CN105775169B - 一种磁化悬浮感应驱动式反作用动量球 - Google Patents

一种磁化悬浮感应驱动式反作用动量球 Download PDF

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Abstract

本发明一种磁化悬浮感应驱动式反作用动量球，包括球形转子、弧形定子、位移传感器、转速传感器、控制器以及驱动电路；球形转子作为角动量交换的载体，悬浮于6个弧形定子组成的线圈笼中，受线圈中电流产生的电磁力矩控制，绕任意轴进行旋转；弧形定子：与航天器本体固为一体，共有6个，每个包括带齿的弧形磁轭及绕制在弧形磁轭上的线圈；位移传感器检测球形转子在弧形定子组成的线圈笼中的位置，并将位置信号传递给控制器；转速传感器检测球形转子相对弧形定子的转速，并将转速信号传递给控制器；控制器根据位置信号和转速信号分别产生悬浮驱动控制信号和旋转驱动控制信号；驱动电路对控制器产生的控制信号进行放大，并加载于线圈之上产生电流。

Description

一种磁化悬浮感应驱动式反作用动量球
技术领域
本发明属于航天领域，涉及一种用于卫星姿态调节的反作用动量球。
背景技术
目前，在轨航天器的姿态主要通过反作用飞轮或动量轮控制。然而飞轮或动量轮均为单轴角动量交换装置，为了实现航天器三轴的姿态控制，需要至少三套飞轮或动量轮，由此带来系统的质量、功耗及效率等方面的局限。此外，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 spacecraft attitudecontrol(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，仅用一个球便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，该发明存在三方面的问题：1、该反作用球的线圈电极采用的20面体的布置方式，在实施动量交换的控制时需要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。2、该反作用球在悬浮原理上采用交变磁场感生电涡流进行斥力型磁悬浮，产生的可控磁力非常微弱，抗扰能力差。3、该反作用球的球形转子采用非导磁性铜材料制作，磁路中磁阻较大，使得磁利用效率较低，产生感应电流微弱，从而驱动效率低。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种磁化悬浮感应驱动式反作用动量球，解决了控制复杂、抗扰性差、驱动效率低的问题。
本发明的技术方案是：一种磁化悬浮感应驱动式反作用动量球，包括球形转子、弧形定子、位移传感器、转速传感器、控制器以及驱动电路；
球形转子：作为角动量交换的载体，悬浮于6个弧形定子组成的线圈笼中，受线圈中电流产生的电磁力矩控制，绕任意轴进行旋转；同时，球形转子通过电磁反作用力矩与卫星交换角动量，实现对航天器的姿态控制；
弧形定子：与航天器本体固为一体，共有6个，每个包括带齿的弧形磁轭及绕制在弧形磁轭上的线圈；6个弧形定子分为3对，每对弧形定子对称分布于球形转子两侧，三对弧形定子两两正交，组成线圈笼；通过在线圈上加载电流，产生直流磁场和交流磁场的叠加磁场，从而实现对球形转子的悬浮控制及旋转驱动；
位移传感器：用于检测球形转子在弧形定子组成的线圈笼中的位置，并将位置信号传递给控制器；
转速传感器：用于检测球形转子相对弧形定子的转速，并将转速信号传递给控制器；
控制器：其内运行PID控制算法，根据位置信号和转速信号分别产生悬浮驱动控制信号和旋转驱动控制信号；
驱动电路：对控制器产生的控制信号进行放大，并加载于线圈之上产生电流。
所述的球形转子为实心球体或者空心球壳，实心球体或者空心球壳内部为软磁性材料，实心球体或者空心球壳的表面镀有导电性良好的抗磁性材料；实心球体或者空心球壳最外层镀金。
所述的弧形磁轭由导磁性良好的电工纯铁或硅钢片制成；3对定子中的每1对构成一个控制通道，每个通道独立控制1个平动自由度和1个转动自由度，共6自由度；3个旋转自由度的矢量合成，使球形转子绕任意轴以任意角速度进行旋转，实现与航天器三轴角动量交换，达到姿态控制的目的。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)本发明中采用定子结构简单，采用传统电机加工艺即可实现，数量仅需6个，装配简单方便。
2)本发明中6个定子中每相对的2个构成一组，共3组以正交方式分布于球形转子周围，用空间构型实现3轴间的解耦；在同一组定子中用直流和交变磁场实现平动和转动的解耦，使得6个自由度独立控制，控制简便。
