KR20210013628A - 우주선 안정화용 모멘텀 휠 장치를 제어하기 위한 제어 시스템 및 제어 방법 - Google Patents

우주선 안정화용 모멘텀 휠 장치를 제어하기 위한 제어 시스템 및 제어 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20210013628A
KR20210013628A KR1020207037350A KR20207037350A KR20210013628A KR 20210013628 A KR20210013628 A KR 20210013628A KR 1020207037350 A KR1020207037350 A KR 1020207037350A KR 20207037350 A KR20207037350 A KR 20207037350A KR 20210013628 A KR20210013628 A KR 20210013628A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
momentum wheel
simulated
actual
wheel device
control
Prior art date
Application number
KR1020207037350A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102513158B1 (ko
Inventor
마르쿠스 에힌게르
Original Assignee
록웰 콜린스 도이칠란트 게엠바하
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 록웰 콜린스 도이칠란트 게엠바하 filed Critical 록웰 콜린스 도이칠란트 게엠바하
Publication of KR20210013628A publication Critical patent/KR20210013628A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102513158B1 publication Critical patent/KR102513158B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B13/00—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion
    • G05B13/02—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric
    • G05B13/04—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators
    • G05B13/048—Adaptive control systems, i.e. systems automatically adjusting themselves to have a performance which is optimum according to some preassigned criterion electric involving the use of models or simulators using a predictor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
    • B64G1/28—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using inertia or gyro effect
    • B64G1/285—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using inertia or gyro effect using momentum wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
    • B64G1/244—Spacecraft control systems
    • B64G1/245—Attitude control algorithms for spacecraft attitude control
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
    • B64G1/28—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using inertia or gyro effect
    • B64G1/283—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using inertia or gyro effect using reaction wheels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
    • B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
    • B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
    • B64G1/244—Spacecraft control systems
    • B64G2001/245—

Abstract

모멘텀 휠 장치를 위한 제어 시스템이 특정되되, 여기서 모멘텀 휠 장치는 실제 모멘텀 휠 장치 (1)이며 모터에 의해 구동되는 모멘텀 휠을 가지고 있고, 이상적인 물리적 모델 (12)을 기반으로 이상적인 모멘텀 휠의 거동을 시뮬레이션하도록 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치 (2)가 제공된다. 실제 모멘텀 휠 장치 (1)와 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치 (2) 모두의 회전 속도가 토크 명령 (6)에 의해 변경된다. 실제 회전 각도 (9)와 시뮬레이션된 회전 각도 (14)를 비교하고 실제 회전 각도 (9)와 시뮬레이션된 회전 각도 (14) 사이의 편차에 해당하는 오류 신호 (15)를 생성하도록 비교기 장치 (11)가 제공된다. 편차를 줄이도록, 오류 신호 (15)를 제어 장치 (3)에 공급하여 오류 신호 (15)로 인해 모터를 제어한다.

