CN106184820B - 一种组合驱动多力矩输出动量轮及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组合驱动多力矩输出动量轮，包括动量轮、转子电机、第一压电作动器、第二压电作动器、柔性球铰链、安装外罩、连接杆和连接轴承：所述转子电机通过柔性球铰链安装在安装平台上，动量轮的中心位置设有中心孔，转子电机的转轴与动量轮的中心孔固连；转子电机转轴的顶端与连接轴承相连，连接轴承通过x、y方向的连接杆分别与第一压电作动器、第二压电作动器的一端相连，同时第一压电作动器、第二压电作动器的另一端通过同方向连接杆与安装外罩的内壁相连。本发明的优点体现在：压电作动器能够保证飞行器受到高频干扰时姿态的稳定性。同时压电驱动能够实现飞行器姿态的高精度控制。

Description

一种组合驱动多力矩输出动量轮及其控制方法

技术领域

本发明属于空天飞行器姿态控制领域，更具体地说，涉及一种复合驱动多力矩输出动量轮及其控制方法。

背景技术

动量轮系统是各种空间飞行器(如卫星、深空探测器等)进行姿态控制的主要手段，动量轮系统的性能决定了飞行器姿态控制的优劣，直接影响着空间任务完成的质量。

随着空间技术的快速发展，许多空间任务对航天器的姿态机动能力有更高的要求，快速、稳定、高精度的姿态控制系统成为空间技术的重要研究方向。目前三轴姿态控制主要有动量动量轮方案和控制力矩陀螺方案，动量动量轮方案至少需要三套正交组合的动量轮装置且存在系统冗余，需设置备份动量轮保证其可靠性，控制力矩陀螺方案利用其框架结构只对一个高速转子进行控制，但这种框架设计方式会带来较大的摩擦干扰力矩，此外，两种方案的伺服系统大都采用电机驱动，电机的摩擦干扰会影响系统的控制精度，电机较低的带宽也会造成当飞行器受到高频干扰时很难保证其姿态的稳定性。

为了克服现有技术中存在的问题，满足空间飞行器姿态控制的快速、稳定和高精度要求，本发明提出了一种组合驱动多力矩输出动量轮系统，通过电机与压电作动器组合驱动一个动量轮实现三轴力矩输出。其中，电机驱动输出长周期力矩，压电作动器驱动输出短周期、高精度力矩。

发明内容

本发明的目的是针对现有动量轮姿态控制系统中存在的问题做出改进，即本发明为了提高动量轮姿态控制系统的快速性和精确性，公开了一种组合驱动多力矩输出动量轮系统及其控制方法。

为实现上述目的，本发明公开了如下技术方案：

一种组合驱动多力矩输出动量轮，包括动量轮、转子电机、第一压电作动器、第二压电作动器、柔性球铰链、安装外罩、连接杆和连接轴承：

所述转子电机通过柔性球铰链安装在安装平台上，动量轮的中心位置设有中心孔，转子电机的转轴与动量轮的中心孔固连；转子电机转轴的顶端与连接轴承相连，连接轴承通过x、y方向的连接杆分别与第一压电作动器、第二压电作动器的一端相连，同时第一压电作动器、第二压电作动器的另一端通过同方向连接杆与安装外罩的内壁相连。

进一步的，转子电机的转轴与动量轮的中心孔通过卡接的方式相连。

进一步的，连接轴承与连接杆、压电作动器与连接杆、连接杆与安装外罩之间都通过螺栓固连。

本发明还公开了一种组合驱动多力矩输出动量轮的控制方法，利用如上所述的一种组合驱动多力矩输出动量轮，包括如下步骤：

S1动量轮在转子电机的带动下绕Z轴做高速旋转运动，使动量轮具有一定的动量矩，根据输出力矩的需要，动量轮在转子电机的激励下进行调速运动；

S2通过控制第一压电作动器的施加电压以推拉模式产生x方向的位移，通过连接杆将位移传递到转子电机转轴，使得动量轮和转子电机产生以球铰链为原点绕y方向的转动角度，从而迫使动量轮的角动量方向改变，产生x方向的输出力矩；同样的，控制第二压电作动器的施加电压产生y方向的输出力矩；

