JP3650278B2 - フライホイールマウント機構 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、人工衛星の姿勢を安定化するホイールを衛星構体に対して傾斜させることによって、この衛星の姿勢誤差を修正するトルクを発生するための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、衛星の姿勢を制御するためのフライホイールマウント機構では、電動機を使ってその駆動力を発生させていた。
図１５は、従来のフライホイールマウント機構の構造を示す図である。
図１５において、１１はフライホイールマウント機構を衛星構体に取り付けるためのベース、フライホイールを取り付け、ベース１１に対して、その面の法線軸がベース１１の法線軸に対して角度をなすことが可能に支持された可動部、２５ａ、２５ｂおよび２５ｃは、ベース１１に取り付けられたステップモータ、２４ａ、２４ｂおよび２４ｃは、ステップモータ２５ａ、２５ｂおよび２５ｃにより回転力を受け、可動部１２を図中のｚ軸方向（ベース１１に対して鉛直方向）へ駆動するスクリュージャッキである。
【０００３】
次に、従来のフライホイールマウント機構の動作について説明する。
人工衛星の姿勢をあらかじめ定められた方位へ指向させるために、衛星に搭載されたホイールの回転軸を傾け、その際に発生する反作用トルクで衛星の向きを修正することができる。
図１５に示すフライホイールマウント機構を用い、まず、ステップモータ２５ａを回転させて、これに接続されたスクリュージャッキ２４ａがｚ軸方向へ上昇したとすると、この時、フライホイールの搭載される可動部１２はｘ軸まわりに回転することになる。このｘ軸まわりの回転角度のことをｘ軸まわりのマウント角度と呼ぶことにする。ステップモータ２５ａを駆動するかわりに、ステップモータ２５ｂおよび２５ｃを同じ角度だけ回転させ、スクリュージャッキ２４ｂおよび２４ｃを同じ距離だけ図中の−ｚ軸方向へ移動させても全く同じｘ軸周りのマウント角度を得ることができる。
【０００４】
次に、ステップモータ２５ａを固定し、ステップモータ２５ｂを駆動してスクリュージャッキ２４ｂを図中のｚ軸方向へ移動させるか、または、ステップモータ２５ｃを駆動してスクリュージャッキ２４ｃを図中の−ｚ軸方向へ移動させると、ホイールの搭載される可動部１２はｚ軸まわりに回転することになる。この回転角度のことをｚ軸まわりのマウント角度と呼ぶことにする。
このようにして、３つのステップモータ２５を用いて３つのスクリュージャッキ２４を図中の±ｚ軸方向へ駆動させることにより、可動部１２をｘ軸およびｙ軸周りに任意に傾斜させることが可能であるから、この可動部１２の上にホイールを搭載することにより、人工衛星の姿勢を修正するための制御トルクを発生させることができる。
以上のようにして、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸のそれぞれの周りのマウント角度を得ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような方式の従来のフライホイールマウント機構は、軸受、回転子、導体の巻かれた固定部等から構成されるモータ、モータを駆動する電子回路、スクリュージャッキ、ユニバーサルジョイント等、多くの部品や機構要素を必要とするために、装置が複雑かつ大型となり、また、モーターやスクリュージャッキでは潤滑を必要とする摺動部が多く、これらを用いて高い真空度や非常に大きい温度差のある宇宙空間での長時間の連続運転に耐えるフライホイールマウント機構とするためには、種々の配慮や試験が行われねばならず、コスト高になるという問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明のフライホイールマウント機構は、上記問題を解決するもので、人工衛星構体に接続される固定部と、フライホイールに接続される可動部と、固定部に対する可動部の相対角度を変化させることができるように、弾性軸受を有し、固定部に可動部を可動自在に連結する連結手段と、一方が固定部側に固着され、他方が可動部側に接続されてなり、これら一対の磁性体間に電磁吸引力を発生させることにより、固定部に対する可動部の相対角度を制御する電磁アクチュエータとを備えることを特徴とする。
【０００７】
また、前記連結手段は、電磁アクチュエータによって発生される電磁吸引力を相殺する方向の弾性力を発生する弾性体を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、前記フライホイールと人工衛星構体との相対角度を検出するための相対角度検出手段をさらに備えてなり、相対角度検出手段によって検出される相対角度に基づき、位相補償手段を用いてフィードバック制御を行うことにより、相対角度と目標相対角度との角度差を減少させる方向に、電磁アクチュエータに磁気吸引力を発生させることを特徴とする。
【０００９】
また、前記相対角度検出手段は、固定部および可動部に配設された発光素子および受光素子で構成されてなり、受光素子が発光素子から受光する光量に基づいて、固定部と可動部との相対角度を検出することを特徴とする。
【００１０】
また、前記電磁アクチュエータに供給する電流値と、固定部と可動部との相対角度とに基づき、電磁アクチュエータが発生する駆動トルクを推定する駆動力推定手段をさらに備えてなり、駆動力推定手段によって推定される駆動トルクの推定値と、目標駆動トルクとの差を減少させる方向に、電磁アクチュエータを作動させることを特徴とする。
【００１１】
また、前記相対角度検出手段によって検出される現在の相対角度と、目標相対角度との角度差に基づき、該誤差を減少させるように前記電磁アクチュエータを制御することを特徴とする請求項４に記載のフライホイールマウント機構。
【００１２】
さらに、前記人工衛生構体の姿勢運動を検出する姿勢運動検出手段を備える人工衛星構体において、位相補償手段を補完するためのサブ位相補償手段をさらに備えてなり、サブ位相補償手段のゲインおよび時定数は、衛生の姿勢運動量を減衰させるように設定されていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るフライホイールマウント機構の構成を示す図である。
図１において、１１はフライホイールマウント機構を衛星構体に取り付けるための固定部としてのベースである。可動部１２は、図示しないフライホイールを取り付け、ベース１１に対して、その法線軸がベース１１の法線軸に対してなす角度を変化させることができるように配設されている。１３ａ、１３ｂ、１３ｃおよび１３ｄは、この固定部１１に取り付けられた磁性体を主材とする４つの磁極部、また、１４ａ、１４ｂ、１４ｃおよび１４ｄは、可動部１２に取り付けられ、磁極部１３ａないし１３ｄに対向し、これらの磁極部１３ａないし１３ｄを吸引する吸引力を発生する電磁石である。電磁石１４ａないし１４ｄは、磁性体からなるコアに巻線１５を備えたものである。
なお、磁極部１３ａないし１３ｄと、電磁石１４ａないし１４ｄとはそれぞれ対をなし、電磁アクチュエータ２０ａ、２０ｂ、２０ｃおよび２０ｄを構成する。
【００１４】
次に、このフライホイールマウント機構の動作について説明する。
図２は、図１に示すフライホイールマウント機構をｙ軸方向から見た側面図である。
図３は、図１に示すフライホイールマウント機構をｘ軸方向から見た側面図である。
図２及び図３において、１６は中間枠、１７ａおよび１７ｂは、ベース１１に対し、中間枠１６を図中ｘ軸まわりに回動可能に軸止する弾性軸受、１８ａ、１８ｂは、可動部１２に対し、図中ｙ軸まわりに中間枠１６を回動可能に軸止する弾性軸受、１９はベース１１に固定された支柱である。なお、中間枠１６、弾性軸受１７、弾性軸受１８および支柱１９は、固定部たるベース１１に対して、可動部１２を可動自在に連結する連結部として機能するものである。
このような弾性軸受１７および１８により、可動部１２は、ベース１１に対して、回転中心３３を中心として、ｚ軸方向にある法線軸の角度を自在に変化させることができるように変位可能となっている。
なお、弾性軸受１７ａ、１７ｂ、１８ａおよび１８ｂは、中間枠１６の回動を制限するために、ばね等の弾性体（図示せず）を内蔵している。
