CN114408220A - 磁浮作动器力臂在轨标定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁浮作动器力臂在轨标定方法及系统，通过单路磁浮作动器施加大小固定的冲量，根据载荷舱质量特性及陀螺输出角速度进行该路磁浮作动器的力臂标定。本发明解决了磁浮作动器安装位置受到地面安装精度误差、应力释放及空间环境热变形等影响导致其力臂测量不准确进而影响载荷舱姿态控制的问题。本专利采用的方法简单、科学，适用于大部分执行机构在轨的作用力臂测量及标定；本发明结构合理，使用方便，能够克服现有技术的缺陷。

Description

磁浮作动器力臂在轨标定方法及系统

技术领域

本发明涉及双超卫星载荷舱姿态控制领域，具体地，涉及一种磁浮作动器力臂在轨标定方法及系统。

背景技术

双超卫星平台作为一种全新的超高指向精度和稳定度卫星平台，通过非接触式的磁浮作动器将平台舱和载荷舱隔离，保证了载荷舱不受平台微振动干扰。载荷舱的姿态控制，完全通过两舱间磁浮作动器产生的控制力矩实现。高精度高带宽的磁浮作动器对控制电流响应极为敏感，其产生的控制力矩将直接影响载荷舱的姿态控制精度。

由于在地面对磁浮作动器的安装精度存在误差，且卫星在轨受到热环境等影响，会导致磁浮作动器的安装位置发生相应偏差，为了保证载荷舱的高精度姿态控制，需对磁浮作动器的控制力臂进行在轨标定。

技术文献《动力偶臂测量研究》在质心测量的基础上，利用专用卡具法测量动力偶臂，其适用于地面试验测量，无法满足在轨对作用力臂的测量；专利文献CN106289246公开了基于位置和姿态测量系统的柔性杆臂测量方法，利用柔性杆的位置速度变化信息，得到各测量单元之间的相对变化量，用于测量挠性变形时多载荷之间柔性基线长度，不涉及磁浮作动器的力臂测量原理问题，也不适用于空间在轨对执行机构作用力臂的测量和标定。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种磁浮作动器力臂在轨标定方法及系统。

根据本发明提供的一种磁浮作动器力臂在轨标定方法，包括：

步骤S1：在两舱解锁后，处于磁浮稳态工况下，开展标定试验，获取标定试验开展信息；

步骤S2：根据标定试验开展信息，对单路磁浮作动器施加固定大小和脉宽的控制电流，产生作用力，改变载荷舱的角动量，获取载荷舱的角动量改变结果信息；

步骤S3：根据载荷舱的角动量改变结果信息，依据载荷舱的质量特性和角速度测量值，计算得到磁浮作动器作用前后载荷舱的角动量变化，获取磁浮作动器作用前后载荷舱的角动量变化计算结果信息；

步骤S4：根据获取磁浮作动器作用前后载荷舱的角动量变化计算结果信息，依据角动量守恒定理，解算磁浮作动器控制力臂，获取磁浮作动器控制力臂解算结果信息；

步骤S5：重复上述步骤2-4，得到多组力臂值，取其平均值作为该路磁浮作动器的力臂标定值；

步骤S6：重复步骤1-5，对不同路磁浮作动器的力臂进行在轨标定；

步骤S7：获取磁浮作动器力臂在轨标定结果信息。

优选地，所述步骤S2包括：

步骤S2.1：通过给单路磁浮作动器施加固定大小I和固定脉宽τ的控制电流实现载荷舱角动量改变；单路磁浮作动器施加在载荷舱的角动量为：

H_c＝(r×kI)τ；

其中：k为磁浮作动器的力常数；

r为磁浮作动器作用力臂；

I为磁浮作动器的控制电流，和磁场相互作用产生控制力。

优选地，所述步骤S3包括：

所述步骤S3.1：载荷舱安装高精度光纤陀螺，测量得到磁浮作动器施加作用前载荷舱的姿态相对于J2000的姿态角速度ω₁和磁浮作动器施加作用后载荷舱的姿态相对于J2000的姿态角速度ω₂；

根据载荷舱相对整星质心的转动惯量J计算得到磁浮作动器作用前后载荷舱的角动量变化为：

ΔH＝H₂-H₁＝J(ω₂-ω₁)；

其中：

优选地，所述步骤S4包括：

所述步骤S4.1：根据角动量守恒有：

ΔH＝J(ω₂-ω₁)＝(r×kI)τ；

求解可得到该磁浮作动器的力臂值r的三个分量(r_x；r_y；r_z)。

优选地，所述步骤S5包括：

所述步骤S5.1：为了保证测量力臂的准确性，需重复步骤2～4，多次测量解算出多组控制力臂值r_j,j＝1,2,3,...,n，并取其平均值作为磁浮作动器的在轨控制力臂标定值，计算公式如下：