S3对系统进行动力学建模分析，将x、y、z三个方向上的运动进行解耦处理。

进一步的，进行解耦处理时，具体为：

根据动量矩定力，系统在z方向产生的输出力矩T_z为：

其中，J为动量轮的转动惯量，ω为转子电机驱动下动量轮的转动角速度，为动量轮绕z轴转动的角加速度；

当第一压电作动器产生沿x负方向的位移x₀时，动量轮会产生以球铰链为原点绕y方向的转角α，由于x₀，α都为小量，因此有下式成立：

即有：

式中，h为连接杆与轴承连接处到球铰链中心处的距离；

此时，产生的x方向输出力矩T_x为：

式中，为动量轮绕y轴转动的角加速度；

同理可得，当第二压电作动器产生沿y负方向的位移y₀时，动量轮会产生以球铰链为原点绕x方向的转角β，此时，产生的y方向输出力矩T_y为：

式中，为动量轮绕x轴转动的角加速度。

本发明公开的一种组合驱动多力矩输出动量轮及其控制方法，具有以下有益效果：

本发明中采用组合驱动多力矩输出动量轮，使用转子电机和压电作动器组合驱动的方式实现系统的三轴控制力矩输出。

压电作动器可产生x方向和y方向的输出力矩，其具有带宽大、响应速度快的特点，能够产生短周期、高精度、大幅值的控制力矩，保证了飞行器受到高频干扰时姿态的稳定性。同时压电驱动不存在机械摩擦，相比于电机驱动方式能够克服摩擦干扰力矩的影响，能够实现飞行器姿态的高精度控制。转子电机通过改变动量轮绕z轴的转动角速度得到z方向的输出力矩，相比于其他两个方向的输出力矩其周期较长，能够保证飞行器姿态在低频干扰下稳定性。

此外，本发明提出的组合驱动多力矩输出动量轮系统没有采用传统的框架式结构从而减小了装置的复杂程度和体积

附图说明

图1为本发明x、z方向的结构示意图；

图2为本发明y、z方向的结构示意图；

图3为本发明x、z方向的几何关系示意图。

图4为本发明y、z几何的关系示意图。

其中：

1-第一压电作动器，2-安装外罩，3-柔性球铰链，4-转子电机，5-动量轮，6-连接轴承，7-连接杆，8-第二压电作动器，9-连接杆

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步描述。

见图1、图2。一种组合驱动多力矩输出动量轮，包括动量轮5、转子电机4、第一压电作动器1、第二压电作动器8、柔性球铰链3、安装外罩2、连接杆7/9和连接轴承6：

所述转子电机4通过柔性球铰链3安装在安装平台上，动量轮5的中心位置设有中心孔，转子电机4的转轴与动量轮5的中心孔固连，转子电机4控制动量轮5绕x轴的转动角速度，实现动量轮5绕z轴的变速转动，改变其绕z轴的角动量，得到z方向的输出力矩。

转子电机4转轴的顶端与连接轴承6相连，连接轴承6通过x、y方向的连接杆7、9分别与第一压电作动器1、第二压电作动器8的一端相连，同时第一压电作动器1、第二压电作动器8的另一端通过同方向连接杆9与安装外罩2的内壁相连。

作为一种具体实施例，转子电机4的转轴与动量轮5的中心孔通过卡接的方式相连。

作为一种具体实施例，连接轴承6与连接杆7/9、压电作动器与连接杆7/9、连接杆7/9与安装外罩2之间都通过螺栓固连。

本发明提出的组合驱动多力矩输出动量轮系统，使用转子电机4和压电作动器组合驱动一个动量轮的方式得到系统三个自由度上的控制力矩输出，实现飞行器的三轴姿态控制。

本发明还公开了一种组合驱动多力矩输出动量轮的控制方法，利用如上所述的一种组合驱动多力矩输出动量轮，包括如下步骤：

S1动量轮5在转子电机4的带动下绕Z轴做高速旋转运动，使动量轮5具有一定的动量矩，根据输出力矩的需要，动量轮5在转子电机4的激励下进行调速运动；在动量轮5绕z轴的转速变化时，根据动量矩定理，系统会产生沿转子旋转的方向，即z方向的输出力矩，这是动量轮系统输出力矩的第一个自由度。动量轮系统在其他两个自由度上的输出力矩由压电作动器产生。