従って、例えば、固定部１１に固定された電磁石１４ａ〜１４ｄの巻線１５に電流が供給されると、固定部１１と弾性軸受１８ａ、１８ｂで連結された可動部１２に固定された磁極部１３ａ〜１３ｄが電磁石１４ａ〜１４ｄに近づく方向に力が働く。例えば、図１において、電磁石１４ａの巻線１５に電流が供給されると、磁極部１３ａが電磁石１４ａに近づく方向（ｘ軸の正、かつ、ｚ軸の負の方向）に力が働く。その結果、可動部１２は、固定部１１に対してｙ軸を中心として時計回りに回転する。
【００１５】
図４は、このフライホイールマウント機構を駆動する電磁アクチュエータの構成と駆動力の発生原理を概略的に示す図である。
図４において、３０は磁極部１３と電磁石１４のコア材（磁性体）の内部を流れる磁束である。
この磁束３０は、電磁石１４と磁極部１３の間の空隙３４ａ、３４ｂにおいて湾曲するために、磁極部１３を電磁石１４に対して図中の下方へ駆動する力を生じる。この駆動力はレラクタンスの変化によって生じる力であり、その向きと大きさをベクトル３１ａ、３１ｂで表す。
【００１６】
これらの力ベクトル３１ａ、３１ｂは、機械的な回転中心３３を通らないので、磁極部１３を反時計まわりに駆動するトルクとして利用できる。
一方、空隙３４ａ、３４ｂでは磁束密度が周囲よりも高くなるので、電磁石１４が磁極部１３を吸着する電磁吸引力３２ａおよび３２ｂが発生する。これらの電磁吸引力ベクトル３２ａ、３２ｂもベクトル３１ａ、３１ｂと同様に磁極部１３を図中における下方向に駆動する力成分を備えるため、可動部１２をベース１１に対して、回転中心３３を中心とした反時計まわりの方向に回転させようとする駆動トルクとなる。
【００１７】
図５および図６は、この発明のフライホイールマウント機構の断面を示す図である。
図５および図６に示すように、電磁アクチュエータ２０によって、ｚ軸まわりの任意の方位へホイールマウント機構を傾けることが可能であることが分かる。図５は、電磁石１４ｂの巻線１５にのみ電流を供給している状態を示しており、磁極部１３ｂは、図中右下方向の吸引力を受けることになる。従って、可動部１２は、時計回りの方向のトルクを受ける。
【００１８】
図６は、電磁石１４ａの巻線１５にのみ電流を供給している状態を示しており、磁極部１３ａは、図中左下方向の力を受けることになる。従って、可動部１２は反時計回りの方向のトルクを受ける。
このように電磁石１４ａおよび１４ｂの巻き線１５に供給する電流をそれぞれ調節すれば、可動部１２をｙ軸まわりに駆動制御することが可能である。
このような原理は、ｘ軸まわりのトルクを発生させる際にも全く同様である。
【００１９】
ところで、このような電磁アクチュエータ２０を用いる場合には、その磁気吸引力は、電磁石１４と磁極部１３の位置関係に大きく依存する。即ち、電磁石１４と磁極部１３との間の空隙距離が大きければ、同一の駆動電流であっても磁気吸引力は小さく、逆に電磁石１４と磁極部１３との間の空隙距離が小さければ同一の駆動電流であっても磁気吸引力は大きい。
従って、この磁極部１３と電磁石１４との間に働く力はその相対距離に反比例し、近似的に負の剛性を有するバネにより結合されていることと等価である。
一般に負の剛性を有するバネで結合された物体の動作は不安定であり、何らかの人為的な操作によって、その動作を安定化する必要がある。また、空隙長が大きい場合には電磁アクチュエータ２０が発生する磁気吸引力が低下し、そのままでは過大な駆動電流を要することになる。
【００２０】
そこで、この発明では、ｘ軸、ｙ軸まわりの運動を支える軸受として、一般的な正の剛性を示す機械的な弾性体を内蔵する弾性軸受１７および１８を採用しており、さらに、電磁アクチュエータ２０の有する負の剛性が相殺されるように、弾性軸受１７および１８の有する正の剛性を選定している。
このように電磁アクチュエータ２０の有する負の剛性と、弾性軸受１７および１８が有する正の剛性とが相殺するので、ベース１１に対する可動部１２の動作を安定化させることができ、さらに、ベース１１に対して可動部１２のなす角度が大きい場合における電力消費量を低減することができる。
【００２１】
以上、この発明の実施の形態１に係るフライホイールマウント機構では、電磁アクチュエータ２０を用いつつ、ベース１１に対する可動部１２の動作を安定化することができると共に、大きい角度の変位に対しても、必要な電力の削減を図ることができる。
また、フライホイールマウント機構の駆動アクチュエータとして、磁気吸引力を利用した方式を用いることによって、歯車やジャッキ等の伝達機構を使用しない構造とできるために、フライホイールを傾斜させる角度の精度が向上し、また、装置の構成要素が削減されるために、装置が安価にできるとともに、長期にわたる使用においても、故障する可能性の極めて小さい、信頼性の高い装置を得ることができる。また、回転の支持方法として弾性変形を利用した軸受を採用することにより、制御の安定度を高め、姿勢センサが故障した場合に、衛星の姿勢を安定化させる機能まで付与することが可能で、衛星システムとしての信頼性をも向上させることができる。
【００２２】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２は、フライホイールマウント機構の傾き角度を計測する手段に関するものである。
図７は、フライホイールマウント機構をｙ軸方向から見た断面図である。
図７において、４１はホイールマウント部に固定され、電流の供給を受けて光線を発するＬＥＤなどの発光素子、４２はこの発光素子４１の放つ光束を受光し、そのスポットの位置を電圧として出力する受光素子としてのフォトダイオードである。
なお、ＬＥＤ４１およびフォトダイオード４２は、相対角度検出手段として機能するものである。
【００２３】
図８は、図７の発光素子と受光素子の関係を示す斜視図である。
図８には、例示的に、受光素子として、４つのエリア４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄに分割されたフォトダイオード４２を用いた構成を示す。
図８において、４３はその表面に発光素子４１が照射する光のスポットである。いま、ホイールマウントの傾きがない状態において、この光のスポットがフォトダイオード４２の中央にあるように設定されているとすると、マウンド部の傾きによって、フォトダイオード４２上のスポットがフォトダイオード４２上を移動し、その結果、フォトダイオード４２の４つのエリアの発生する光電電流のバランスが崩れるので、その大きさによって、発光素子４１の取り付けられたホイールマウント機構可動部のマウント角度を計測することができる。
【００２４】
図９は、フォトダイオード４２の発生する信号をホイールマウント機構可動部のマウント角度として抽出するための回路の一例を示す図である。
図９において、４４は電流／電圧変換器、４５は加減算演算器、４６は加算器、４７は除算器である。
受光素子４３の４つのエリアに発生した電流は、それぞれに接続された４つの電流／電圧変換器４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄにより、その電流に比例した電圧信号となる。これら４つの信号の和および差をとることによって、フライホイールマウントの傾きに比例した電圧を得ることができる。
【００２５】
例えば、加減算部４５ａは、４４ａと４４ｄの出力から４４ｂと４４ｃの出力との差を演算するので、その出力は受光素子４４上でスポット４３のｘ軸方向の動き、即ちフライホイールマウントのｙ軸まわりのマウント角度に比例した電圧を出力する。
また、加減算部４５ｂは、４４ａと４４ｂの出力から４４ｃと４４ｄの出力との差を演算するので、その出力は受光素子４４上でスポット４３のｙ軸方向の動き、即ちフライホイールマウントのｘ軸まわりのマウント角度に比例した電圧を出力することになる。
さらに、加算器４６は、４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄの出力の総和、即ち総入射光量を算出する。これは加減算器４５ａ、４５ｂの出力をこの総入射光量に比例した電圧で除算することによって、発光素子４１の経年変化等による総入射光量の増減が、検出信号へ影響しないようにするためである。
このようにして、この発明の実施の形態２に係るホイールマウント機構によれば、簡単な構成で、受光素子に入射した光線の方位だけに感度を有する角度センサを構成することができ、さらに、フライホイールを傾斜させる角度の精度が向上させることができると共に、安価に装置を提供することができる。
【００２６】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３は、このように構成されたフライホイールマウント機構を制御する手段に関するものである。
