CN117389135A - 一种卫星反作用飞轮力矩控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种卫星反作用飞轮力矩控制方法及装置，能够实现反作用飞轮输出的力矩为净力矩。包括：反作用飞轮接收上位机的力矩指令；根据力矩指令和飞轮转动部件的转动惯量，计算转动部件的角加速度目标值，进入角加速度控制环；采用角速度差分方法实现角加速度目标控制，根据控制周期计算角速度增量；判定是否为第一次进入力矩控制模式，如果是则测量飞轮当前的角速度，否则以上次的目标角速度更新当前的加速度；反作用飞轮当前的角速度+角速度增量作为角速度目标值，进入角速度控制环；角速度增量式PI控制，得到电流目标值，进入电流控制环；通过电流控制，反作用飞轮电机输出力矩。

Description

一种卫星反作用飞轮力矩控制方法及装置

技术领域

本发明涉及航天的技术领域，尤其涉及一种卫星反作用飞轮力矩控制方法，以及应用这种卫星反作用飞轮力矩控制方法的装置。

背景技术

随着商业航天产业的蓬勃发展，商业卫星的数量越来越多。反作用飞轮是卫星姿态与轨道控制系统的重要执行部件之一，它根据角动量交换原理控制卫星姿态，通过飞轮的加速或者减速产生力矩，实现卫星姿态的控制。反作用飞轮产品是集精密机械、电力电子、自动控制、空间可靠性设计等集成一体化的高精密空间应用产品。目前反作用飞轮在卫星上实现姿态控制常用的有两种控制模式：转速控制模式和力矩控制模式。转速控制模式是指卫星中心计算机通过通信接口，发送转速控制指令给反作用飞轮，反作用飞轮按照接收到的转速指令控制达到相对应的转速输出。力矩控制模式是指卫星中心计算机通过通信接口，发送力矩控制指令给反作用飞轮，反作用飞轮按照接收到的力矩指令控制达到相对应的力矩输出。这两种控制方式在原理上没有本质的区别，但是力矩控制模式更为简单直接，因为转速控制模式中卫星中心计算机的转速控制指令也是根据卫星需要的控制力矩解算回来的。因此，越来越多的卫星总体，在使用反作用飞轮时采用力矩控制模式。

目前反作用飞轮的力矩控制模式大都是控制反作用飞轮中使用的驱动电机的电流来实现的。这种控制方式是根据驱动电机的力矩电流系数（一般单位为mA/mNm，其含义是电机产生1mNm力矩所需要的电流），由控制力矩指令计算出电机控制电流，通过控制驱动电机的电流来实现控制力矩输出。这种力矩控制方式输出的力矩驱动电机的输出力矩，不是飞轮的输出净力矩，具体表现在：一是飞轮在加速过程中由于摩擦损耗等，飞轮输出的净力矩小于驱动电机的输出力矩；二是飞轮在减速过程中由于摩擦损耗、电机反电动势等原因，飞轮输出的净力矩大于驱动电机的输出力矩。通过控制反作用飞轮中驱动电机的电流来实现力矩控制的这种方式，飞轮实际输出的力矩不是净力矩，即不是卫星中心计算机所需要的控制力矩，一般需要对电流进行补偿，但是补偿算法非常复杂，难以做到非常好的补偿效果。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种卫星反作用飞轮力矩控制方法，其能够实现反作用飞轮输出的力矩为净力矩，即反作用飞轮输出的力矩就是卫星中心计算机所需要的控制力矩，不需要增加额外的硬件，具有很好的通用性，不论是飞轮加速过程还是减速过程，均具有输出力矩精度高的优点，为卫星总体采用反作用飞轮力矩控制模式提供了更好的技术支持。

本发明的技术方案是：这种卫星反作用飞轮力矩控制方法，控制方案为由角加速度控制环、角速度控制环和电流控制环组成的三环控制方案，电流控制环为最内控制环，用于控制过电机绕组线圈的电流大小和方向；角速度控制环为中间控制环，用于控制转子质量块角速度大小和方向；角加速度控制环为最外控制环，用于控制转子质量块角加速度大小和方向，从而实现电机控制力矩输出；该方法包括以下步骤：