根据本发明提供的一种磁浮作动器力臂在轨标定系统，包括：

模块M1：在两舱解锁后，处于磁浮稳态工况下，开展标定试验，获取标定试验开展信息；

模块M2：根据标定试验开展信息，对单路磁浮作动器施加固定大小和脉宽的控制电流，产生作用力，改变载荷舱的角动量，获取载荷舱的角动量改变结果信息；

模块M3：根据载荷舱的角动量改变结果信息，依据载荷舱的质量特性和角速度测量值，计算得到磁浮作动器作用前后载荷舱的角动量变化，获取磁浮作动器作用前后载荷舱的角动量变化计算结果信息；

模块M4：根据获取磁浮作动器作用前后载荷舱的角动量变化计算结果信息，依据角动量守恒定理，解算磁浮作动器控制力臂，获取磁浮作动器控制力臂解算结果信息；

模块M5：重复上述步骤2-4，得到多组力臂值，取其平均值作为该路磁浮作动器的力臂标定值；

模块M6：重复步骤1-5，对不同路磁浮作动器的力臂进行在轨标定；

模块M7：获取磁浮作动器力臂在轨标定结果信息。

优选地，所述模块M2包括：

模块M2.1：通过给单路磁浮作动器施加固定大小I和固定脉宽τ的控制电流实现载荷舱角动量改变；单路磁浮作动器施加在载荷舱的角动量为：

H_c＝(r×kI)τ；

其中：k为磁浮作动器的力常数；

r为磁浮作动器作用力臂；

I为磁浮作动器的控制电流，和磁场相互作用产生控制力。

优选地，所述模块M3包括：

所述模块M3.1：载荷舱安装高精度光纤陀螺，测量得到磁浮作动器施加作用前载荷舱的姿态相对于J2000的姿态角速度ω₁和磁浮作动器施加作用后载荷舱的姿态相对于J2000的姿态角速度ω₂；

根据载荷舱相对整星质心的转动惯量J计算得到磁浮作动器作用前后载荷舱的角动量变化为：

ΔH＝H₂-H₁＝J(ω₂-ω₁)；

其中：

优选地，所述模块M4包括：

所述模块M4.1：根据角动量守恒有：

ΔH＝J(ω₂-ω₁)＝(r×kI)τ；

求解可得到该磁浮作动器的力臂值r的三个分量(r_x；r_y；r_z)。

优选地，所述模块M5包括：

所述模块M5.1：为了保证测量力臂的准确性，需重复步骤2～4，多次测量解算出多组控制力臂值r_j,j＝1,2,3,...,n，并取其平均值作为磁浮作动器的在轨控制力臂标定值，计算公式如下：

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本专利采用的方法简单、科学，适用于大部分执行机构在轨的作用力臂测量及标定；

2、本发明结构合理，使用方便，能够克服现有技术的缺陷；

3、本发明解决了磁浮作动器安装位置受到地面安装精度误差、应力释放及空间环境热变形等影响导致其力臂测量不准确进而影响载荷舱姿态控制的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明提供的磁浮作动器力臂在轨标定方法的实施流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

1.控制整星处于稳定状态平台舱和载荷舱解锁，此时开展磁浮作动器的力臂在轨标定试验；

2.首先选择其中一个磁浮作动器，对其中一路施加施加固定大小I＝100mA和固定脉宽τ＝20ms，得到磁浮作动器产生的Z方向的控制力F＝kI＝0.1×0.1＝0.01N和冲量F_fτ＝0.01×0.02＝2×10^-4Nms；则产生的角动量为：

H_c＝(r×F)τ (1)

3.记录磁浮作动器施加控制电流前多组载荷舱光纤陀螺的数据ω_1i,i＝1,2,...,20，求平均得到载荷舱角速度值：

记录磁浮作动器施加控制电流后多组载荷舱光纤陀螺的数据ω_2i,i＝1,2,...,20：求平均得到载荷舱角速度值：

载荷舱转动惯量表达为：

则可得载荷舱角动量变化为：

ΔH＝Jω₂-Jω₁ (5)

4.则根据角动量守恒，可得如下表达式成立：

ΔH＝J(ω₂-ω₁)＝(r×kI)τ (6)

带入有：

则控制力臂为：

5.对同一磁浮作动器n组不同力臂标定值，取平均值：

6.根据上述步骤，对其余舱间布置的磁浮作动器控制力臂进行在轨标定。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种磁浮作动器力臂在轨标定方法，其特征在于，包括：

步骤S1：在两舱解锁后，处于磁浮稳态工况下，开展标定试验，获取标定试验开展信息；

步骤S2：根据标定试验开展信息，对单路磁浮作动器施加固定大小和脉宽的控制电流，产生作用力，改变载荷舱的角动量，获取载荷舱的角动量改变结果信息；

步骤S3：根据载荷舱的角动量改变结果信息，依据载荷舱的质量特性和角速度测量值，计算得到磁浮作动器作用前后载荷舱的角动量变化，获取磁浮作动器作用前后载荷舱的角动量变化计算结果信息；