図１０は、図７に示すフライホイールマウント機構と図９に示す角度検出回路とを用いたフライホイールマウント機構の制御系のブロック図である。
図１０において、５０は相対角度検出手段としての角度検出回路、５１ｃおよび５１ｄは、駆動電磁石１４ｃおよび１４ｄへ電力を供給する電力増幅器、５２ｃおよび５２ｄはこれらの電磁石１４ｃおよび１４ｄに流れる電流を計測するための固定抵抗器、５４は制御系の安定度を高めるための位相補償器である。
【００２７】
いま、図１０の左端からホイールマウント機構への角度指令信号（電圧値）が入力されたとする。この角度指令信号は、ベース１１（人工衛星構体側）に対する可動部１２（フライホイール側）の相対角度の目標値（目標相対角度）に基づくものであり、角度検出回路５０の出力電圧（角度信号）と比較され、その角度誤差（目標相対角度と実際の相対角度の差）に相当する角度誤差信号は、位相補償器５４を通じた後に、電力増幅器５１ｃおよび５１ｄへ入力される。
【００２８】
具体的には、電力増幅器５１ｃおよび５１ｄに角度誤差信号を入力する際に、電力増幅器５１ｃへの指令信号と電力増幅器５１ｄへの指令信号とを互いに逆符号にして入力する。電磁アクチュエータ２０ｃおよび２０ｄに供給される電流は、電流検出抵抗器５２ｃおよび５２ｄにおいて、電圧値として検出され、これらの電圧値は、それぞれ、フィードバック信号として、電力増幅器５１ｃおよび５１ｄに入力される。このように、電力増幅器５１ｃおよび５１ｄには、電磁アクチュエータの電流指令信号が入力される。
【００２９】
以上より、角度誤差信号が正である場合には、電磁石１４ｃに負の電流指令が送信されると共に、電磁石１４ｄに正の電流指令が送信されることになる。一方、電力増幅器５１ｃおよび５１ｄには負の電流を供給しないように設計されているので、電磁石１４ｄに大きい電流出力が得られ、結果的に、ベース１１の角度を反時計方向に回転させて、誤差を減らすように角度を修正することができ、マウント角度の制御性の高いフライホイールマウント機構を提供することができる。
【００３０】
実施の形態４．
図１１は、この発明実施の形態４に係るフライホイールマウント機構制御装置の構成を示すブロック図である。
図１１において、５３ｃおよび５３ｄは、電磁石１４ｃおよび１４ｄに供給される電流値と、その時のマウント角度とから、電磁アクチュエータ２０ｃおよび２０ｄの発生している駆動トルクの推定値を、それぞれ算出する駆動力推定手段である。
【００３１】
実施の形態３では、図１０に示したように、位相補償器５４の出力信号を、各電磁石１４ｃおよび１４ｄへの電流指令として使用したが、この発明の実施の形態４では、図１１に示すように、位相補償器５４の出力信号を、各電磁石１４ｃおよび１４ｄへのトルク指令として使用する。このために、この発明の実施の形態４では駆動力推定手段５３ｃおよび５３ｄを設け、電磁アクチュエータ２０に供給する電流と、その時のマウント角度とから、電磁アクチュエータ２０が発生しているトルク（電磁石１４が発生する磁気吸引力）を推定する。
駆動力推定手段５３ｃおよび５３ｄで演算された電磁石１４ｃおよび１４ｄが発生する磁気吸引力の推定値は、位相補償器５４の出力信号と比較され、誤差がある場合には、これを修正するように電力増幅器４１ｃおよび４１ｄが動作する。
【００３２】
以上より、この発明の実施の形態４に係るフライホイールマウント機構によれば、電磁アクチュエータに供給する電流と、その時のマウント角度とに基づき、電磁アクチュエータ２０が現在発生しているトルクを推定し、さらに誤差がある場合には修正を行うので、電磁アクチュエータ２０に供給する電流や、空隙長変動による非線形性の影響を緩和することができ、動作の安定化および正確化を図ったフライホイールマウント機構を提供することができる。
【００３３】
実施の形態５．
図１２は、本発明の実施の形態５に係る人工衛星の姿勢制御系のブロック図である。
図１２において、６３は衛星の相対角度誤差からフライホイールマウント機構の傾き角度指令信号を生成する姿勢制御装置、６４は図１０または図１１に示したようなフライホイールマウント機構とその制御装置、６５は衛星の姿勢運動特性、６６は衛星の相対角度を検出するセンサである。
【００３４】
図１２に示す人工衛星の姿勢制御について説明する。
まず、姿勢角センサ６６により検出された衛星の姿勢を表す信号値は、電磁アクチュエータ２０に供給される指令値と比較され、これらの差である誤差信号を姿勢制御装置６３への入力とする。姿勢制御装置６３は、この姿勢誤差を最小とするために、電磁アクチュエータ２０に送信する指令信号を生成する。
このようして、姿勢誤差を最小にするために、マウント角度を変化させるための指令信号は、電磁アクチュエータ２０に送信され、マウント角度はこの指令値に一致するように、電磁アクチュエータ２０が動作する。
【００３５】
ところで、人工衛星の姿勢運動とフライホイールマウント機構のマウント角度の運動とは力学的な相互作用がある。即ち、フライホイールマウント機構を駆動することによって、その駆動力の反作用によって衛星の相対角度は影響を受ける。また、逆に、衛星の姿勢が変動すると、フライホイールマウント機構の固定部（ベース）は、衛星とともに運動するのに対して、可動部は、衛星の動きに対して遅れが生じる。その結果、可動部と固定部の相対角度、即ちマウント角度が変化するということが生じる。
従って、マウント角度を制御することによって人工衛星の姿勢を制御することが可能であり、またマウント角度を計測することによって、衛星姿勢の角速度を推定することも可能である。
【００３６】
また、マウント角度の指令信号は、相対角度検出手段である角度検出回路５０（図１２にａは図示せず）によって検出される現在の相対角度と、目標相対角度との角度差である相対角度誤差（マウント角度誤差）から生成され、この指令信号に追随してフライホイールマウント機構が制御されてマウント角度が変化するので、姿勢制御装置６３において、姿勢誤差信号に基づいて、この姿勢誤差を相殺するような指令を電磁アクチュエータ２０に送信すれば、姿勢誤差を追従するようにホイールマウント機構におけるマウント角度の制御を行うことができる。従って、マウント角度の変化の結果として生ずる反作用トルクが衛星の相対角度を姿勢角度指令に追従させるように働かせることが可能である。
以上より、この発明の実施の形態５では、図１２のように構成された制御系によって、人工衛星構体の姿勢を制御することができ、制御性を向上させたフライホイールマウント機構を提供することができる。
【００３７】
実施の形態６．
フライホイールマウント機構と衛星姿勢の相互干渉を利用すると、マウント角の変化から人工衛星の姿勢角速度を知ることができる。
この性質を利用すると、姿勢運動検出手段である姿勢センサ（図示せず）に故障等が発生してフライホイールマウント機構が使えなくなった場合でも、少なくともシステムの安定性を確保する目的のために、このフライホイールマウント機構を利用することができる。
【００３８】
図１３は、この発明の実施の形態６に係るフライホイールマウント機構の制御ブロックを示す図である。
図１３において、５４ａは通常の状態（故障の発生していない状態）でのフライホイールマウント機構を制御するための制御のメイン位相補償器であり、５４ｂは上述した姿勢センサが故障などにより使えない場合においてメイン位相補償器５４ａを補完するためのサブ位相補償器、７０はこれらの補償器の出力を切り替えるための切換器である。
【００３９】
また、図１４は、サブ位相補償器５４ｂの内部構造を詳しく表す図である。
図１４において、７１ａはｘ軸のマウント角に復元力を与えるための時定数とゲインを含むフィルタ、７１ｂはｙ軸のマウント角に復元力を与えるための時定数とゲインを含むフィルタ、７２ａおよび７２ｂは衛星の姿勢運動の周波数における駆動トルクを調整するための時定数とゲインとを含むフィルタであり、フィルタ７２ａはｘ軸まわりのマウント角を入力としてｚ軸まわりのトルクを生成し、逆にフィルタ７２ａはｚ軸まわりのマウント角を入力としてｘ軸まわりのトルクを生成するように構成されている。このようにｘ軸とｙ軸とで信号を交差させている理由は、衛星の姿勢運動の周波数におけるｘ軸まわりの姿勢角とｙ軸まわりの姿勢角との位相関係を調整する自由度を増すために有効だからである。
【００４０】
図１３および図１４のように構成されたフライホイールマウント機構の制御装置は、衛星の姿勢センサが有効に機能している正常な状態では、切換器７０はメイン位相補償器５４ａの信号を用いるように機能してマウント角度を制御するが、何らかの事情で姿勢センサ６６が使えなくなった場合には、切換器７０はサブ位相補償器５４ｂの信号を用いるように機能してマウント角度を制御する。
