CN107972890A - 一种基于并联机构的太阳能电池阵振动抑制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于并联机构的太阳能电池阵振动抑制系统及方法。系统包括位于卫星本体和柔性太阳能电池阵驱动机构之间的Stewart并联机构；所述Stewart并联机构采用基于音圈式作动器的六支杆三自由度Stewart并联机构，并采用主被动联合实现全频带振动抑制；Stewart并联机构的下端与卫星本体固定联接，上端与柔性太阳能电池阵驱动机构固定联接。本发明主要针对太阳能电池阵挠性振动对整星超静超稳控制的影响，提出了一种采用主被动控制一体的三自由度并联机构实现对太阳能电池阵高低频挠性振动抑制的控制方案。

Description

一种基于并联机构的太阳能电池阵振动抑制系统及方法

技术领域

本发明属于航天器振动隔离与抑制系统方案设计研究领域，涉及挠性航天器太阳能电池阵振动抑制系统方案设计，尤其涉及具有严格的姿态指向精度要求、严格的姿态指向动态特性要求的带大型柔性太阳能电池阵航天器的振动抑制系统方案设计技术。

背景技术

随着高分辨率光学载荷、深空望远镜、星间激光通信等航天活动的不断发展，对于航天器本体的指向精度和姿态稳定度的要求越来越高，如新一代空间望远镜JWST要求指向精度达到0.01×10^-6rad。而作为航天器微振动源之一的太阳能电池阵驱动机构，正常运行过程中会产生频率丰富的扰动力矩，持续激发航天器结构振动与姿态抖动。同时带有大型柔性太阳能电池阵航天器在轨运行期间要受到环境力矩和内部扰动等不确定干扰的影响以及姿态控制力矩的作用，这些因素很容易激起航天器柔性太阳能电池阵等结构的振动，而结构振动与航天器控制作用发生耦合也会给航天器姿态产生扰动，极大地影响了航天器姿态的稳定性和控制精度，甚至会使航天器失稳乃至影响其安全，因此急需探索航天器振动隔离与抑制新技术。

国内外对振动隔离与抑制进行了有效研究，取得了一定效果。在振动抑制设备方面，欧美等国相继开发了VISS、SUITE、MAIS、Stewart平台等减隔振设备。在振动抑制方案中，多采用有一定刚度的被动或主被动混合隔振技术。但刚度隔振器只能抑制有限频带的微振动，对低频振动和白噪声随机扰动的抑制效果有限，不能满足苛刻的性能要求。同时，主动振动效果也并不理想，仅在某一带宽上或某些频率处有减震效果，在高带宽内与期望的隔振指标相差较大，且定向精度不高。因此，探索全新的主被动一体振动抑制理念有重大理论意义和潜在的应用价值。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于并联机构的太阳能电池阵振动抑制系统及方法，实现期望的振动抑制指标，达到卫星平台的超静超稳控制的目的。

本发明的技术方案如下：一种基于并联机构的太阳能电池阵振动抑制系统，包括位于卫星本体和柔性太阳能电池阵驱动机构之间的Stewart并联机构；Stewart并联机构的下端与卫星本体固定联接，上端与柔性太阳能电池阵驱动机构固定联接。

所述Stewart并联机构采用基于音圈式作动器的六支杆三自由度Stewart并联机构，并采用主被动联合实现全频带振动抑制。

所述的基于音圈式作动器的六支杆三自由度Stewart并联机构包括负载平台、基台和支腿；支腿的上端通过球关节与负载平台边缘连接，支腿的下端通过万向关节与基台边缘连接；负载平台与基台分别位于通过正方体三个顶点的平面内。