步骤S4：根据获取磁浮作动器作用前后载荷舱的角动量变化计算结果信息，依据角动量守恒定理，解算磁浮作动器控制力臂，获取磁浮作动器控制力臂解算结果信息；

步骤S5：重复上述步骤2-4，得到多组力臂值，取其平均值作为该路磁浮作动器的力臂标定值；

步骤S6：重复步骤1-5，对不同路磁浮作动器的力臂进行在轨标定；

步骤S7：获取磁浮作动器力臂在轨标定结果信息。

2.根据权利要求1所述的磁浮作动器力臂在轨标定方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

步骤S2.1：通过给单路磁浮作动器施加固定大小I和固定脉宽τ的控制电流实现载荷舱角动量改变；单路磁浮作动器施加在载荷舱的角动量为：

H_c＝(r×kI)τ；

其中：k为磁浮作动器的力常数；

r为磁浮作动器作用力臂；

I为磁浮作动器的控制电流，和磁场相互作用产生控制力。

3.根据权利要求2所述的磁浮作动器力臂在轨标定方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

所述步骤S3.1：载荷舱安装高精度光纤陀螺，测量得到磁浮作动器施加作用前载荷舱的姿态相对于J2000的姿态角速度ω₁和磁浮作动器施加作用后载荷舱的姿态相对于J2000的姿态角速度ω₂；

根据载荷舱相对整星质心的转动惯量J计算得到磁浮作动器作用前后载荷舱的角动量变化为：

ΔH＝H₂-H₁＝J(ω₂-ω₁)；

其中：

4.根据权利要求3所述的磁浮作动器力臂在轨标定方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

所述步骤S4.1：根据角动量守恒有：

ΔH＝J(ω₂-ω₁)＝(r×kI)τ；

求解可得到该磁浮作动器的力臂值r的三个分量(r_x；r_y；r_z)。

5.根据权利要求4所述的磁浮作动器力臂在轨标定方法，其特征在于，所述步骤S5包括：

所述步骤S5.1：为了保证测量力臂的准确性，需重复步骤2～4，多次测量解算出多组控制力臂值r_j,j＝1,2,3,...,n，并取其平均值作为磁浮作动器的在轨控制力臂标定值，计算公式如下：

6.一种磁浮作动器力臂在轨标定系统，其特征在于，包括：

模块M1：在两舱解锁后，处于磁浮稳态工况下，开展标定试验，获取标定试验开展信息；

模块M2：根据标定试验开展信息，对单路磁浮作动器施加固定大小和脉宽的控制电流，产生作用力，改变载荷舱的角动量，获取载荷舱的角动量改变结果信息；

模块M3：根据载荷舱的角动量改变结果信息，依据载荷舱的质量特性和角速度测量值，计算得到磁浮作动器作用前后载荷舱的角动量变化，获取磁浮作动器作用前后载荷舱的角动量变化计算结果信息；

模块M4：根据获取磁浮作动器作用前后载荷舱的角动量变化计算结果信息，依据角动量守恒定理，解算磁浮作动器控制力臂，获取磁浮作动器控制力臂解算结果信息；

模块M5：重复上述步骤2-4，得到多组力臂值，取其平均值作为该路磁浮作动器的力臂标定值；

模块M6：重复步骤1-5，对不同路磁浮作动器的力臂进行在轨标定；

模块M7：获取磁浮作动器力臂在轨标定结果信息。

7.根据权利要求6所述的磁浮作动器力臂在轨标定系统，其特征在于，所述模块M2包括：

模块M2.1：通过给单路磁浮作动器施加固定大小I和固定脉宽τ的控制电流实现载荷舱角动量改变；单路磁浮作动器施加在载荷舱的角动量为：

H_c＝(r×kI)τ；

其中：k为磁浮作动器的力常数；

r为磁浮作动器作用力臂；

I为磁浮作动器的控制电流，和磁场相互作用产生控制力。

8.根据权利要求7所述的磁浮作动器力臂在轨标定系统，其特征在于，所述模块M3包括：

所述模块M3.1：载荷舱安装高精度光纤陀螺，测量得到磁浮作动器施加作用前载荷舱的姿态相对于J2000的姿态角速度ω₁和磁浮作动器施加作用后载荷舱的姿态相对于J2000的姿态角速度ω₂；

根据载荷舱相对整星质心的转动惯量J计算得到磁浮作动器作用前后载荷舱的角动量变化为：

ΔH＝H₂-H₁＝J(ω₂-ω₁)；

其中：

9.根据权利要求8所述的磁浮作动器力臂在轨标定系统，其特征在于，所述模块M4包括：

所述模块M4.1：根据角动量守恒有：

ΔH＝J(ω₂-ω₁)＝(r×kI)τ；

求解可得到该磁浮作动器的力臂值r的三个分量(r_x；r_y；r_z)。

10.根据权利要求9所述的磁浮作动器力臂在轨标定系统，其特征在于，所述模块M5包括：

所述模块M5.1：为了保证测量力臂的准确性，需重复步骤2～4，多次测量解算出多组控制力臂值r_j,j＝1,2,3,...,n，并取其平均值作为磁浮作动器的在轨控制力臂标定值，计算公式如下：

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