図１４に示すように、サブ位相補償器５４ｂのゲインや時定数は、衛星の姿勢運動の周波数において、その姿勢運動に大きく減衰させるように設定されているため、姿勢センサの信号が使えない状態においても、姿勢そのものの制御はできないにしても、姿勢の変動速度が最小となるように機能させることができる。
【００４１】
以上のように、この発明の実施の形態６に係るフライホイールマウント機構によれば、故障等により姿勢センサの信号が使えない状態においても、姿勢そのものの制御はできないにしても、姿勢の変動速度が最小となるように機能させることができ、非常時における制御性をも確保したフライホイールマウント機構を提供することができる。
【００４２】
【発明の効果】
この発明のフライホイールマウント機構は、人工衛星構体に接続される固定部と、フライホイールに接続される可動部と、固定部に対する可動部の相対角度を変化させることができるように、固定部に可動部を可動自在に連結する連結手段と、一方が固定部側に固着され、他方が可動部側に接続されてなり、これら一対の磁性体間に電磁吸引力を発生させることにより、固定部に対する可動部の相対角度を制御する電磁アクチュエータとを備えることを特徴とするので、フライホイールマウント機構の駆動アクチュエータとして、磁気吸引力を利用した方式を用いることによって、歯車やジャッキ等の伝達機構を使用しない構造とできるために、フライホイールを傾斜させる角度の精度が向上し、また、装置の構成要素が削減されるために、装置が安価にできるとともに、長期にわたる使用においても、故障する可能性の極めて小さい、信頼性の高い装置を得ることができる。また、電磁アクチュエータを用いつつ、ベースに対する可動部の動作を安定化することができると共に、大きい角度の変位に対しても、必要な電力の削減を図ることができる。
【００４３】
また、前記連結手段は、電磁アクチュエータによって発生される電磁吸引力を相殺する方向の弾性力を発生する弾性体を備えることを特徴とするので、回転の支持方法として弾性変形を利用した軸受を採用することにより、制御の安定度を高め、姿勢センサが故障した場合に、衛星の姿勢を安定化させる機能まで付与することが可能で、衛星システムとしての信頼性をも向上させることができる。また、電磁アクチュエータを用いつつ、ベースに対する可動部の動作を安定化することができると共に、大きい角度の変位に対しても、必要な電力の削減を図ることができる。
【００４４】
また、前記フライホイールと人工衛星構体との相対角度を検出するための相対角度検出手段をさらに備えてなり、相対角度検出手段によって検出される相対角度に基づき、位相補償手段を用いてフィードバック制御を行うことにより、相対角度と目標相対角度との角度差を減少させる方向に、電磁アクチュエータに磁気吸引力を発生させることを特徴とするので、マウント角度の制御性の高いフライホイールマウント機構を提供することができる。
【００４５】
また、前記相対角度検出手段は、固定部および可動部に配設された発光素子および受光素子で構成されてなり、受光素子が発光素子から受光する光量に基づいて、固定部と可動部との相対角度を検出することを特徴とするので、簡単な構成で高精度なフライホイールマウント機構を提供することができる。
【００４６】
また、前記電磁アクチュエータに供給する電流値と、固定部と可動部との相対角度とに基づき、電磁アクチュエータが発生する駆動トルクを推定する駆動力推定手段をさらに備えてなり、駆動力推定手段によって推定される駆動トルクの推定値と、目標駆動トルクとの差を減少させる方向に、電磁アクチュエータを作動させることを特徴とするので、電磁アクチュエータに供給する電流や、空隙長変動による非線形性の影響を緩和することができ、動作の安定化および正確化を図ったフライホイールマウント機構を提供することができる。
【００４７】
また、また、前記相対角度検出手段によって検出される現在の相対角度と、目標相対角度との角度差に基づき、該誤差を減少させるように前記電磁アクチュエータを制御することを特徴とするので、制御性を向上させたフライホイールマウント機構を提供することができる。
【００４８】
さらに、前記人工衛生構体の姿勢運動を検出する姿勢運動検出手段を備える人工衛星構体において、位相補償手段を補完するためのサブ位相補償手段をさらに備えてなり、サブ位相補償手段のゲインおよび時定数は、衛生の姿勢運動量を減衰させるように設定されていることを特徴とするので、故障等により姿勢センサの信号が使えない状態においても、姿勢そのものの制御はできないにしても、姿勢の変動速度が最小となるように機能させることができ、非常時における制御性をも確保したフライホイールマウント機構を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係るフライホイールマウント機構の構成を示す図である。
【図２】 図１に示すフライホイールマウント機構をｙ軸方向から見た側面図である。
【図３】 図１に示すフライホイールマウント機構をｘ軸方向から見た側面図である。
【図４】 このフライホイールマウント機構を駆動する電磁アクチュエータの構成と駆動力の発生原理を概略的に示す図である。
【図５】 この発明のフライホイールマウント機構の断面を示す図である。
【図６】 この発明のフライホイールマウント機構の断面を示す図である。
【図７】 フライホイールマウント機構をｙ軸方向から見た断面図である。
【図８】 図７の発光素子と受光素子の関係を示す斜視図である。
【図９】 フォトダイオード４２の発生する信号をホイールマウント機構可動部のマウント角度として抽出するための回路の一例を示す図である。
【図１０】 図７に示すフライホイールマウント機構と図９に示す角度検出回路とを用いたフライホイールマウント機構の制御系のブロック図である。
【図１１】 この発明実施の形態４に係るフライホイールマウント機構制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】 本発明の実施の形態５に係る人工衛星の姿勢制御系のブロック図である。
【図１３】 この発明の実施の形態６に係るフライホイールマウント機構の制御ブロックを示す図である。
【図１４】 サブ位相補償器５４ｂの内部構造を詳しく表す図である。
【図１５】 従来のフライホイールマウント機構の構造を示す図である。
【符号の説明】
１１ ベース（固定部）、１２ 可動部、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ 磁極部、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ 電磁石、１６ 中間枠（連結手段）、１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ 弾性軸受（連結手段）、１９ 支柱（連結手段）、２０ 電磁アクチュエータ、４１ ＬＥＤ（発光素子：相対角度検出手段）、４２ フォトダイオード（受光素子：相対角度検出手段）、５０ 角度検出回路（相対角度検出手段）、５４ａ メイン位相補償器（位相補償手段）、５４ｂ サブ位相補償器（サブ位相補償手段）。
【発明の属する技術分野】
この発明は、人工衛星の姿勢を安定化するホイールを衛星構体に対して傾斜させることによって、この衛星の姿勢誤差を修正するトルクを発生するための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、衛星の姿勢を制御するためのフライホイールマウント機構では、電動機を使ってその駆動力を発生させていた。
図１５は、従来のフライホイールマウント機構の構造を示す図である。
図１５において、１１はフライホイールマウント機構を衛星構体に取り付けるためのベース、フライホイールを取り付け、ベース１１に対して、その面の法線軸がベース１１の法線軸に対して角度をなすことが可能に支持された可動部、２５ａ、２５ｂおよび２５ｃは、ベース１１に取り付けられたステップモータ、２４ａ、２４ｂおよび２４ｃは、ステップモータ２５ａ、２５ｂおよび２５ｃにより回転力を受け、可動部１２を図中のｚ軸方向（ベース１１に対して鉛直方向）へ駆動するスクリュージャッキである。
【０００３】
次に、従来のフライホイールマウント機構の動作について説明する。
人工衛星の姿勢をあらかじめ定められた方位へ指向させるために、衛星に搭載されたホイールの回転軸を傾け、その際に発生する反作用トルクで衛星の向きを修正することができる。