（1）反作用飞轮接收上位机的力矩指令；

（2）根据力矩指令和飞轮转动部件的转动惯量，计算转动部件的角加速度目标值，进入角加速度控制环；

（3）采用角速度差分方法实现角加速度目标控制，根据控制周期计算角速度增量；

（4）判定是否为第一次进入力矩控制模式，如果是则执行步骤（5），否则执行步骤（6）；

（5）测量飞轮当前的角速度，跳转步骤（7）；

（6）以上次的目标角速度更新当前的加速度；

（7）反作用飞轮当前的角速度+角速度增量作为角速度目标值，进入角速度控制环；

（8）角速度增量式PI控制，得到电流目标值，进入电流控制环；

（9）通过电流控制，反作用飞轮电机输出力矩。

本发明采用数字控制模式，第一步，反作用飞轮接收上位机的力矩指令；第二步，根据力矩指令和飞轮转动部件的转动惯量，计算转动部件的角加速度目标值，进入角加速度控制环；第三步，采用角速度差分方法实现角加速度目标控制，根据控制周期计算角速度增量；第四步，判定是否为第一次进入力矩控制模式，如果是则测量飞轮当前的角速度，如果否则以上次的目标角速度更新当前的加速度；第五步，飞轮当前的角速度+角速度增量作为角速度目标值，进入角速度控制环；第六步，角速度增量式PI控制，得到电流目标值，进入电流控制环；第七步，通过电流控制，飞轮电机输出力矩；因此能够实现反作用飞轮输出的力矩为净力矩，即反作用飞轮输出的力矩就是卫星中心计算机所需要的控制力矩，不需要增加额外的硬件，具有很好的通用性，不论是飞轮加速过程还是减速过程，均具有输出力矩精度高的优点，为卫星总体采用反作用飞轮力矩控制模式提供了更好的技术支持。

还提供了一种卫星反作用飞轮力矩控制装置，其包括：角加速度目标值计算模块（1）、角加速度控制环、角速度控制环、电流控制环；

反作用飞轮接收上位机的力矩指令后，通过角加速度目标值计算模块得到角加速度目标值；然后进入到角加速度控制环，角加速度控制环包括第一比较器（2）、角加速度检测模块（4）和角加速度调节器（3），得到角速度目标值；接着进入到角速度控制环，角速度控制环包括第二比较器（5）、角速度检测模块（7）和角速度调节器（6），得到电流目标值；进入电流控制环，电流控制环包括第三比较器（8）、电流检测模块（10）和电流调节器（9），得到控制电流；电机（11）根据控制电流输出力矩。

附图说明

图1是根据本发明的卫星反作用飞轮力矩控制装置的工作原理图。

图2是根据本发明的卫星反作用飞轮力矩控制方法的流程图。

具体实施方式

如图2所示，这种卫星反作用飞轮力矩控制方法，控制方案为由角加速度控制环、角速度控制环和电流控制环组成的三环控制方案，电流控制环为最内控制环，用于控制过电机绕组线圈的电流大小和方向；角速度控制环为中间控制环，用于控制转子质量块角速度大小和方向；角加速度控制环为最外控制环，用于控制转子质量块角加速度大小和方向，从而实现电机控制力矩输出；该方法包括以下步骤：