3)本发明中采用磁化悬浮原理实现球形转子的悬浮，相比感应式悬浮可控力更大，具有更强的承载和抗扰能力。相比于永磁式悬浮，球形转子和定子的结构均可更简单，且控制更稳定可靠。
4)本发明中球形转子的球体内用软磁性材料能减小磁路中的磁阻，从而提高定子产生的电磁场的有效功率，提供更强更平稳的驱动力矩。球表面镀良导体可以使球形转子表面形成更强的电涡流，进一步增强电磁力矩。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。
5)本发明中采用磁轭复用的方式产生交直流磁场，同时实现球形转子的悬浮控制和旋转驱动，使得结构极致紧凑。
附图说明
图1为本发明的三轴组成结构图；
图2为本发明球形转子结构图；
图3为本发明弧形定子中磁轭结构图；
图4为本发明弧形定子中线圈结构图；
图5为本发明组成系统应用时的框图。
具体实施方式
本发明磁化悬浮感应驱动式反作用动量球的组成部分有：球形转子1、弧形磁轭2与线圈3组成的弧形定子、位移传感器4、转速传感器5、控制器以及驱动电路。
如图1所示，为发明组成系统应用时的框图，为了表达清晰，图中只画出了一个轴作为说明，其它两个轴与此轴完全一样，但控制器可供三轴共用。通过电容式或光电式位移传感器4可检测出球形转子1在弧形定子(由弧形磁轭2与线圈3组成)构成的电极笼中的位置，控制器根据位置偏移中心的信息，利用PID反馈算法控制驱动电路给线圈3加载电流，使定子中产生差动的直流磁场，可实现球形转子1的悬浮控制；通过转速传感器5(如基于光流法的图像传感器或基于多普勒原理的激光传感器测速)可检测出球形转子1的转速，控制器根据实测转速与期望转速间的差速信息，利用PID反馈算法控制驱动电路给线圈3加载可变频电流。使定子中产生交变的旋转磁场，可实现球形转子1的绕过球心且垂直于纸面的轴旋转。在本示例中，可按三相感应电机的方式对其进行电流加载，若弧形磁轭2采用其它齿数的构型，可按相应相数的感应电机电流加载方式加载。正交的三对弧形定子产生的驱动力矩矢量合成可实现球形转子1沿空间的任意轴转动，从而实现任意向的动量交换。根据牛顿第三定律，球形转子1对弧形定子有电磁反作用力，可驱动与弧形定子固结为一体的载体，如卫星本体。
如图2所示，为本发明磁化悬浮感应驱动式反作用动量球的三轴组成结构图，由球形转子1以及布置在球形转子1周围的六个弧形定子组成，其中弧形定子包括弧形磁轭2和线圈3。球形转子1与弧形定子不接触，靠电磁力悬浮于六个弧形定子组成的线圈笼中。六个弧形定子每两个为一对，共组成三对，对应三个驱动轴向。每对弧形定子对称分布于球形转子1两侧，三对弧形定子两两正交。弧形定子组成的线圈电极笼与球形转子1的标称间隙为1mm，若加工精度够高，此间隙可以减小以减小磁阻；若加工精度不足，此间隙可以增加以防止球形转子1与弧形磁轭2产生碰撞干涉。
如图3所示，本发明中球形转子1分为三层：最内层为一实心球，亦可做成空心球壳，为软磁性材料制成，可选择但不限于电工纯铁，用软磁性材料减小磁阻以增强驱动力矩。中间层为镀的一层导电性良好的抗磁性材料，可选择铜、铝等，厚度为几毫米到几百微米，用良导体材料增大球表面的感应电涡流，进一步增强驱动力矩。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～50mm。
如图4所示，为本发明中弧形磁轭2的一种可用构形，图示中磁轭共有八个齿，其中中间六个为主齿，边上两个为辅齿，主齿上绕制有线圈3，而辅齿上不绕线圈。弧形磁轭2并不局限于图示中的齿数，其齿数设计可参考传统感应电机。
如图5所示，为本发明中弧形定子中的线圈3的结构，每个线圈3绕制成中空长方体，可嵌套于弧形磁轭2的主齿上。每个线圈3可被独立电流加载驱动，也可根据需要按相位关系及线圈3的绕制方向进行串联或并联驱动。如前所述，弧形定子能同时产生用于悬浮控制的直流磁场和用于旋转驱动的交变磁场(这两类磁场是以叠加的方式一块产生的)，可采用两种方式实现。第一种方式如图5(a)所示，图中线圈3为普通的单一独立线圈，可在其上加载带偏置的交变电流，偏置部分电流产生直流磁场，交变电流部分产生交流磁场。第一种方式如图5(b)所示，图中线圈3实际为两个同构型的独立线圈堆叠在一块，堆叠在一块的线圈3嵌套在同一个磁轭主齿上，分别对其加载电流，其中一个加载直流电产生直流磁场，另一个加载交流电产生交变磁场，由于这个堆叠状线圈3套在同一个磁轭2主齿上，从而实现了磁场的叠加产生。3对定子中的每1对构成一个控制通道，每个通道独立控制1个平动自由度和1个转动自由度，共6自由度；3个旋转自由度的矢量合成，使球形转子1绕任意轴以任意角速度进行旋转，实现与航天器三轴角动量交换，达到姿态控制的目的。
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 (3)