図１５に示すフライホイールマウント機構を用い、まず、ステップモータ２５ａを回転させて、これに接続されたスクリュージャッキ２４ａがｚ軸方向へ上昇したとすると、この時、フライホイールの搭載される可動部１２はｘ軸まわりに回転することになる。このｘ軸まわりの回転角度のことをｘ軸まわりのマウント角度と呼ぶことにする。ステップモータ２５ａを駆動するかわりに、ステップモータ２５ｂおよび２５ｃを同じ角度だけ回転させ、スクリュージャッキ２４ｂおよび２４ｃを同じ距離だけ図中の−ｚ軸方向へ移動させても全く同じｘ軸周りのマウント角度を得ることができる。
【０００４】
次に、ステップモータ２５ａを固定し、ステップモータ２５ｂを駆動してスクリュージャッキ２４ｂを図中のｚ軸方向へ移動させるか、または、ステップモータ２５ｃを駆動してスクリュージャッキ２４ｃを図中の−ｚ軸方向へ移動させると、ホイールの搭載される可動部１２はｚ軸まわりに回転することになる。この回転角度のことをｚ軸まわりのマウント角度と呼ぶことにする。
このようにして、３つのステップモータ２５を用いて３つのスクリュージャッキ２４を図中の±ｚ軸方向へ駆動させることにより、可動部１２をｘ軸およびｙ軸周りに任意に傾斜させることが可能であるから、この可動部１２の上にホイールを搭載することにより、人工衛星の姿勢を修正するための制御トルクを発生させることができる。
以上のようにして、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸のそれぞれの周りのマウント角度を得ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような方式の従来のフライホイールマウント機構は、軸受、回転子、導体の巻かれた固定部等から構成されるモータ、モータを駆動する電子回路、スクリュージャッキ、ユニバーサルジョイント等、多くの部品や機構要素を必要とするために、装置が複雑かつ大型となり、また、モーターやスクリュージャッキでは潤滑を必要とする摺動部が多く、これらを用いて高い真空度や非常に大きい温度差のある宇宙空間での長時間の連続運転に耐えるフライホイールマウント機構とするためには、種々の配慮や試験が行われねばならず、コスト高になるという問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明のフライホイールマウント機構は、上記問題を解決するもので、人工衛星構体に接続される固定部と、フライホイールに接続される可動部と、固定部に対する可動部の相対角度を変化させることができるように、弾性軸受を有し、固定部に可動部を可動自在に連結する連結手段と、一方が固定部側に固着され、他方が可動部側に接続されてなり、これら一対の磁性体間に電磁吸引力を発生させることにより、固定部に対する可動部の相対角度を制御する電磁アクチュエータとを備えることを特徴とする。
【０００７】
また、前記連結手段は、電磁アクチュエータによって発生される電磁吸引力を相殺する方向の弾性力を発生する弾性体を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、前記フライホイールと人工衛星構体との相対角度を検出するための相対角度検出手段をさらに備えてなり、相対角度検出手段によって検出される相対角度に基づき、位相補償手段を用いてフィードバック制御を行うことにより、相対角度と目標相対角度との角度差を減少させる方向に、電磁アクチュエータに磁気吸引力を発生させることを特徴とする。
【０００９】
また、前記相対角度検出手段は、固定部および可動部に配設された発光素子および受光素子で構成されてなり、受光素子が発光素子から受光する光量に基づいて、固定部と可動部との相対角度を検出することを特徴とする。
【００１０】
また、前記電磁アクチュエータに供給する電流値と、固定部と可動部との相対角度とに基づき、電磁アクチュエータが発生する駆動トルクを推定する駆動力推定手段をさらに備えてなり、駆動力推定手段によって推定される駆動トルクの推定値と、目標駆動トルクとの差を減少させる方向に、電磁アクチュエータを作動させることを特徴とする。
【００１１】
また、前記相対角度検出手段によって検出される現在の相対角度と、目標相対角度との角度差に基づき、該誤差を減少させるように前記電磁アクチュエータを制御することを特徴とする請求項４に記載のフライホイールマウント機構。
【００１２】
さらに、前記人工衛生構体の姿勢運動を検出する姿勢運動検出手段を備える人工衛星構体において、位相補償手段を補完するためのサブ位相補償手段をさらに備えてなり、サブ位相補償手段のゲインおよび時定数は、衛生の姿勢運動量を減衰させるように設定されていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るフライホイールマウント機構の構成を示す図である。
図１において、１１はフライホイールマウント機構を衛星構体に取り付けるための固定部としてのベースである。可動部１２は、図示しないフライホイールを取り付け、ベース１１に対して、その法線軸がベース１１の法線軸に対してなす角度を変化させることができるように配設されている。１３ａ、１３ｂ、１３ｃおよび１３ｄは、この固定部１１に取り付けられた磁性体を主材とする４つの磁極部、また、１４ａ、１４ｂ、１４ｃおよび１４ｄは、可動部１２に取り付けられ、磁極部１３ａないし１３ｄに対向し、これらの磁極部１３ａないし１３ｄを吸引する吸引力を発生する電磁石である。電磁石１４ａないし１４ｄは、磁性体からなるコアに巻線１５を備えたものである。
なお、磁極部１３ａないし１３ｄと、電磁石１４ａないし１４ｄとはそれぞれ対をなし、電磁アクチュエータ２０ａ、２０ｂ、２０ｃおよび２０ｄを構成する。
【００１４】
次に、このフライホイールマウント機構の動作について説明する。
図２は、図１に示すフライホイールマウント機構をｙ軸方向から見た側面図である。
図３は、図１に示すフライホイールマウント機構をｘ軸方向から見た側面図である。
図２及び図３において、１６は中間枠、１７ａおよび１７ｂは、ベース１１に対し、中間枠１６を図中ｘ軸まわりに回動可能に軸止する弾性軸受、１８ａ、１８ｂは、可動部１２に対し、図中ｙ軸まわりに中間枠１６を回動可能に軸止する弾性軸受、１９はベース１１に固定された支柱である。なお、中間枠１６、弾性軸受１７、弾性軸受１８および支柱１９は、固定部たるベース１１に対して、可動部１２を可動自在に連結する連結部として機能するものである。
このような弾性軸受１７および１８により、可動部１２は、ベース１１に対して、回転中心３３を中心として、ｚ軸方向にある法線軸の角度を自在に変化させることができるように変位可能となっている。
なお、弾性軸受１７ａ、１７ｂ、１８ａおよび１８ｂは、中間枠１６の回動を制限するために、ばね等の弾性体（図示せず）を内蔵している。
従って、例えば、固定部１１に固定された電磁石１４ａ〜１４ｄの巻線１５に電流が供給されると、固定部１１と弾性軸受１８ａ、１８ｂで連結された可動部１２に固定された磁極部１３ａ〜１３ｄが電磁石１４ａ〜１４ｄに近づく方向に力が働く。例えば、図１において、電磁石１４ａの巻線１５に電流が供給されると、磁極部１３ａが電磁石１４ａに近づく方向（ｘ軸の正、かつ、ｚ軸の負の方向）に力が働く。その結果、可動部１２は、固定部１１に対してｙ軸を中心として時計回りに回転する。
【００１５】
図４は、このフライホイールマウント機構を駆動する電磁アクチュエータの構成と駆動力の発生原理を概略的に示す図である。
図４において、３０は磁極部１３と電磁石１４のコア材（磁性体）の内部を流れる磁束である。
この磁束３０は、電磁石１４と磁極部１３の間の空隙３４ａ、３４ｂにおいて湾曲するために、磁極部１３を電磁石１４に対して図中の下方へ駆動する力を生じる。この駆動力はレラクタンスの変化によって生じる力であり、その向きと大きさをベクトル３１ａ、３１ｂで表す。
【００１６】
これらの力ベクトル３１ａ、３１ｂは、機械的な回転中心３３を通らないので、磁極部１３を反時計まわりに駆動するトルクとして利用できる。
一方、空隙３４ａ、３４ｂでは磁束密度が周囲よりも高くなるので、電磁石１４が磁極部１３を吸着する電磁吸引力３２ａおよび３２ｂが発生する。これらの電磁吸引力ベクトル３２ａ、３２ｂもベクトル３１ａ、３１ｂと同様に磁極部１３を図中における下方向に駆動する力成分を備えるため、可動部１２をベース１１に対して、回転中心３３を中心とした反時計まわりの方向に回転させようとする駆動トルクとなる。
【００１７】
