JP5197498B2 - ジンバル制御装置 - Google Patents
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Description
この従来技術は、ジャイロ機構10を人工衛星の姿勢制御装置として適用する場合に、人工衛星に伝達するジャイロ・トルクから脈動トルクを除去する方法である。しかしながら、ホイール・モータ4およびジンバル・モータ7に加えて、ジンバル・ハウジング2に対してロータ1を非接触支持するための磁気軸受を追加する必要がある。この結果、構造の複雑化、質量の増加、および信頼性の低下を招くという問題がある。
先の図12に示した構成のもと、ホイール・モータ4によって、ロータ1を所定の角速度でスピン軸(Z軸)回りに回転させる。さらに、ジンバル・モータ7によって、ロータ1、ジンバル・ハウジング2、ホイール軸受3、およびホイール・モータ4全体をジンバル軸(X軸)回りに回転させる。これにより、ロータ1が有するスピン軸(Z軸)方向の角運動量ベクトルと、ジンバル・モータ7によるロータ1のジンバル軸(X軸)方向の角速度ベクトルとの外積で与えられるトルク出力軸(Y軸)方向のジャイロ・トルクが、外界に対して出力される。
21:固定座標系に対する回転座標系の回転方向を、矢印で表したもの。
22:制御ブロック20の動作後における、低域通過フィルタ16の出力が描く軌跡を矢印で表したものであり、固定座標変換器18における進相量が最適値の場合
23:制御ブロック20の動作後における、低域通過フィルタ16の出力が描く軌跡を矢印で表したものであり、固定座標変換器18における進相量が最適値よりも小さい場合
24:制御ブロック20の動作後における、低域通過フィルタ16の出力が描く軌跡を矢印で表したものであり、固定座標変換器18における進相量が最適値よりも大きい場合
J:ロータ1、ジンバル・ハウジング2、ホイール軸受3、およびホイール・モータ4全体のジンバル軸(X軸)回りの慣性モーメント
KD:速度制御器12の比例ゲイン
ωLPF :低域通過フィルタ16におけるカットオフ周波数
KI :積分器17における比例係数
先の実施の形態1では、外部からジンバル角度指令θCが与えられた場合の制御方法について説明した。これに対して、本実施の形態2では、外部からジンバル角速度指令ωCが与えられた場合に、同様の制御方法を適用する場合について説明する。
本実施の形態3では、制御ブロック20内の構成が、先の実施の形態1、2とは異なる場合について、説明する。
ωDIS :不完全積分器19におけるカットオフ周波数
KI :不完全積分器19における比例係数
本実施の形態4では、基本的には、先の実施の形態3と同様の構成を備えるとともに、制御ブロック20を複数備える場合について、説明する。なお、以下の説明では、制御ブロック20を複数備える構成の一例として、2つの制御ブロック20a、20bによる構成について、具体的に説明する。
Claims (8)
- ジンバル軸回りの回転角度の検出結果に基づいて速度制御系による第1のジンバル・トルク指令値を制御演算し、前記第1のジンバル・トルク指令値に基づいてジャイロ機構のジンバル・モータをフィードバック制御する制御部を備えたジンバル制御装置であって、
前記制御部は、外乱トルクに対するジンバル角速度の感度を、回転座標系の回転速度と等価な周波数域において低減する第2のジンバル・トルク指令値を算出する制御ブロックをさらに備え、前記第1のジンバル・トルク指令値に対して前記第2のジンバル・トルク指令値を重畳したジンバル・トルク指令値により前記ジンバル・モータに供給する電流を制御する
ことを特徴とするジンバル制御装置。 - 請求項1に記載のジンバル制御装置において、
前記ジャイロ機構は、
ロータと、
前記ロータをスピン軸回りに回転自在に支持するジンバル・ハウジングと、
前記ジンバル・ハウジングをジンバル軸回りに回転自在に支持するジンバル・ハウジング支持フレームと、
前記ジンバル・ハウジングに固定され、前記ロータに対してスピン軸回りの回転トルクを作用させるホイール・モータと、
前記ジンバル・ハウジング支持フレームに固定され、前記ロータを含む前記ジンバル・ハウジングのジンバル軸回りの回転角度を検出する角度検出器と、
前記ジンバル・ハウジング支持フレームに固定され、前記ロータを含む前記ジンバル・ハウジングに対してジンバル軸回りの回転トルクを作用させるジンバル・モータと
を有し、
前記制御部は、ジンバル軸回りの回転角度からジンバル角速度を算出する疑似微分器を有し、