所述支腿的长度相等，并分布在负载平台与基台之间。

所述支腿材料为铝镁合金。

所述支腿的数量为6个，分别沿负载平台与基台所处正方体空间的棱边安装。

所述支腿包括上分支腿、下分支腿、音圈式作动器和弹簧阻尼器；每个支腿上有一维弹性敏感元件；上、下支腿通过音圈式作动器与被动弹簧阻尼并联连接。

利用上述基于并联机构的太阳能电池阵振动抑制系统进行抑制的方法，步骤如下：

1)通过太阳能电池阵上的振动测量敏感器，获得太阳能电池阵的挠性振动位移和速度信息；

2)根据太阳能电池阵的挠性振动位移和速度信息，计算支腿的音圈式作动器的驱动电流，控制音圈式作动器输出控制力；

3)通过卫星平台的姿态测量敏感器，获取卫星平台姿态角和姿态角速度信息，计算反作用飞轮的驱动电压，控制反作用飞轮的转速，实现对卫星平台的稳定控制。

所述支腿的数量为6个，分别沿负载平台与基台所处正方体空间的棱边安装。

所述支腿包括上分支腿、下分支腿、音圈式作动器和弹簧阻尼器；每个支腿上有一维弹性敏感元件；上、下支腿通过音圈式作动器与被动弹簧阻尼并联连接。

本发明采用的方案与现有技术相比，其优点和有益效果是：

提出了基于三自由度并联机构的太阳能电池阵主被动一体振动抑制方案，利用在卫星本体和柔性太阳能电池阵驱动机构之间加入六支杆Stewart并联机构作为振动抑制平台，低频段用基于音圈式作动器的主动控制改进系统的隔振性能，高频段采用阻尼器被动隔振实现全频带隔振。解决了航天器在轨运行期间受到的环境力矩和内部扰动等不确定干扰以及姿态控制力矩激起柔性太阳能电池阵等结构的振动问题。该方案是对传统卫星大型挠性帆板隔振方法的创新，提出的概念理论上可以实现太阳帆板的完全振动抑制，能克服目前一体化卫星振动抑制方面的瓶颈，为高性能高分辨率卫星提供超静意义的力学环境

附图说明

图1为挠性航天器太阳能电池阵隔振系统总体结构示意图，

图2为Stewart并联机构示意图，

图3为支腿的结构设计示意图，

图4为音圈式作动器示意图，

图5为控制系统方案设计示意图。

具体实施方式

带太阳电池阵的卫星超静超稳控制，有两个控制目标，一是抑制太阳能电池阵高低频挠性振动，二是保证卫星平台的三轴稳定。对于太阳能电池阵高频挠性振动，主要是依赖于被动弹簧阻尼器，因此在控制方案设计中主要考虑太阳能电池阵低频挠性振动抑制。由于引起太阳帆板低频振动主要是三轴干扰力矩，因此，这里只需要对三转动自由度进行主动振动抑制控制。从振动抑制并联机构结构可以看出，六个主动杆既可以产生三转动自由度的支杆作用力矩，也能产生三平动自由度的支杆作用力，这里以负载平台低频的主动振动抑制为控制目标，根据负载平台动力学方程和支杆动力学方程，设计支杆控制律产生三转动自由度的支杆作用力矩实现同时使三平动自由度的变化范围最小。由于六主动杆产生的支杆作用力和作用力矩也会对基台，即卫星平台产生控制作用，为了实现卫星平台三轴稳定的控制目标，需在卫星姿态动力学方程中，考虑并联机构作用力矩，设计三轴卫星姿态控制律最终实现卫星平台的超静超稳控制。

本发明对挠性航天器太阳能电池阵主被动一体振动抑制系统进行方案设计，主要包含总体方案、Stewart并联机构振动抑制系统设计方案、主被动一体振动抑制系统控制方案设计。从理论上实现全频带振动抑制，达到抑制太阳能电池阵高低频挠性振动的目标，为高性能高分辨率卫星提供超静意义的力学环境。

1、总体方案

本发明在卫星本体和柔性太阳能电池阵驱动机构之间加入基于音圈式与被动阻尼器三自由度的并联机构作为振动抑制平台，用基于音圈式作动器的主动控制改进系统的低频隔振性能，高频段采用阻尼器被动隔振实现全频带隔振，这样可以使系统能耗较小。最终实现抑制外界环境力矩和内部扰动等不确定干扰的影响引起的柔性太阳能电池阵等结构的振动，实现期望的整星超静超稳指标，达到航天器主被动一体振动抑制的目的。总体方案框图如图1所示。