図５および図６は、この発明のフライホイールマウント機構の断面を示す図である。
図５および図６に示すように、電磁アクチュエータ２０によって、ｚ軸まわりの任意の方位へホイールマウント機構を傾けることが可能であることが分かる。図５は、電磁石１４ｂの巻線１５にのみ電流を供給している状態を示しており、磁極部１３ｂは、図中右下方向の吸引力を受けることになる。従って、可動部１２は、時計回りの方向のトルクを受ける。
【００１８】
図６は、電磁石１４ａの巻線１５にのみ電流を供給している状態を示しており、磁極部１３ａは、図中左下方向の力を受けることになる。従って、可動部１２は反時計回りの方向のトルクを受ける。
このように電磁石１４ａおよび１４ｂの巻き線１５に供給する電流をそれぞれ調節すれば、可動部１２をｙ軸まわりに駆動制御することが可能である。
このような原理は、ｘ軸まわりのトルクを発生させる際にも全く同様である。
【００１９】
ところで、このような電磁アクチュエータ２０を用いる場合には、その磁気吸引力は、電磁石１４と磁極部１３の位置関係に大きく依存する。即ち、電磁石１４と磁極部１３との間の空隙距離が大きければ、同一の駆動電流であっても磁気吸引力は小さく、逆に電磁石１４と磁極部１３との間の空隙距離が小さければ同一の駆動電流であっても磁気吸引力は大きい。
従って、この磁極部１３と電磁石１４との間に働く力はその相対距離に反比例し、近似的に負の剛性を有するバネにより結合されていることと等価である。
一般に負の剛性を有するバネで結合された物体の動作は不安定であり、何らかの人為的な操作によって、その動作を安定化する必要がある。また、空隙長が大きい場合には電磁アクチュエータ２０が発生する磁気吸引力が低下し、そのままでは過大な駆動電流を要することになる。
【００２０】
そこで、この発明では、ｘ軸、ｙ軸まわりの運動を支える軸受として、一般的な正の剛性を示す機械的な弾性体を内蔵する弾性軸受１７および１８を採用しており、さらに、電磁アクチュエータ２０の有する負の剛性が相殺されるように、弾性軸受１７および１８の有する正の剛性を選定している。
このように電磁アクチュエータ２０の有する負の剛性と、弾性軸受１７および１８が有する正の剛性とが相殺するので、ベース１１に対する可動部１２の動作を安定化させることができ、さらに、ベース１１に対して可動部１２のなす角度が大きい場合における電力消費量を低減することができる。
【００２１】
以上、この発明の実施の形態１に係るフライホイールマウント機構では、電磁アクチュエータ２０を用いつつ、ベース１１に対する可動部１２の動作を安定化することができると共に、大きい角度の変位に対しても、必要な電力の削減を図ることができる。
また、フライホイールマウント機構の駆動アクチュエータとして、磁気吸引力を利用した方式を用いることによって、歯車やジャッキ等の伝達機構を使用しない構造とできるために、フライホイールを傾斜させる角度の精度が向上し、また、装置の構成要素が削減されるために、装置が安価にできるとともに、長期にわたる使用においても、故障する可能性の極めて小さい、信頼性の高い装置を得ることができる。また、回転の支持方法として弾性変形を利用した軸受を採用することにより、制御の安定度を高め、姿勢センサが故障した場合に、衛星の姿勢を安定化させる機能まで付与することが可能で、衛星システムとしての信頼性をも向上させることができる。
【００２２】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２は、フライホイールマウント機構の傾き角度を計測する手段に関するものである。
図７は、フライホイールマウント機構をｙ軸方向から見た断面図である。
図７において、４１はホイールマウント部に固定され、電流の供給を受けて光線を発するＬＥＤなどの発光素子、４２はこの発光素子４１の放つ光束を受光し、そのスポットの位置を電圧として出力する受光素子としてのフォトダイオードである。
なお、ＬＥＤ４１およびフォトダイオード４２は、相対角度検出手段として機能するものである。
【００２３】
図８は、図７の発光素子と受光素子の関係を示す斜視図である。
図８には、例示的に、受光素子として、４つのエリア４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄに分割されたフォトダイオード４２を用いた構成を示す。
図８において、４３はその表面に発光素子４１が照射する光のスポットである。いま、ホイールマウントの傾きがない状態において、この光のスポットがフォトダイオード４２の中央にあるように設定されているとすると、マウンド部の傾きによって、フォトダイオード４２上のスポットがフォトダイオード４２上を移動し、その結果、フォトダイオード４２の４つのエリアの発生する光電電流のバランスが崩れるので、その大きさによって、発光素子４１の取り付けられたホイールマウント機構可動部のマウント角度を計測することができる。
【００２４】
図９は、フォトダイオード４２の発生する信号をホイールマウント機構可動部のマウント角度として抽出するための回路の一例を示す図である。
図９において、４４は電流／電圧変換器、４５は加減算演算器、４６は加算器、４７は除算器である。
受光素子４３の４つのエリアに発生した電流は、それぞれに接続された４つの電流／電圧変換器４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄにより、その電流に比例した電圧信号となる。これら４つの信号の和および差をとることによって、フライホイールマウントの傾きに比例した電圧を得ることができる。
【００２５】
例えば、加減算部４５ａは、４４ａと４４ｄの出力から４４ｂと４４ｃの出力との差を演算するので、その出力は受光素子４４上でスポット４３のｘ軸方向の動き、即ちフライホイールマウントのｙ軸まわりのマウント角度に比例した電圧を出力する。
また、加減算部４５ｂは、４４ａと４４ｂの出力から４４ｃと４４ｄの出力との差を演算するので、その出力は受光素子４４上でスポット４３のｙ軸方向の動き、即ちフライホイールマウントのｘ軸まわりのマウント角度に比例した電圧を出力することになる。
さらに、加算器４６は、４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄの出力の総和、即ち総入射光量を算出する。これは加減算器４５ａ、４５ｂの出力をこの総入射光量に比例した電圧で除算することによって、発光素子４１の経年変化等による総入射光量の増減が、検出信号へ影響しないようにするためである。
このようにして、この発明の実施の形態２に係るホイールマウント機構によれば、簡単な構成で、受光素子に入射した光線の方位だけに感度を有する角度センサを構成することができ、さらに、フライホイールを傾斜させる角度の精度が向上させることができると共に、安価に装置を提供することができる。
【００２６】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３は、このように構成されたフライホイールマウント機構を制御する手段に関するものである。
図１０は、図７に示すフライホイールマウント機構と図９に示す角度検出回路とを用いたフライホイールマウント機構の制御系のブロック図である。
図１０において、５０は相対角度検出手段としての角度検出回路、５１ｃおよび５１ｄは、駆動電磁石１４ｃおよび１４ｄへ電力を供給する電力増幅器、５２ｃおよび５２ｄはこれらの電磁石１４ｃおよび１４ｄに流れる電流を計測するための固定抵抗器、５４は制御系の安定度を高めるための位相補償器である。
【００２７】
いま、図１０の左端からホイールマウント機構への角度指令信号（電圧値）が入力されたとする。この角度指令信号は、ベース１１（人工衛星構体側）に対する可動部１２（フライホイール側）の相対角度の目標値（目標相対角度）に基づくものであり、角度検出回路５０の出力電圧（角度信号）と比較され、その角度誤差（目標相対角度と実際の相対角度の差）に相当する角度誤差信号は、位相補償器５４を通じた後に、電力増幅器５１ｃおよび５１ｄへ入力される。
【００２８】
具体的には、電力増幅器５１ｃおよび５１ｄに角度誤差信号を入力する際に、電力増幅器５１ｃへの指令信号と電力増幅器５１ｄへの指令信号とを互いに逆符号にして入力する。電磁アクチュエータ２０ｃおよび２０ｄに供給される電流は、電流検出抵抗器５２ｃおよび５２ｄにおいて、電圧値として検出され、これらの電圧値は、それぞれ、フィードバック信号として、電力増幅器５１ｃおよび５１ｄに入力される。このように、電力増幅器５１ｃおよび５１ｄには、電磁アクチュエータの電流指令信号が入力される。