S2通过控制第一压电作动器1的施加电压以推拉模式产生x方向的位移，通过连接杆7将位移传递到转子电机转轴，使得动量轮5和转子电机4产生以球铰链为原点绕y方向的转动角度，从而迫使动量轮5的角动量方向改变，产生x方向的输出力矩；同样的，控制第二压电作动器8的施加电压产生y方向的输出力矩；

S3由于压电作动器能动范围较小，在x、y方向只能产生为微小位移，因此可以忽略三个自由度之间的相互影响，在对系统进行动力学建模分析，将x、y、z三个方向上的运动进行解耦处理。

进行解耦处理时，具体为：

根据动量矩定力，系统在z方向产生的输出力矩T_z为：

其中，J为动量轮的转动惯量，ω为转子电机驱动下动量轮的转动角速度，为动量轮绕z轴转动的角加速度；受转子电机驱动能力和摩擦力的影响，输出带宽有限，输出力矩T_z具有长周期、大幅值特点，适用于空间飞行器的姿态稳定，补偿长周期环境扰动，如太阳光压力距、引力梯度力矩等。

如图3所示，当第一压电作动器1产生沿x负方向的位移x₀时，动量轮会产生以球铰链为原点绕y方向的转角α，由于x₀，α都为小量，因此有下式成立：

即有：

式中，h为连接杆与轴承连接处到球铰链中心处的距离；

此时，产生的x方向输出力矩T_x为：

式中，为动量轮绕y轴转动的角加速度；

见图4，同理可得，当第二压电作动器8产生沿y负方向的位移y₀时，动量轮会产生以球铰链为原点绕x方向的转角β，此时，产生的y方向输出力矩T_y为：

式中，为动量轮绕x轴转动的角加速度。

压电作动器的驱动带宽可达KHz量级，其输出位移精度可达纳米量级(具体指标可见各类参考文献)，因此其输出力矩T_x、T_y具有短周期、大幅值、高精度的特点，适用于空间飞行器对高频微扰动、微振动的补偿以及飞行器的小角度、高精度敏捷指向等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，而非对其限制；应当指出，尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改和替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种组合驱动多力矩输出动量轮的控制方法，其特征在于，利用一种组合驱动多力矩输出动量轮，所述组合驱动多力矩输出动量轮包括动量轮、转子电机、第一压电作动器、第二压电作动器、柔性球铰链、安装外罩、连接杆和连接轴承：所述转子电机通过柔性球铰链安装在安装平台上，动量轮的中心位置设有中心孔，转子电机的转轴与动量轮的中心孔通过卡接的方式固连；转子电机转轴的顶端与连接轴承相连，连接轴承通过x、y方向的连接杆分别与第一压电作动器、第二压电作动器的一端相连，同时第一压电作动器、第二压电作动器的另一端通过同方向连接杆与安装外罩的内壁相连；连接轴承与连接杆、压电作动器与连接杆、连接杆与安装外罩之间都通过螺栓固连；包括如下步骤：

S1动量轮在转子电机的带动下绕Z轴做高速旋转运动，使动量轮具有一定的动量矩，根据输出力矩的需要，动量轮在转子电机的激励下进行调速运动；

S2通过控制第一压电作动器的施加电压以推拉模式产生x方向的位移，通过连接杆将位移传递到转子电机转轴，使得动量轮和转子电机产生以球铰链为原点绕y方向的转动角度，从而迫使动量轮的角动量方向改变，产生x方向的输出力矩；同样的，控制第二压电作动器的施加电压产生y方向的输出力矩；

S3对系统进行动力学建模分析，将x、y、z三个方向上的运动进行解耦处理，进行解耦处理时，具体为：

根据动量矩定力，系统在z方向产生的输出力矩T_z为：

其中，J为动量轮的转动惯量，ω为转子电机驱动下动量轮的转动角速度，为动量轮绕z轴转动的角加速度；

当第一压电作动器产生沿x负方向的位移x₀时，动量轮会产生以球铰链为原点绕y方向的转角α，由于x₀，α都为小量，因此有下式成立：

即有：

式中，h为连接杆与轴承连接处到球铰链中心处的距离；

此时，产生的x方向输出力矩T_x为：

式中，为动量轮绕y轴转动的角加速度；

同理可得，当第二压电作动器产生沿y负方向的位移y₀时，动量轮会产生以球铰链为原点绕x方向的转角β，此时，产生的y方向输出力矩T_y为：

式中，为动量轮绕x轴转动的角加速度。