CN105652689A - 一种基于平衡梁的卫星附件振动挠性力矩模拟器 - Google Patents

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Abstract

一种基于平衡梁的卫星附件振动挠性力矩模拟器，它涉及一种力矩模拟器，以解决现有的柔性卫星姿态半物理仿真用的设备存在力矩控制不准确、控制范围小和力矩小的问题，它包括底座、三个平衡梁系统和三个圆光栅系统；三个平衡梁系统竖向布置并组装为三轴力矩产生机构，三轴力矩产生机构安装在底座上；每个平衡梁系统包括平衡梁、驱动机构、基座和两个平衡配重块；三个平衡梁中的任意两个平衡梁的长度方向相垂直；每个驱动机构包括电机、电机座、电机连接块和轴；每个平衡梁系统上的电机安装在电机座上，电机座安装在基座上，电机的输出端安装有电机连接块。本发明用于研制卫星。

Description

一种基于平衡梁的卫星附件振动挠性力矩模拟器
技术领域
本发明涉及一种力矩模拟器，具体涉及一种挠性力矩模拟器。
背景技术
卫星控制系统半物理仿真是研制卫星过程中特有的一种仿真方法，它利用单轴气浮台作为运动模拟器，也称气浮台仿真。卫星控制系统半物理仿真采用单轴气浮台模拟卫星本体作为控制对象，控制系统采用卫星控制系统实物进行仿真。空间飞行器进行半物理仿真时，就要在地面上模拟失重或无阻力等重要空间环境。
现有的一般柔性卫星姿态半物理仿真时，使用的都是单轴台上安装可伸展柔性板的形式进行仿真。安装柔性板的方法会带来很多问题：1)安装柔性板不可能直接准确的等效出卫星转动通过惯量，因为柔性板是直线电机带动而实现转动。2)柔性板的转动范围较小，力矩不够大。
发明内容
本发明是为解决现有的柔性卫星姿态半物理仿真用的设备存在力矩控制不准确、控制范围小和力矩小的问题，进而提供一种基于平衡梁的卫星附件振动挠性力矩模拟器。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种基于平衡梁的卫星附件振动挠性力矩模拟器包括底座、三个平衡梁系统和三个圆光栅系统；
三个平衡梁系统竖向布置并组装为三轴力矩产生机构，三轴力矩产生机构安装在底座上；
每个平衡梁系统包括平衡梁、驱动机构、基座和两个平衡配重块；三个平衡梁中的相邻两个平衡梁的长度方向相垂直；每个驱动机构包括电机、电机座、电机连接块和轴；
每个平衡梁系统上的电机安装在电机座上，电机座安装在基座上，电机的输出端安装有电机连接块，轴转动安装在基座上，轴的一端与电机连接块连接，轴与穿过基座上的平衡梁的中部连接，平衡梁能沿轴的周向摆动，轴的另一端安装有能测量该轴的转角的圆光栅系统，平衡梁的两端各安装有一个平衡配重块，轴的长度方向与平衡梁的长度方向垂直。
本发明的有益效果:本发明以圆弧电机直接作用平衡梁，使其带动惯量块转动，代替直线电机与柔性板，使等效力矩控制更直接准确，可控范围变大，力矩更大。
附图说明
图1是本发明的立体结构示意图，图2是图1旋转后的立体结构示意图，图3是驱动机构的立体结构示意图，图4是具体实施方式四的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图4说明，本实施方式的一种基于平衡梁的卫星附件振动挠性力矩模拟器包括底座1、三个平衡梁系统2和三个圆光栅系统3；
三个平衡梁系统2竖向布置并组装为三轴力矩产生机构，三轴力矩产生机构安装在底座1上；
每个平衡梁系统2包括平衡梁2-1、驱动机构2-2、基座2-3和两个平衡配重块2-4；三个平衡梁2-1中的相邻两个平衡梁2-1的长度方向相垂直；每个驱动机构2-2包括电机2-5、电机座2-6、电机连接块2-7和轴2-8；
每个平衡梁系统2上的电机2-5安装在电机座2-6上，电机座2-6安装在基座2-3上，电机2-5的输出端安装有电机连接块2-7，轴2-8转动安装在基座2-3上，轴2-8的一端与电机连接块2-7连接，轴2-8与穿过基座2-3上的平衡梁2-1的中部连接，平衡梁2-1能沿轴2-8的周向摆动，轴2-8的另一端安装有能测量该轴的转角的圆光栅系统3，平衡梁2-1的两端各安装有一个平衡配重块2-4，轴2-8的长度方向与平衡梁2-1的长度方向垂直。
本实施方式的平衡梁系统采用钢质材料构成，平衡梁采用方钢管型加工而成，额定转动惯量为10.5Kgm2(最小惯量2.8Kgm2)，平衡梁系统采用精密滚动轴承支撑。平衡梁系统的平衡梁的总长度约为700mm，基座的总高度为580mm；平衡梁系统总重量约为95Kg(不含驱动机构)。不含配重块情况下的惯量为0.031Kgm2，含配重块情况下的惯量为1.1Kgm2。平衡梁两端装有配重块，用来增加平衡梁的惯量，从而实现扰动力矩的大范围输出。
具体实施方式二：结合图1-图2说明，本实施方式的平衡梁2-1的摆动角度范围为-30°～30°。如此设置，本实施方式有效地解决了大惯量驱动的问题。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1-图2说明，本实施方式的每个圆光栅系统3包括圆光栅3-1、圆光栅座3-2和圆光栅读数头3-3；轴2-8的另一端与圆光栅座3-2连接，圆光栅座3-2上安装有圆光栅3-1，圆光栅3-1上装有圆光栅读数头3-3。如此设置，能够实现测量轴的转角，形成反馈控制，实现实时测量，是控制更直接准确。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图3-图4说明，本实施方式的电机2-5的定子2-5-1为半圆弧形定子，定子2-5-1安装在电机座2-6上，转子2-5-2插装在定子2-5-1上并与电机连接块2-7连接。如此设置，结构设计合理，直线驱动转换为角度驱动的方式来解决大惯量驱动的问题。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1-图2说明，本实施方式所述模拟器还包括两个L形板9，两个L形板9并列布置并安装在最下层的平衡梁系统2的基座2-3上，中层的平衡梁系统2的基座2-3安装在两个L形板9上。如此设置，设计合理，稳定可靠，满足实际气浮台试验的需要。其它与具体实施方式一、二或四相同。
具体实施方式六：结合图1-图2说明，本实施方式的每个驱动机构2-2还包括转子配重块2-9，电机连接块2-7上安装有转子配重块2-9。如此设置，保证了电机的平衡，避免了运转的不稳定性。其它与具体实施方式四相同。
工作原理
挠性力矩模拟器的主要功能是模拟星上挠性附件振动对星体的作用力矩。在卫星姿态地面模拟的三轴气浮台试验中，挠性力矩模拟器用于实现气浮台机动过程中挠性附件对台体上的振动力矩，并直接作用在气浮台上。输出力矩的大小和频率根据挠性附件的动力学计算出。
挠性力矩模拟器安装在三轴气浮台上。根据实时测量的气浮台姿态运动信息，模拟器输出相应的挠性振动力矩并直接作用于三轴气浮台上。
对于平衡梁系统，其输出力矩的公式为：
T＝IS·θ
式中IS—平衡梁的转动惯量；
θ—平衡梁的转动角位移。
以实现正弦力矩输出为例
对于平衡梁系统来说，ω＝(0.1-5)Hz。
在最小频率0.1Hz时，幅值A＝15°的情况下，可以输出幅值为(0.1-15)Nm的力矩
表1特征频率段的极限输出力矩
工作频率(Hz) 最小输出力矩(Nm) 最大输出力矩(Nm)
0.05 0.1 3.75
0.1 0.1 15
1 0.2 15
10 12 15
用该模拟器等效模拟柔性附件振动对卫星产生干扰力矩的方法：
1)建立的柔性附件的动力学模型，得到柔性附件振动对卫星转动的柔性耦合系数矩阵；
2)根据柔性附件的动力特性，优化设计模拟器的结构参数；
3)根据柔性附件的动力学模型计算某状态下柔性附件模态坐标的位移、速度和加速度；
4)根据柔性附件模态坐标的位移、速度和加速度，得到柔性干扰等效力矩；
5)根据模拟器动力学特性和柔性附件动力学模型，确定得到柔性干扰等效力矩时模拟器的输入；
6)根据模拟器的输入，控制气浮台上的模拟器，产生相应的力矩作用到气浮台上。