【００２９】
以上より、角度誤差信号が正である場合には、電磁石１４ｃに負の電流指令が送信されると共に、電磁石１４ｄに正の電流指令が送信されることになる。一方、電力増幅器５１ｃおよび５１ｄには負の電流を供給しないように設計されているので、電磁石１４ｄに大きい電流出力が得られ、結果的に、ベース１１の角度を反時計方向に回転させて、誤差を減らすように角度を修正することができ、マウント角度の制御性の高いフライホイールマウント機構を提供することができる。
【００３０】
実施の形態４．
図１１は、この発明実施の形態４に係るフライホイールマウント機構制御装置の構成を示すブロック図である。
図１１において、５３ｃおよび５３ｄは、電磁石１４ｃおよび１４ｄに供給される電流値と、その時のマウント角度とから、電磁アクチュエータ２０ｃおよび２０ｄの発生している駆動トルクの推定値を、それぞれ算出する駆動力推定手段である。
【００３１】
実施の形態３では、図１０に示したように、位相補償器５４の出力信号を、各電磁石１４ｃおよび１４ｄへの電流指令として使用したが、この発明の実施の形態４では、図１１に示すように、位相補償器５４の出力信号を、各電磁石１４ｃおよび１４ｄへのトルク指令として使用する。このために、この発明の実施の形態４では駆動力推定手段５３ｃおよび５３ｄを設け、電磁アクチュエータ２０に供給する電流と、その時のマウント角度とから、電磁アクチュエータ２０が発生しているトルク（電磁石１４が発生する磁気吸引力）を推定する。
駆動力推定手段５３ｃおよび５３ｄで演算された電磁石１４ｃおよび１４ｄが発生する磁気吸引力の推定値は、位相補償器５４の出力信号と比較され、誤差がある場合には、これを修正するように電力増幅器４１ｃおよび４１ｄが動作する。
【００３２】
以上より、この発明の実施の形態４に係るフライホイールマウント機構によれば、電磁アクチュエータに供給する電流と、その時のマウント角度とに基づき、電磁アクチュエータ２０が現在発生しているトルクを推定し、さらに誤差がある場合には修正を行うので、電磁アクチュエータ２０に供給する電流や、空隙長変動による非線形性の影響を緩和することができ、動作の安定化および正確化を図ったフライホイールマウント機構を提供することができる。
【００３３】
実施の形態５．
図１２は、本発明の実施の形態５に係る人工衛星の姿勢制御系のブロック図である。
図１２において、６３は衛星の相対角度誤差からフライホイールマウント機構の傾き角度指令信号を生成する姿勢制御装置、６４は図１０または図１１に示したようなフライホイールマウント機構とその制御装置、６５は衛星の姿勢運動特性、６６は衛星の相対角度を検出するセンサである。
【００３４】
図１２に示す人工衛星の姿勢制御について説明する。
まず、姿勢角センサ６６により検出された衛星の姿勢を表す信号値は、電磁アクチュエータ２０に供給される指令値と比較され、これらの差である誤差信号を姿勢制御装置６３への入力とする。姿勢制御装置６３は、この姿勢誤差を最小とするために、電磁アクチュエータ２０に送信する指令信号を生成する。
このようして、姿勢誤差を最小にするために、マウント角度を変化させるための指令信号は、電磁アクチュエータ２０に送信され、マウント角度はこの指令値に一致するように、電磁アクチュエータ２０が動作する。
【００３５】
ところで、人工衛星の姿勢運動とフライホイールマウント機構のマウント角度の運動とは力学的な相互作用がある。即ち、フライホイールマウント機構を駆動することによって、その駆動力の反作用によって衛星の相対角度は影響を受ける。また、逆に、衛星の姿勢が変動すると、フライホイールマウント機構の固定部（ベース）は、衛星とともに運動するのに対して、可動部は、衛星の動きに対して遅れが生じる。その結果、可動部と固定部の相対角度、即ちマウント角度が変化するということが生じる。
従って、マウント角度を制御することによって人工衛星の姿勢を制御することが可能であり、またマウント角度を計測することによって、衛星姿勢の角速度を推定することも可能である。
【００３６】
また、マウント角度の指令信号は、相対角度検出手段である角度検出回路５０（図１２にａは図示せず）によって検出される現在の相対角度と、目標相対角度との角度差である相対角度誤差（マウント角度誤差）から生成され、この指令信号に追随してフライホイールマウント機構が制御されてマウント角度が変化するので、姿勢制御装置６３において、姿勢誤差信号に基づいて、この姿勢誤差を相殺するような指令を電磁アクチュエータ２０に送信すれば、姿勢誤差を追従するようにホイールマウント機構におけるマウント角度の制御を行うことができる。従って、マウント角度の変化の結果として生ずる反作用トルクが衛星の相対角度を姿勢角度指令に追従させるように働かせることが可能である。
以上より、この発明の実施の形態５では、図１２のように構成された制御系によって、人工衛星構体の姿勢を制御することができ、制御性を向上させたフライホイールマウント機構を提供することができる。
【００３７】
実施の形態６．
フライホイールマウント機構と衛星姿勢の相互干渉を利用すると、マウント角の変化から人工衛星の姿勢角速度を知ることができる。
この性質を利用すると、姿勢運動検出手段である姿勢センサ（図示せず）に故障等が発生してフライホイールマウント機構が使えなくなった場合でも、少なくともシステムの安定性を確保する目的のために、このフライホイールマウント機構を利用することができる。
【００３８】
図１３は、この発明の実施の形態６に係るフライホイールマウント機構の制御ブロックを示す図である。
図１３において、５４ａは通常の状態（故障の発生していない状態）でのフライホイールマウント機構を制御するための制御のメイン位相補償器であり、５４ｂは上述した姿勢センサが故障などにより使えない場合においてメイン位相補償器５４ａを補完するためのサブ位相補償器、７０はこれらの補償器の出力を切り替えるための切換器である。
【００３９】
また、図１４は、サブ位相補償器５４ｂの内部構造を詳しく表す図である。
図１４において、７１ａはｘ軸のマウント角に復元力を与えるための時定数とゲインを含むフィルタ、７１ｂはｙ軸のマウント角に復元力を与えるための時定数とゲインを含むフィルタ、７２ａおよび７２ｂは衛星の姿勢運動の周波数における駆動トルクを調整するための時定数とゲインとを含むフィルタであり、フィルタ７２ａはｘ軸まわりのマウント角を入力としてｚ軸まわりのトルクを生成し、逆にフィルタ７２ａはｚ軸まわりのマウント角を入力としてｘ軸まわりのトルクを生成するように構成されている。このようにｘ軸とｙ軸とで信号を交差させている理由は、衛星の姿勢運動の周波数におけるｘ軸まわりの姿勢角とｙ軸まわりの姿勢角との位相関係を調整する自由度を増すために有効だからである。
【００４０】
図１３および図１４のように構成されたフライホイールマウント機構の制御装置は、衛星の姿勢センサが有効に機能している正常な状態では、切換器７０はメイン位相補償器５４ａの信号を用いるように機能してマウント角度を制御するが、何らかの事情で姿勢センサ６６が使えなくなった場合には、切換器７０はサブ位相補償器５４ｂの信号を用いるように機能してマウント角度を制御する。
図１４に示すように、サブ位相補償器５４ｂのゲインや時定数は、衛星の姿勢運動の周波数において、その姿勢運動に大きく減衰させるように設定されているため、姿勢センサの信号が使えない状態においても、姿勢そのものの制御はできないにしても、姿勢の変動速度が最小となるように機能させることができる。
【００４１】
以上のように、この発明の実施の形態６に係るフライホイールマウント機構によれば、故障等により姿勢センサの信号が使えない状態においても、姿勢そのものの制御はできないにしても、姿勢の変動速度が最小となるように機能させることができ、非常時における制御性をも確保したフライホイールマウント機構を提供することができる。
【００４２】
【発明の効果】
この発明のフライホイールマウント機構は、人工衛星構体に接続される固定部と、フライホイールに接続される可動部と、固定部に対する可動部の相対角度を変化させることができるように、固定部に可動部を可動自在に連結する連結手段と、一方が固定部側に固着され、他方が可動部側に接続されてなり、これら一対の磁性体間に電磁吸引力を発生させることにより、固定部に対する可動部の相対角度を制御する電磁アクチュエータとを備えることを特徴とするので、フライホイールマウント機構の駆動アクチュエータとして、磁気吸引力を利用した方式を用いることによって、歯車やジャッキ等の伝達機構を使用しない構造とできるために、フライホイールを傾斜させる角度の精度が向上し、また、装置の構成要素が削減されるために、装置が安価にできるとともに、長期にわたる使用においても、故障する可能性の極めて小さい、信頼性の高い装置を得ることができる。また、電磁アクチュエータを用いつつ、ベースに対する可動部の動作を安定化することができると共に、大きい角度の変位に対しても、必要な電力の削減を図ることができる。
