CN105912042A - 一种复合轴控制力矩陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明一种复合轴控制力矩陀螺，其包括飞轮、转子电机、支撑飞轮的框架、安装支架和框架转动伺服系统，框架转动伺服系统包括力矩电机和音圈电机，力矩电机通过螺栓与安装支架固定连接，音圈电机通过螺栓与安装支架固定连接，力矩电机的转轴与框架通过螺栓固定连接，音圈电机的转轴与框架通过螺栓固定连接，框架的上下侧固设一转子电机，转子电机的转轴与飞轮卡接。

Description

一种复合轴控制力矩陀螺

技术领域

本发明涉及空间飞行器控制领域，更具体地说，涉及一种复合轴控制力矩陀螺。

背景技术

姿态控制系统是各种空间飞行器(如卫星、深空探测器等)的一个关键组成部分，直接决定了空间任务完成的质量。对于卫星的快速稳定和高精度指向要求，需要执行机构能够提供大幅度、高精度、连续控制力矩。传统的喷气机构可以提供大幅度脉冲力矩对卫星姿态进行快速控制，但是容易激发卫星振动，很难进行高精度指向，并且喷气执行机构消耗工质，不适合长期工作。传统控制力矩陀螺能够克服喷气执行机构不足，进行快速连续机动，但是受摩擦力影响，输出力矩分辨率有限，高精度控制难度大。

为同时满足空间飞行器控制的大幅值、高分辨率控制力矩，本发明提出了一种复合轴控制力矩陀螺。

发明内容

发明目的：本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明为了提高卫星姿态控制的精度，得到更加精确、稳定的控制力矩，公开了一种复合轴控制力矩陀螺。

技术方案：一种复合轴控制力矩陀螺，包括飞轮、转子电机、支撑飞轮的框架、安装支架和框架转动伺服系统，

框架转动伺服系统包括力矩电机和音圈电机，

所述力矩电机通过螺栓与安装支架固定连接，

所述音圈电机通过螺栓与安装支架固定连接，

所述力矩电机的转轴与所述框架通过螺栓固定连接，

所述音圈电机的转轴与所述框架通过螺栓固定连接，

所述框架的上侧中部和下侧中部通过螺栓连接的方式固设一转子电机，所述转子电机的转轴与所述飞轮卡接。

进一步地，所述安装支架为U型安装支架。

有益效果：本发明公开的一种复合轴控制力矩陀螺具有以下有益效果：

本发明中力矩电机作为第一级驱动控制，音圈电机作为第二级控制，在一级驱动中力矩电机的使用可使得框架的转动角速度很快达到一定值，从而产生期望的控制力矩实现空间飞行器的姿态快速调整控制；二级控制采用具有高带宽高精度特性的音圈电机，在力矩电机控制精度的基础上对框架的转动加速度进行进一步修正调节，产生更精确、更稳定的控制力矩，从而提高系统姿态的快速性和控制精度。

附图说明

图1为本发明公开的一种复合轴控制力矩陀螺的结构示意图；

图2为本发明公开的一种复合轴控制力矩陀螺的控制算法框图；

图3为发明公开的一种复合轴控制力矩陀螺的逻辑环节的判断流程；

其中：

10-框架 20-转子电机

30-飞轮 40-力矩电机

50-音圈电机 60-安装支架

具体实施方式：

下面对本发明的具体实施方式详细说明。

如图1所示，一种复合轴控制力矩陀螺，包括飞轮30、转子电机20、支撑飞轮的框架10、安装支架60和框架转动伺服系统，

框架转动伺服系统包括力矩电机40和音圈电机50，

力矩电机40通过螺栓与安装支架60固定连接，

音圈电机50通过螺栓与安装支架60固定连接，

力矩电机40的转轴与框架10通过螺栓固定连接，

音圈电机50的转轴与框架10通过螺栓固定连接，

框架10的上侧中部和下侧中部通过螺栓连接的方式固设一转子电机20，转子电机20的转轴与飞轮30卡接。

进一步地，安装支架60为U型安装支架。

如图2所示，架复合轴控制力矩陀螺系统的动力学建模如下：

$u_1=R_1{i}_1+L_1\frac{{\mathrm{di}}_1}{dt}+K_{e1}\mathrm{\ω}$

$u_2=R_2{i}_2+L_2\frac{{\mathrm{di}}_2}{dt}+K_{m}r\mathrm{\ω}$

$J\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=K_m{\mathrm{ri}}_2+K_{t1}{i}_1-b\mathrm{\ω}$