2、Stewart并联机构主被动振动抑制系统结构设计方案

本发明采用传统的六支杆Stewart并联机构，并联机构负载平台固连于柔性太阳能电池阵驱动机构，基台固连于卫星本体舱，上基台有六根主动杆以正交分布的形式连接。主动杆串联设计采用的结构为上、下支腿通过基于音圈式作动器与阻尼器并联相互连接，采用主被动联合来实现全频带振动抑制。理论上实现全频带振动抑制，使卫星姿态控制精度得到显著提高。

2.1Stewart并联机构结构设计

在本发明中，主被动一体振动抑制结构采用六支杆Stewart并联机构，使其具有结构紧凑、运动链短、灵敏度高、刚度高和承载能力大等优点。平台结构如图2所示，Stewart并联机构负载平台固连于柔性太阳能电池阵驱动机构，基台固连于卫星本体舱，上基台有六根主动杆以正交分布的形式连接。每根主动杆的核心部件是音圈式作动器与被动弹簧阻尼器。

图3中：六个顶点构成负载平台M，六个顶点构成基台B，其中顶点M₁、M₂、M₃、M₄、M₅、M₆和B₁、B₂、B₃、B₄、B₅、B₆分别为上、基台的球铰(保证各连杆仅受轴向力)点，且分别分布在同一圆周上，点M_O和B_O分别为两圆的圆心。上、基台用六根连杆通过上述球铰点连接，每个连杆上有一维弹性敏感元件。球铰点M₁、M₃、M₅和B₁、B₃、B₅分别三等分圆面M和B上的圆周，且∠B₁O_BB₂＝∠B₃O_BB₄＝∠B₅O_BB₆＝θ_B，∠M₁O_MM₂＝∠M₃O_MM₄＝∠M₅O_MM₆＝θ_M，θ_B、θ_M分别为上、基台的球铰定位角。

2.2支腿的结构和作动器设计

本发明中关键元器件的选取与分析是支腿结构设计的基础。支腿的结构设计分为被动隔振设计、主动隔振设计和主被动并联隔振设计。本发明采用主被动一体并联隔振设计，主动杆串联设计采用的结构为上、下支腿通过音圈式作动器与被动弹簧阻尼并联相互连接，如图3所示。通过作动器输出主动力来控制支腿长度的变化，以作动器作为出力结构对负载平台低频振动进行抑制。其中作动器的设计最为关键，在选择时须依据行程、作动力大小、质量等因素来决定。音圈式作动器基于电磁作用原理设计，当线圈通电时，由于电磁力的作用，主动杆的上下两端出现间隙，从而控制支腿长度，根据上述分析，本发明选取比较合理的音圈式作动器提供的输出力进行主动振动抑制，音圈式作动器结构如图4所示。高频段被动隔振采用被动弹簧阻尼器，这样可以使系统能耗较小。

3、主被动一体振动抑制系统控制方案设计

实现带太阳电池阵的卫星超静超稳控制，有两个控制目标：一是抑制太阳能电池阵高低频挠性振动，二是保证卫星平台的三轴稳定。对于太阳能电池阵高频挠性振动，主要是依赖于被动弹簧阻尼器，因此在控制方案设计中主要考虑太阳能电池阵低频挠性振动抑制。由于引起太阳帆板低频振动主要是三轴干扰力矩，因此，这里只需要对三转动自由度进行主动振动抑制控制。控制系统框图如图5所示。振动抑制并联机构结构负载平台动力学方程和支杆动力学方程如下所示