1.一种磁化悬浮感应驱动式反作用动量球，其特征在于：包括球形转子(1)、弧形定子、位移传感器(4)、转速传感器(5)、控制器以及驱动电路；
球形转子(1)：作为角动量交换的载体，悬浮于6个弧形定子组成的线圈笼中，受线圈(3)中电流产生的电磁力矩控制，绕任意轴进行旋转；同时，球形转子(1)通过电磁反作用力矩与卫星交换角动量，实现对卫星的姿态控制；
弧形定子：与卫星本体固为一体，共有6个，每个包括带齿的弧形磁轭(2)及绕制在弧形磁轭(2)上的线圈(3)；6个弧形定子分为3对，每对弧形定子对称分布于球形转子(1)两侧，三对弧形定子两两正交，组成线圈笼；通过在线圈(3)上加载电流，产生直流磁场和交流磁场的叠加磁场，从而实现对球形转子(1)的悬浮控制及旋转驱动；所述线圈(3)为单一独立线圈，在其上加载带偏置的交变电流，偏置部分电流产生直流磁场，交变电流部分产生交流磁场；
位移传感器(4)：用于检测球形转子(1)在弧形定子组成的线圈笼中的位置，并将位置信号传递给控制器；
转速传感器(5)：用于检测球形转子(1)相对弧形定子的转速，并将转速信号传递给控制器；
控制器：其内运行PID控制算法，根据位置信号和转速信号分别产生悬浮驱动控制信号和旋转驱动控制信号；
驱动电路：对控制器产生的控制信号进行放大，并加载于线圈(3)之上产生电流。
2.根据权利要求1所述的一种磁化悬浮感应驱动式反作用动量球，其特征在于：所述的球形转子(1)为实心球体或者空心球壳，实心球体或者空心球壳内部为软磁性材料，实心球体或者空心球壳的表面镀有导电性良好的抗磁性材料；实心球体或者空心球壳最外层镀金。
3.根据权利要求1所述的一种磁化悬浮感应驱动式反作用动量球，其特征在于：所述的弧形磁轭(2)由导磁性良好的电工纯铁或硅钢片制成；3对弧形定子中的每1对构成一个控制通道，每个控制通道独立控制1个平动自由度和1个转动自由度，共计 控制6个自由度；3个转动自由度的矢量合成，使球形转子(1)绕任意轴以任意角速度进行旋转，实现与卫星三轴角动量交换，达到姿态控制的目的。
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