式中：

u₁为力矩电机控制电压，

i₁为力矩电机的控制电流，

u₂为音圈电机的控制电压，

i₂为音圈电机的控制电流，

b为框架转轴的摩擦系数，

ω为框架的转动角速度，

J为框架、飞轮以及转子电机的惯性矩之和。

力矩电机与音圈电机的相关参数如下：L为电机自感系数，R为电机阻抗，K_e1为力矩电机的反电势常数，K_t1为力矩电机力矩常数，r为音圈电机的作用半径，K_m为音圈电机的力常数。

复合轴控制力矩陀螺的反馈控制方法如图3所示，根据期望得到的控制力矩计算得到框架所需的转动角速度值ω^ref，在驱动框架转动时，控制器K₁产生控制电压u₁作用于力矩电机对框架进行一级驱动，使得框架的转动角速度很快达到一定值，在力矩电机精度范围内产生期望的控制力矩实现飞行器的姿态快速调整。框架的角速度ω采用角速度陀螺来测量，如图3所示，当Δω小于阈值kε(0＜k＜1为一常值，ε为音圈电机所能达到的最大角速度值)时便可启动控制器K₂产生控制电压u₂作用于音圈电机对框架进行二级驱动，启动后还需继续判断Δω的值，若Δω大于ε，要使电压u₂保持上一时刻的电压值，避免电机的饱和，判断过程通过逻辑环节L来完成。同时，考虑到力矩电机和音圈电机的工作性能，我们可加入低通滤波器K_f对输入信号进行滤波，相关内容可通过公开文献查询。

框架转动角速度与输出力矩的关系为：

T＝J₀Ωω

其中，J₀为飞轮的转动惯量，Ω为飞轮的常值转动角速度，ω为框架的转动角速度。由上式我们易知，框架转动角速度与输出力矩成正比，本发明通过复合轴控制得到更加精确和平滑的ω值，从而实现高精度、高平滑度的输出力矩。

框架的角速度误差由两部分组成：

δω＝ω^ref-ω＝δω₁+δω₂

ω^ref为转动角速度值，δω₁和δω₂分别为低频误差和高频误差。通过加入低通滤波器K_f对两种误差进行区分，可实现力矩电机与音圈电机的补偿误差分配，低频误差δω₁可通过力矩电机进行补偿，残余的高频误差δω₂可通过音圈电机补偿，从而得到更加精确的角速度输出。

控制器参数设定：

控制器K₁和K₂采用比例积分控制，需要设定的参数有PI控制器中的比例和积分参数，此外还需要确定逻辑环节中的所需参数和所选取低通滤波器的参数。

上面对本发明的实施方式做了详细说明。但是本发明并不限于上述实施方式，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (2)

1.一种复合轴控制力矩陀螺，其特征在于，包括飞轮、转子电机、支撑飞轮的框架、安装支架和框架转动伺服系统，

框架转动伺服系统包括力矩电机和音圈电机，

所述力矩电机通过螺栓与安装支架固定连接，

所述音圈电机通过螺栓与安装支架固定连接，

所述力矩电机的转轴与所述框架通过螺栓固定连接，

所述音圈电机的转轴与所述框架通过螺栓固定连接，

所述框架的上下侧通过螺栓连接的方式固设一转子电机，所述转子电机的转轴与所述飞轮卡接。

2.根据权利要求1所述的一种复合轴控制力矩陀螺，其特征在于，所述安装支架为U型安装支架。