前記制御部内の前記制御ブロックは、
前記疑似微分器から出力されるジンバル角速度の符号反転値を、所定の回転速度で回転する回転座標系による表現に変換する回転座標変換器と、
前記回転座標変換器の出力から所定の周波数以下の周波数成分を抽出する低域通過フィルタと、
前記低域通過フィルタの出力を積分する積分器と、
前記積分器の出力に対して所定の進相量を重畳して固定座標系による表現に変換し、前記第2のジンバル・トルク指令値を算出する固定座標変換器と
を有し、
前記制御部は、前記角度検出器によって検出されたジンバル軸回りの回転角度に基づいて前記第1のジンバル・トルク指令値を算出し、前記第1のジンバル・トルク指令値に対して前記第2のジンバル・トルク指令値を重畳したジンバル・トルク指令値により前記ジンバル・モータに供給する電流を制御する
ことを特徴とするジンバル制御装置。 - 請求項1に記載のジンバル制御装置において、
前記ジャイロ機構は、
ロータと、
前記ロータをスピン軸回りに回転自在に支持するジンバル・ハウジングと、
前記ジンバル・ハウジングをジンバル軸回りに回転自在に支持するジンバル・ハウジング支持フレームと、
前記ジンバル・ハウジングに固定され、前記ロータに対してスピン軸回りの回転トルクを作用させるホイール・モータと、
前記ジンバル・ハウジング支持フレームに固定され、前記ロータを含む前記ジンバル・ハウジングのジンバル軸回りの回転角速度を検出する角速度検出器と、
前記ジンバル・ハウジング支持フレームに固定され、前記ロータを含む前記ジンバル・ハウジングに対してジンバル軸回りの回転トルクを作用させるジンバル・モータと、
を有し、
前記制御部内の前記制御ブロックは、
前記角速度検出器から出力されるジンバル軸回りの回転角速度の符号反転値を、所定の回転速度で回転する回転座標系による表現に変換する回転座標変換器と、
前記回転座標変換器の出力から所定の周波数以下の周波数成分を抽出する低域通過フィルタと、
前記低域通過フィルタの出力を積分する積分器と、
前記積分器の出力に対して所定の進相量を重畳して固定座標系による表現に変換し、前記第2のジンバル・トルク指令値を算出する固定座標変換器と
を有し、
前記制御部は、前記角速度検出器によって検出されたジンバル軸回りの回転角速度に基づいて前記第1のジンバル・トルク指令値を算出し、前記第1のジンバル・トルク指令値に対して前記第2のジンバル・トルク指令値を重畳したジンバル・トルク指令値により前記ジンバル・モータに供給する電流を制御する
ことを特徴とするジンバル制御装置。 - 請求項2または3に記載のジンバル制御装置において、
前記固定座標変換器は、前記回転座標変換器における回転座標系の回転速度に応じて、前記積分器の出力に対して重畳する前記進相量を変化させ、前記第2のジンバル・トルク指令値を算出することを特徴とするジンバル制御装置。 - 請求項4に記載のジンバル制御装置において、
前記固定座標変換器は、前記積分器の出力に対して重畳する前記進相量を、回転座標系で表現された前記低域通過フィルタの出力が描く軌跡が、回転座標系上を回転することなく原点に収束するように設定し、前記第2のジンバル・トルク指令値を算出することを特徴とするジンバル制御装置。 - 請求項2ないし5のいずれか1項に記載のジンバル制御装置において、
前記回転座標変換器は、ジンバル軸回りの回転角速度の符号反転値を、ロータのスピン軸回り回転速度を所定倍した回転速度で回転する回転座標系による表現に変換することを特徴とするジンバル制御装置。 - 請求項2ないし6のいずれか1項に記載のジンバル制御装置において、
前記積分器は、所定の周波数以上の周波数領域においてのみ、低域通過フィルタの出力を積分する不完全積分器で構成されることを特徴とするジンバル制御装置。 - 請求項1ないし7のいずれか1項に記載のジンバル制御装置において、
前記制御ブロックは、並列接続された複数の制御ブロックで構成され、前記外乱トルクに対するジンバル角速度の感度を、回転座標系の互いに異なる回転速度と等価な周波数域において低減する複数のジンバル・トルク指令値として、前記複数の制御ブロックごとに個別に算出し、前記第1のジンバル・トルク指令値に対して前記複数のジンバル・トルク指令値をそれぞれ重畳したジンバル・トルク指令値により前記ジンバル・モータに供給する電流を制御する
ことを特徴とするジンバル制御装置。
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