其中，q∈R^6×1表示负载平台平动位移与转动角度组成的向量，[M(q)]_6×6表示六自由度惯量矩阵；表示六自由度向心力和科氏力矩系数矩阵；表示六自由度并联机器人向心力和科氏力矩向量；[G(q)]_6×1表示六自由度并联机器人重力力矩向量；[F]_6×1为各驱动杆的驱动力向量。从方程中可以看出，六个主动杆既可以产生三转动自由度的支杆作用力矩，也能产生三平动自由度的支杆作用力。以负载平台低频的主动振动抑制为控制目标，根据负载平台动力学方程和支杆动力学方程，设计支杆控制律产生三转动自由度的支杆作用力矩实现同时使三平动自由度的变化范围最小。由于六主动杆产生的支杆作用力也会对基台，即卫星平台产生控制作用。为了实现卫星平台三轴稳定的控制目标，需在卫星姿态动力学方程中，需要考虑并联机构作用力矩，考虑并联机构对卫星平台影响的卫星姿态动力学方程如下所示：

其中，[J]_3×3表示卫星转动惯量，ω表示卫星三轴姿态角速度，T₁表示飞轮等执行机构产生的卫星姿态控制力矩，T₂表示支杆作用力对基台产生的控制力矩，进一步设计三轴卫星姿态控制律T₁最终实现卫星平台的超静超稳控制，达到抑制太阳能电池阵高低频挠性振动并保证卫星平台的超静超稳。

Claims (10)

1.一种基于并联机构的太阳能电池阵振动抑制系统，其特征在于：包括位于卫星本体和柔性太阳能电池阵驱动机构之间的Stewart并联机构；Stewart并联机构的下端与卫星本体固定联接，上端与柔性太阳能电池阵驱动机构固定联接。

2.根据权利要求1所述的一种基于并联机构的太阳能电池阵振动抑制系统，其特征在于：所述Stewart并联机构采用基于音圈式作动器的六支杆三自由度Stewart并联机构，并采用主被动联合实现全频带振动抑制。

3.根据权利要求2所述的一种基于并联机构的太阳能电池阵振动抑制系统，其特征在于：所述的基于音圈式作动器的六支杆三自由度Stewart并联机构包括负载平台、基台和支腿；支腿的上端通过球关节与负载平台边缘连接，支腿的下端通过万向关节与基台边缘连接；负载平台与基台分别位于通过正方体三个顶点的平面内。

4.根据权利要求2所述的一种基于并联机构的太阳能电池阵振动抑制系统，其特征在于：所述支腿的长度相等，并分布在负载平台与基台之间。

5.根据权利要求2所述的一种基于并联机构的太阳能电池阵振动抑制系统，其特征在于：所述支腿材料为铝镁合金。

6.根据权利要求4所述的一种基于并联机构的太阳能电池阵振动抑制系统，其特征在于：所述支腿的数量为6个，分别沿负载平台与基台所处正方体空间的棱边安装。

7.根据权利要求3-6任意所述的一种基于并联机构的太阳能电池阵振动抑制系统，其特征在于：所述支腿包括上分支腿、下分支腿、音圈式作动器和弹簧阻尼器；每个支腿上有一维弹性敏感元件；上、下支腿通过音圈式作动器与被动弹簧阻尼并联连接。

8.利用上述基于并联机构的太阳能电池阵振动抑制系统进行抑制的方法，其特征在于步骤如下：

1)通过太阳能电池阵上的振动测量敏感器，获得太阳能电池阵的挠性振动位移和速度信息；

2)根据太阳能电池阵的挠性振动位移和速度信息，计算支腿的音圈式作动器的驱动电流，控制音圈式作动器输出控制力；

3)通过卫星平台的姿态测量敏感器，获取卫星平台姿态角和姿态角速度信息，计算反作用飞轮的驱动电压，控制反作用飞轮的转速，实现对卫星平台的稳定控制。

9.根据权利要求8所述的一种基于并联机构的太阳能电池阵振动抑制方法，其特征在于：所述支腿的数量为6个，分别沿负载平台与基台所处正方体空间的棱边安装。

10.根据权利要求8或9所述的一种基于并联机构的太阳能电池阵振动抑制方法，其特征在于：所述支腿包括上分支腿、下分支腿、音圈式作动器和弹簧阻尼器；每个支腿上有一维弹性敏感元件；上、下支腿通过音圈式作动器与被动弹簧阻尼并联连接。