（1）反作用飞轮接收上位机的力矩指令；

（2）根据力矩指令和飞轮转动部件的转动惯量，计算转动部件的角加速度目标值，进入角加速度控制环；

（3）采用角速度差分方法实现角加速度目标控制，根据控制周期计算角速度增量；

（4）判定是否为第一次进入力矩控制模式，如果是则执行步骤（5），否则执行步骤（6）；

（5）测量飞轮当前的角速度，跳转步骤（7）；

（6）以上次的目标角速度更新当前的加速度；

（7）反作用飞轮当前的角速度+角速度增量作为角速度目标值，进入角速度控制环；

（8）角速度增量式PI控制，得到电流目标值，进入电流控制环；

（9）通过电流控制，反作用飞轮电机输出力矩。

本发明采用数字控制模式，第一步，反作用飞轮接收上位机的力矩指令；第二步，根据力矩指令和飞轮转动部件的转动惯量，计算转动部件的角加速度目标值，进入角加速度控制环；第三步，采用角速度差分方法实现角加速度目标控制，根据控制周期计算角速度增量；第四步，判定是否为第一次进入力矩控制模式，如果是则测量飞轮当前的角速度，如果否则以上次的目标角速度更新当前的加速度；第五步，飞轮当前的角速度+角速度增量作为角速度目标值，进入角速度控制环；第六步，角速度增量式PI控制，得到电流目标值，进入电流控制环；第七步，通过电流控制，飞轮电机输出力矩；因此能够实现反作用飞轮输出的力矩为净力矩，即反作用飞轮输出的力矩就是卫星中心计算机所需要的控制力矩，不需要增加额外的硬件，具有很好的通用性，不论是飞轮加速过程还是减速过程，均具有输出力矩精度高的优点，为卫星总体采用反作用飞轮力矩控制模式提供了更好的技术支持。

优选地，所述步骤（2）根据下面公式（1）计算反作用飞轮转动部件的角加速度目标值：

A=T/J （1），

其中T为反作用飞轮输出的力矩，单位为Nm；J为反作用飞轮转动部件的转动惯量，单位为kg•m²，反作用飞轮转动部件加工好后，就是一个确定的常数；A为反作用飞轮转动部件的角加速度，单位为rad/s²。

优选地，所述步骤（3）中，角加速度由角速度差分方法得到，前后两次角速度相减，再除以两次角速度测试时间差，如下公式所示：

A=dω/dt=Δω/Δt=(ω(k)-ω(k-1))/(t(k)-t(k-1))（2），

其中A为反作用飞轮转动部件的角加速度，单位为rad/s²，ω为反作用飞轮转动部件的角速度，单位为rad/s；t为时间，单位为s，ω(k)为当前测定的角速度，ω(k-1)为上次测量的角速度，t(k)为当前时刻，t(k-1)为上次测量时刻。

优选地，所述步骤（8）中，角速度增量式PI控制。为保证离散系统和连续系统具有相同的稳定性，采用双线性变换，其中比例项的迭代公式为：

（3），

积分项的迭代公式为：

（4），

PI调节器的迭代公式为：

（5），

式中，为比例增益，/>为积分增益；/>、/>为当前和上次误差输入。

如图1所示，还提供了一种卫星反作用飞轮力矩控制装置，其包括：角加速度目标值计算模块1、角加速度控制环、角速度控制环、电流控制环；

反作用飞轮接收上位机的力矩指令后，通过角加速度目标值计算模块得到角加速度目标值；然后进入到角加速度控制环，角加速度控制环包括第一比较器2、角加速度检测模块4和角加速度调节器3，得到角速度目标值；接着进入到角速度控制环，角速度控制环包括第二比较器5、角速度检测模块7和角速度调节器6，得到电流目标值；进入电流控制环，电流控制环包括第三比较器8、电流检测模块10和电流调节器9，得到控制电流；电机11根据控制电流输出力矩。

优选地，所述角加速度目标值计算模块根据公式（1）计算反作用飞轮转动部件的角加速度目标值：

A=T/J （1），

其中T为反作用飞轮输出的力矩，单位为Nm；J为反作用飞轮转动部件的转动惯量，单位为kg•m²，反作用飞轮转动部件加工好后，就是一个确定的常数；A为反作用飞轮转动部件的角加速度，单位为rad/s²。