Description

우주선 안정화용 모멘텀 휠 장치를 제어하기 위한 제어 시스템 및 제어 방법
본 발명은 우주선 (spacecraft)의 위치 안정화, 특히 인공위성의 위치 제어를 위한 모멘텀 휠 장치 (momemtum wheel device)의 제어 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.
이러한 모멘텀 휠 장치 또는 플라이휠 (flywheels) 또는 리액션 휠 (reaction wheels)은 인공위성의 정렬(alignment)을 제어하는 것으로 알려져 있다. 모멘텀 휠은 구동부 (drive)에 의해 회전하도록 설정되어 있어 자이로스코프 효과 (gyroscopic effect)로 안정화 효과를 얻을 수 있다. 효율적인 자이로스코프 효과를 얻으려면 플라이휠 질량의 가능한 가장 큰 부분을 가능한 한 바깥쪽으로 배치하여 이 질량이 가능한 최대 직경에서 플라이휠 (모멘텀 휠)의 회전 축을 중심으로 회전할 수 있도록 하는 것이 편리한다.
이러한 모멘텀 휠 장치는 DE 39 21 765 A1에서 알려져 있으며, 이는 자전거의 휠과 유사하게 내부 스테이터 (internal stator), 외부 로터 (external rotor) 및 스포크 (spokes)에 의해 스테이터에서 로터를 회전 가능하게 지지하는 허브 (hub)를 포함한다. 허브는 고정 또는 부동 베어링 (fixed or floating beargin)으로 설계할 수 있는 두 개의 구름 베어링 (rolling bearing)에 의해 스테이터에서 회전 가능하게 지지된다.
실제 모멘텀 휠 (일례로 로터, 스포크 및 허브를 포함함)의 회전 운동은 해당하는 제어된 구동부 모터의 도움으로 영향을 받는다. 후술하는 텍스트에서 "모멘텀 휠" 및 "휠"이라는 용어와 예를 들어 휠 속도 및 모멘텀 휠 속도는 동의어로 사용된다.
모멘텀 또는 리액션 휠은 일반적으로 토크 또는 속도 명령 (command)을 통해 제어된다. 그런 다음 내부 제어 루프는 명령을 가능한 한 빠르고 정확하게 구현하려고 한다. 이 과정에서 목표는 속도를 정확하게 제어하는 것이 좋다.
이 과정에서 정확성에 대한 요구 사항은 매우 높을 수 있다. 예를 들어, 분당 6,000 회전에서 정확도가 분당 0.005 회전 이상인 애플리케이션이 알려져 있다. 그러면 정확도는 대략 분당 10-8 회전이다.
그러나 제어를 구현할 때, 끝없는 제어 속도, 데드 타임 및 지연으로 인해 실제 모멘텀 휠의 원하는 회전 거동과의 편차가 불가피하다. 속도 또는 회전 위치 (회전 각도)와 관련된 이러한 편차로 인해 인공위성의 정렬이 명령된 대로 정확하게 변경되지 않는다.
또한 모멘텀 휠 장치의 실제 볼 베어링에서는 볼의 구름 운동, 베어링 케이지의 이동, 베어링 온도 및 베어링의 윤활 상태로 인해 마찰이 발생한다. 이 마찰은 경시적으로 일정하지 않지만 통계적으로나 체계적으로 바뀔 수 있다. 베어링 마찰의 통계적 변화는, 특히 마찰 피크의 경우, 속도 제어에 장애를 일으켜 속도의 단기 편차를 초래할 수 있다. 그러면 편차를 갖는 속도 때문에 모멘텀 휠이 원하는 회전 위치 또는 회전 각도를 곧바로 달성하지 못할 수 있다.
인공위성을 위한 모멘텀 휠 장치가 알려져 있으며, 여기에는 해당하는 모터 전류 제어를 갖는 모터 제어 (motor control)가 포함되는데, 이는 차례로 모멘텀 휠에 대한 속도 제어 (speed control)를 통해 제어된다. 이러한 속도 제어는 예를 들어 토크 명령을 통해 제어될 수 있다.
따라서 이러한 모멘텀 및 리액션 휠의 경우 제어 알고리즘이 모터 전류 제어 (모터 전력 단계)에 추가로 제공되어 속도를 제어한다. 이러한 컨트롤러는 속도를 잘 제어하고 안정화하는 것이 특징이다. 그러나 인공위성의 정렬 편차를 초래할 수 있는 지연 (delays) 및 편차 (deviations)는 필연적으로 제어에서 발생한다.
본 발명은 원하는 속도가 바람직하게는 정확하게 유지 될 수 있을 뿐만 아니라 모멘텀 휠의 오정렬 (misalignment)(회전 각도의 편차)도 방지 될 수 있는 모멘텀 휠 장치에 대한 더욱 개선된 제어를 제공하는 목적에 기초한다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 제어 시스템과 독립 청구항의 특징을 갖는 제어 방법에 의해 달성된다. 유리한 실시예는 종속항에 기술되어 있다.
모멘텀 휠 장치를 위한 제어 시스템이 제공되는데, 여기서 모멘텀 휠 장치는 실제 모멘텀 휠 장치 (real momentum wheel device)이며 모터에 의해 구동되는 모멘텀 휠을 포함한다. 또한, 이상적인 물리적 모델 (ideal physical model)을 기반으로 이상적인 모멘텀 휠 (ideal momentum wheel)의 거동을 시뮬레이션하도록 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치 (simulated momentum wheel device)가 제공된다. 실제 모멘텀 휠 장치의 모터를 제어하도록 제어 장치 (control device)가 제공되고, 실제 모멘텀 휠 장치와 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치 모두의 속도를 변경하기 위해 토크 명령 (torque command)을 지정하도록 명령 장치 (command device)가 제공된다. 실제 모멘텀 휠 장치의 실제 회전 각도 (real rotation angel)를 검출하도록 회전 각도 검출 장치 (rotation angle detection device)가 제공된다. 또한, 주어진 토크 명령으로 인해 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치의 시뮬레이션된 회전 각도 (simulated rotation angle)를 계산하도록 통합 장치 (integration device)가 제공된다. 마지막으로, 실제 회전 각도와 시뮬레이션된 회전 각도를 비교하고 실제 회전 각도와 시뮬레이션된 회전 각도 사이의 편차 (deviation)에 해당하는 오류 신호 (error signal)를 생성하도록 비교기 장치 (comparator device)가 제공되되, 여기서 편차를 줄이도록, 오류 신호를 제어 장치에 공급하여 오류 신호 (15)로 인해 모터를 제어할 수 있다.
