)根据磁控精度需求确定磁测磁控周期与卫星控制周期的关系；

(3)比较计算磁矩与开关型磁力矩器最大输出磁矩的关系，确定每个卫星控制周期时间序列输出；

(4)在磁测磁控周期的磁测时间开始和结束时完成两次磁测，完成开关磁矩时间序列控制输入。

2.根据权利要求1所述的微小卫星用开关磁矩时间序列控制方法，其特征在于，所述步骤(1)进一步包括：采用星务计算机根据敏感器测量输入和控制目标，计算三轴磁控力矩需求，并根据空间磁场信息，计算得到三轴磁矩。

3.根据权利要求1所述的微小卫星用开关磁矩时间序列控制方法，其特征在于，所述步骤(2)进一步包括：

设磁测磁控周期为t_m，t_m＝t_mc+t_mm，其中为t_mc磁控周期，且t_mc＝m*t_c，t_mm为磁测周期，且t_mm＝n*t_c，根据磁力矩器实际测量结果，获得上升时间和下降时间)之和为τ，根据星务计算机控制周期和实测结果，获得脉宽控制误差t_e；

确定n的方法如下，n初值设为0，若n*t_c<a*(τ+t_e)，则n＝n+1，直到满足n*t_c>a*(τ+t_e)，式中a为磁测安全系数；

确定m的方法如下，m初值设为0，若b/m>(τ+t_e)/t_c，则m＝m+1，直到满足b/m<(τ+t_e)/t_c，式中b为磁控安全系数。

4.根据权利要求2所述的微小卫星用开关磁矩时间序列控制方法，其特征在于，所述a的取值范围是4-10，b的取值范围是2-4。

5.根据权利要求1所述的微小卫星用开关磁矩时间序列控制方法，其特征在于，所述步骤(3)进一步包括：

1)设初值i＝1；

2)若输入的X轴磁矩m_cx>i*P₀/m，则输出磁矩P₀＝sign(m_cx)*P₀，否则输出0，对Y、Z轴磁矩做同样处理；

3)将i的数值增加1；

4)由磁矩输出计数i判断，若m+n>i≥m，输出磁矩0；

5)由磁力矩器工作状态字判断，若某个磁力矩器被屏蔽，则输出开关与方向控制电压为0；否则，按输入磁矩与磁力矩器对应关系输出控制电压；

6)若i≥m+n，则i＝1。