优选地，所述角加速度目标值计算模块中，角加速度由角速度差分方法得到，前后两次角速度相减，再除以两次角速度测试时间差，如下公式所示：

A=dω/dt=Δω/Δt=(ω(k)-ω(k-1))/(t(k)-t(k-1))（2），

其中A为反作用飞轮转动部件的角加速度，单位为rad/s²，ω为反作用飞轮转动部件的角速度，单位为rad/s；t为时间，单位为s，ω(k)为当前测定的角速度，ω(k-1)为上次测量的角速度，t(k)为当前时刻，t(k-1)为上次测量时刻。

优选地，所述角加速度控制环中，角速度增量式PI控制，为保证离散系统和连续系统具有相同的稳定性，采用双线性变换，其中比例项的迭代公式为：

（3），

积分项的迭代公式为：

（4），

PI调节器的迭代公式为：

（5），

式中，为比例增益，/>为积分增益；/>、/>为当前和上次误差输入。

反作用飞轮的角动量和转速直接的关系可以用下面的公式（6）来描述：

L=Jω （6），

公式（6）中：L为角动量，单位为Nms；J为飞轮转动部件的转动惯量，单位为kg•m²，飞轮转动部件加工好后，就是一个确定的常数；ω为飞轮转动部件的角速度，单位为rad/s。

根据公式（6）反作用飞轮的角动量主要由飞轮转动部件的转动惯量和角速度决定；在飞轮转动部件转动惯量确定的情况下，飞轮的角动量与转动部件的角速度成正比。

反作用飞轮采用的驱动电机输出力矩和驱动电流的关系可以用下面的公式（7）来描述：

I=kT （7），

公式（7）中：I为驱动电机的电流，单位为A；k为驱动电机的电流力矩系数，单位为A/Nm，驱动电机型号确定的情况下，就是一个确定的常数；T为电机输出的驱动力矩，单位为Nm。

根据公式（7），反作用飞轮驱动电机的电流由驱动电机的电流力矩系数和输出力矩来决定；在驱动电机的电流力矩系数确定的情况下，驱动电机的电流与其驱动力矩成正比。因此力矩可以由驱动电机的电流控制来实现。只是这种控制方式下，没有考虑摩擦等损耗力矩，电机的输出力矩不等于飞轮输出的净力矩。

对于旋转运动，对公式（6）两边进行微分，如公式（8）所示，可到得到旋转运动的牛顿第二定律，如公式（9）所示：

dL/dt=d(Jω)/dt（8），

即，

T=JA （9）。

本发明的有益技术效果如下：

（1）本申请提出了一种卫星反作用飞轮力矩控制方法，通过该控制方法反作用飞轮输出的力矩为净力矩，即反作用飞轮输出的力矩就是卫星中心计算机所需要的控制力矩。

（2）本申请中提出的方法不需要增加额外的硬件，只需要在飞轮控制软件种增加相应的控制算法就可以实现，具有很好的通用性。

（3）本申请提出了一种卫星反作用飞轮力矩控制方法，不论是飞轮加速过程还是减速过程，均具有输出力矩精度高的优点。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种卫星反作用飞轮力矩控制方法，其特征在于：控制方案为由角加速度控制环、角速度控制环和电流控制环组成的三环控制方案，电流控制环为最内控制环，用于控制过电机绕组线圈的电流大小和方向；角速度控制环为中间控制环，用于控制转子质量块角速度大小和方向；角加速度控制环为最外控制环，用于控制转子质量块角加速度大小和方向，从而实现电机控制力矩输出；该方法包括以下步骤：

（1）反作用飞轮接收上位机的力矩指令；

（2）根据力矩指令和飞轮转动部件的转动惯量，计算转动部件的角加速度目标值，进入角加速度控制环；

（3）采用角速度差分方法实现角加速度目标控制，根据控制周期计算角速度增量；

（4）判定是否为第一次进入力矩控制模式，如果是则执行步骤（5），否则执行步骤（6）；

（5）测量飞轮当前的角速度，跳转步骤（7）；

（6）以上次的目标角速度更新当前的加速度；

（7）反作用飞轮当前的角速度+角速度增量作为角速度目标值，进入角速度控制环；

（8）角速度增量式PI控制，得到电流目标值，进入电流控制环；

（9）通过电流控制，反作用飞轮电机输出力矩。

2.根据权利要求1所述的卫星反作用飞轮力矩控制方法，其特征在于：所述步骤（2）根据公式（1）计算反作用飞轮转动部件的角加速度目标值：

A=T/J （1），

其中T为反作用飞轮输出的力矩，单位为Nm；J为反作用飞轮转动部件的转动惯量，单位为kg•m²，反作用飞轮转动部件加工好后，就是一个确定的常数；A为反作用飞轮转动部件的角加速度，单位为rad/s²。