Claims (6)

1.一种基于平衡梁的卫星附件振动挠性力矩模拟器，其特征在于：它包括底座(1)、三个平衡梁系统(2)和三个圆光栅系统(3)；
三个平衡梁系统(2)竖向布置并组装为三轴力矩产生机构，三轴力矩产生机构安装在底座(1)上；
每个平衡梁系统(2)包括平衡梁(2-1)、驱动机构(2-2)、基座(2-3)和两个平衡配重块(2-4)；三个平衡梁(2-1)中的相邻两个平衡梁(2-1)的长度方向相垂直；每个驱动机构(2-2)包括电机(2-5)、电机座(2-6)、电机连接块(2-7)和轴(2-8)；
每个平衡梁系统(2)上的电机(2-5)安装在电机座(2-6)上，电机座(2-6)安装在基座(2-3)上，电机(2-5)的输出端安装有电机连接块(2-7)，轴(2-8)转动安装在基座(2-3)上，轴(2-8)的一端与电机连接块(2-7)连接，轴(2-8)与穿过基座(2-3)上的平衡梁(2-1)的中部连接，平衡梁(2-1)能沿轴(2-8)的周向摆动，轴(2-8)的另一端安装有能测量该轴的转角的圆光栅系统(3)，平衡梁(2-1)的两端各安装有一个平衡配重块(2-4)，轴(2-8)的长度方向与平衡梁(2-1)的长度方向垂直。
2.根据权利要求1所述的一种基于平衡梁的卫星附件振动挠性力矩模拟器，其特征在于：平衡梁(2-1)的摆动角度范围为-30°～30°。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于平衡梁的卫星附件振动挠性力矩模拟器，其特征在于：每个圆光栅系统(3)包括圆光栅(3-1)、圆光栅座(3-2)和圆光栅读数头(3-3)；轴(2-8)的另一端与圆光栅座(3-2)连接，圆光栅座(3-2)上安装有圆光栅(3-1)，圆光栅(3-1)上装有圆光栅读数头(3-3)。
4.根据权利要求3所述的一种基于平衡梁的卫星附件振动挠性力矩模拟器，其特征在于：电机(2-5)的定子(2-5-1)为半圆弧形定子，定子(2-5-1)安装在电机座(2-6)上，转子(2-5-2)插装在定子(2-5-1)上并与电机连接块(2-7)连接。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种基于平衡梁的卫星附件振动挠性力矩模拟器，其特征在于：所述模拟器还包括两个L形板(9)，两个L形板(9)并列布置并安装在最下层的平衡梁系统(2)的基座(2-3)上，中层的平衡梁系统(2)的基座(2-3)安装在两个L形板(9)上。
6.根据权利要求4所述的一种基于平衡梁的卫星附件振动挠性力矩模拟器，其特征在于：每个驱动机构(2-2)还包括转子配重块(2-9)，电机连接块(2-7)上安装有转子配重块(2-9)。
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