【００４３】
また、前記連結手段は、電磁アクチュエータによって発生される電磁吸引力を相殺する方向の弾性力を発生する弾性体を備えることを特徴とするので、回転の支持方法として弾性変形を利用した軸受を採用することにより、制御の安定度を高め、姿勢センサが故障した場合に、衛星の姿勢を安定化させる機能まで付与することが可能で、衛星システムとしての信頼性をも向上させることができる。また、電磁アクチュエータを用いつつ、ベースに対する可動部の動作を安定化することができると共に、大きい角度の変位に対しても、必要な電力の削減を図ることができる。
【００４４】
また、前記フライホイールと人工衛星構体との相対角度を検出するための相対角度検出手段をさらに備えてなり、相対角度検出手段によって検出される相対角度に基づき、位相補償手段を用いてフィードバック制御を行うことにより、相対角度と目標相対角度との角度差を減少させる方向に、電磁アクチュエータに磁気吸引力を発生させることを特徴とするので、マウント角度の制御性の高いフライホイールマウント機構を提供することができる。
【００４５】
また、前記相対角度検出手段は、固定部および可動部に配設された発光素子および受光素子で構成されてなり、受光素子が発光素子から受光する光量に基づいて、固定部と可動部との相対角度を検出することを特徴とするので、簡単な構成で高精度なフライホイールマウント機構を提供することができる。
【００４６】
また、前記電磁アクチュエータに供給する電流値と、固定部と可動部との相対角度とに基づき、電磁アクチュエータが発生する駆動トルクを推定する駆動力推定手段をさらに備えてなり、駆動力推定手段によって推定される駆動トルクの推定値と、目標駆動トルクとの差を減少させる方向に、電磁アクチュエータを作動させることを特徴とするので、電磁アクチュエータに供給する電流や、空隙長変動による非線形性の影響を緩和することができ、動作の安定化および正確化を図ったフライホイールマウント機構を提供することができる。
【００４７】
また、また、前記相対角度検出手段によって検出される現在の相対角度と、目標相対角度との角度差に基づき、該誤差を減少させるように前記電磁アクチュエータを制御することを特徴とするので、制御性を向上させたフライホイールマウント機構を提供することができる。
【００４８】
さらに、前記人工衛生構体の姿勢運動を検出する姿勢運動検出手段を備える人工衛星構体において、位相補償手段を補完するためのサブ位相補償手段をさらに備えてなり、サブ位相補償手段のゲインおよび時定数は、衛生の姿勢運動量を減衰させるように設定されていることを特徴とするので、故障等により姿勢センサの信号が使えない状態においても、姿勢そのものの制御はできないにしても、姿勢の変動速度が最小となるように機能させることができ、非常時における制御性をも確保したフライホイールマウント機構を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１に係るフライホイールマウント機構の構成を示す図である。
【図２】 図１に示すフライホイールマウント機構をｙ軸方向から見た側面図である。
【図３】 図１に示すフライホイールマウント機構をｘ軸方向から見た側面図である。
【図４】 このフライホイールマウント機構を駆動する電磁アクチュエータの構成と駆動力の発生原理を概略的に示す図である。
【図５】 この発明のフライホイールマウント機構の断面を示す図である。
【図６】 この発明のフライホイールマウント機構の断面を示す図である。
【図７】 フライホイールマウント機構をｙ軸方向から見た断面図である。
【図８】 図７の発光素子と受光素子の関係を示す斜視図である。
【図９】 フォトダイオード４２の発生する信号をホイールマウント機構可動部のマウント角度として抽出するための回路の一例を示す図である。
【図１０】 図７に示すフライホイールマウント機構と図９に示す角度検出回路とを用いたフライホイールマウント機構の制御系のブロック図である。
【図１１】 この発明実施の形態４に係るフライホイールマウント機構制御装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】 本発明の実施の形態５に係る人工衛星の姿勢制御系のブロック図である。
【図１３】 この発明の実施の形態６に係るフライホイールマウント機構の制御ブロックを示す図である。
【図１４】 サブ位相補償器５４ｂの内部構造を詳しく表す図である。
【図１５】 従来のフライホイールマウント機構の構造を示す図である。
【符号の説明】
１１ ベース（固定部）、１２ 可動部、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ 磁極部、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ 電磁石、１６ 中間枠（連結手段）、１７ａ、１７ｂ、１８ａ、１８ｂ 弾性軸受（連結手段）、１９ 支柱（連結手段）、２０ 電磁アクチュエータ、４１ ＬＥＤ（発光素子：相対角度検出手段）、４２ フォトダイオード（受光素子：相対角度検出手段）、５０ 角度検出回路（相対角度検出手段）、５４ａ メイン位相補償器（位相補償手段）、５４ｂ サブ位相補償器（サブ位相補償手段）。
Claims (7)
- 人工衛星構体に接続される固定部と、
フライホイールに接続される可動部と、
前記固定部に対する前記可動部の相対角度を変化させることができるように、弾性軸受を有し、前記固定部に前記可動部を可動自在に連結する連結手段と、
一方が前記固定部側に固着され、他方が前記可動部側に接続されてなり、これら一対の磁性体間に電磁吸引力を発生させることにより、前記固定部に対する前記可動部の相対角
度を制御する電磁アクチュエータと、
を備えることを特徴とするフライホイールマウント機構。 - 前記連結手段は、前記電磁アクチュエータによって発生される電磁吸引力を相殺する方向の弾性力を発生する弾性体を備えることを特徴とする請求項１に記載のフライホイールマウント機構。
- 前記フライホイールと前記人工衛星構体との相対角度を検出するための相対角度検出手段をさらに備えてなり、
前記相対角度検出手段によって検出される相対角度に基づき、位相補償手段を用いてフィードバック制御を行うことにより、該相対角度と目標相対角度との角度差を減少させる方向に、前記電磁アクチュエータに磁気吸引力を発生させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフライホイールマウント機構。 - 前記相対角度検出手段は、前記固定部および可動部に配設された発光素子および受光素子で構成されてなり、前記受光素子が前記発光素子から受光する光量に
基づいて、前記固定部と前記可動部との相対角度を検出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフライホイールマウント機構。 - 前記電磁アクチュエータに供給する電流値と、前記固定部と前記可動部との相対角度とに基づき、前記電磁アクチュエータが発生する駆動トルクを推定する駆動力推定手段をさらに備えてなり、
前記駆動力推定手段によって推定される駆動トルクの推定値と、目標駆動トルクとの差を減少させる方向に、前記電磁アクチュエータを作動させることを特徴とする請求項４に記載のフライホイールマウント機構。 - 前記相対角度検出手段によって検出される現在の相対角度と、目標相対角度との角度差に基づき、該誤差を減少させるように前記電磁アクチュエータを制御することを特徴とする請求項４に記載のフライホイールマウント機構。
- 前記人工衛生構体の姿勢運動を検出する姿勢運動検出手段を備える人工衛星構体において、前記位相補償手段を補完するためのサブ位相補償手段をさらに備えてなり、
前記サブ位相補償手段のゲインおよび時定数は、衛生の姿勢運動量を減衰させるように設定されていることを特徴とする請求項４に記載のフライホイールマウント機構。
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