3.根据权利要求2所述的卫星反作用飞轮力矩控制方法，其特征在于：所述步骤（3）中，角加速度由角速度差分方法得到，前后两次角速度相减，再除以两次角速度测试时间差，如下公式所示：

A=dω/dt=Δω/Δt=(ω(k)-ω(k-1))/(t(k)-t(k-1))（2），

其中A为反作用飞轮转动部件的角加速度，单位为rad/s²，ω为反作用飞轮转动部件的角速度，单位为rad/s；t为时间，单位为s，ω(k)为当前测定的角速度，ω(k-1)为上次测量的角速度，t(k)为当前时刻，t(k-1)为上次测量时刻。

4.根据权利要求3所述的卫星反作用飞轮力矩控制方法，其特征在于：所述步骤（8）中，角速度增量式PI控制，为保证离散系统和连续系统具有相同的稳定性，采用双线性变换，其中比例项的迭代公式为：

（3），

积分项的迭代公式为：

（4），

PI调节器的迭代公式为：

（5），

式中，为比例增益，/>为积分增益；/>、/>为当前和上次误差输入。

5.一种卫星反作用飞轮力矩控制装置，其特征在于：其包括：角加速度目标值计算模块（1）、角加速度控制环、角速度控制环、电流控制环；

反作用飞轮接收上位机的力矩指令后，通过角加速度目标值计算模块得到角加速度目标值；然后进入到角加速度控制环，角加速度控制环包括第一比较器（2）、角加速度检测模块（4）和角加速度调节器（3），得到角速度目标值；接着进入到角速度控制环，角速度控制环包括第二比较器（5）、角速度检测模块（7）和角速度调节器（6），得到电流目标值；进入电流控制环，电流控制环包括第三比较器（8）、电流检测模块（10）和电流调节器（9），得到控制电流；电机（11）根据控制电流输出力矩。

6.根据权利要求5所述的卫星反作用飞轮力矩控制装置，其特征在于：所述角加速度目标值计算模块根据公式（4）计算反作用飞轮转动部件的角加速度目标值：

A=T/J （1），

其中T为反作用飞轮输出的力矩，单位为Nm；J为反作用飞轮转动部件的转动惯量，单位为kg•m²，反作用飞轮转动部件加工好后，就是一个确定的常数；A为反作用飞轮转动部件的角加速度，单位为rad/s²。

7.根据权利要求6所述的卫星反作用飞轮力矩控制装置，其特征在于：所述角加速度目标值计算模块中，角加速度由角速度差分方法得到，前后两次角速度相减，再除以两次角速度测试时间差，如下公式所示：

A=dω/dt=Δω/Δt=(ω(k)-ω(k-1))/(t(k)-t(k-1)) （2），

其中A为反作用飞轮转动部件的角加速度，单位为rad/s²，ω为反作用飞轮转动部件的角速度，单位为rad/s；t为时间，单位为s，ω(k)为当前测定的角速度，ω(k-1)为上次测量的角速度，t(k)为当前时刻，t(k-1)为上次测量时刻。

8.根据权利要求7所述的卫星反作用飞轮力矩控制装置，其特征在于：所述角加速度控制环中，角速度增量式PI控制，

为保证离散系统和连续系统具有相同的稳定性，采用双线性变换，其中比例项的迭代公式为：

（3），

积分项的迭代公式为：

（4），

PI调节器的迭代公式为：

（5），

式中，为比例增益，/>为积分增益；/>、/>为当前和上次误差输入。