다양한 구성요소를 "실제 (real)"로 지정하는 것은 개념적으로 "시뮬레이션된 (simulated)" 구성요소와 분리하는 역할을 한다. 따라서, "실제"라는 용어가 "진짜의 (actual)" 또는 "정확한 (exact)"의 의미로 사용되지는 않다.
따라서, 본 발명에 따른 제어 시스템에는 2 개의 모멘텀 휠 장치, 즉 진짜로 실제, 물리적으로 존재하는 모멘텀 휠 장치와, (가상의)(virtual) 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치가 제공된다. 실제 모멘텀 휠 장치는 일반적인 방식으로 구성될 수 있으며 특히 모터와 모터에 의해 구동되는 상응하게 지원되는 모멘텀 휠을 포함하지만 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치는 오로지 물리적 (계산) 모델이다. 따라서 이러한 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치는 마찰 없는 회전 운동 상태의 수학적 또는 물리적 방정식으로 표현되는 "완벽한" 모멘텀 휠로 이해될 수 있다. 따라서 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치는 이상적인 뉴턴 조건 (ideal Newtonian conditions)을 기반으로 하므로 마찰 손실 (friction losses), 측정 오류 (measurement errors), 측정 지연 (measurement delays) 등이 무시된다.
이 과정에서 다음이 적용된다:
[수학식 1]
ωt1 = ωt0 + αt0 × Δt1 (1)
여기서 ω는 회전 속도 (rotational speed)(각속도 또는 속도)(angular speed or speed), Δt는 시간 증분 (time increment), α는 관성 모멘트 (moment of inertia)를 포함하는 토크를 포함하는 각가속도 (angular acceleration)이다.
관성 모멘트는 휠의 모든 회전 구성요소 (베어링 유닛 + 모터 로터 + 플라이휠 질량)의 J이다. 내부적으로 다른 관성 모멘트가 가능한데 모듈식 접근이기에 그에 따라 조정할 수 있기 때문이다. 여기서 논의되는 제어에 대해, 토크는 항상 M = α/J로 변환된다. 따라서 공식은 구체적으로 사용되는 휠과 무관하게 된다.
통합 장치의 도움으로 이 운동 방정식을 회전 각도 φ까지 두 번 통합할 수 있다.
[수학식 2]
φ = φt0 + ωt0 × Δt1 + 0.5 × αt0 × Δt1 2 (2)
여기서 φ는 회전 각도 (rotation angle), ω는 회전 속도 (각속도), Δt는 시간 증분, α는 관성 모멘트를 포함한 토크이다.
시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치에 대한 계산은 정확하게 수행될 수 있다. 따라서 깔려있는 (underlying) 소프트웨어 또는 전자장치는 특정 시점에 대해 원하는 속도와 회전 각도를 계산할 수 있다.
회전 각도는 실제 모멘텀 휠 장치에서 실제 모멘텀 휠 또는 모터 로터 또는 모터 샤프트의 회전 위치에 해당한다. 모터 샤프트는 모멘텀 휠에 단단히 연결되어 있으므로 이 유닛은 공동으로 (실제) 모멘텀 휠 장치라고도 한다.
시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치에서 위의 식 (2)에 따른 회전 각도 φ는 식 (1)의 2중 통합 (two-fold integration)을 통해 나타난다.
이중 통합으로 인해 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치의 회전 각도는 회전 속도 또는 속도를 통해 토크 (토크 명령)에서 결정될 수 있다. 이 과정에서 통합을 수행하는 통합 장치는 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치의 일부이다.
정보가 매우 정확한 시간에 제공되는 것이 중요하다. 바람직한 실시예에서, 1μs보다 높은 시간 정밀도가 요구되고 달성된다. 이는 분당 수천 회전을 달성할 수 있는 중첩 속도 (superimposed speed)의 경우에도 각도 편차를 정확하게 평가하는 데 필요한다.
두 결과, 즉 실제 모멘텀 휠 장치의 감지된 실제 회전 각도와 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치의 계산된 시뮬레이션된 회전 각도는 매우 높은 시간에 따른 정밀도로 (with a very high chronological precision) 비교기 장치에서 병합된다. 이상적인 경우에는 두 값이 동일하므로 수정 조치가 필요하지 않다. 그러나 실제로는 위에서 이미 설명한 영향 요인 (베어링 마찰 등)으로 인해 편차가 항상 발생하지만 회전 각도 감지 장치의 측정 오류로 인해서도 발생하기도한다.
따라서, 비교기 장치는 예를 들어 두 회전 각도 사이의 시간 관련 편차로 인해 제어 장치에 피드백될 수 있는 해당 오류 신호를 생성할 수 있다. 그런 다음 제어 장치는 (실제 및 시뮬레이션된) 두 개의 회전 각도 사이의 편차를 보상하기 위해 해당하는 수정 (correction)을 통해 모터를 적절하게 제어할 수 있는 위치에 있다. 이러한 방식으로 속도 (회전 속도) 뿐만 아니라 회전 각도 (회전 위치)와 관련하여 실제 모멘텀 휠 장치와 이상적인 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치 간의 뛰어난 동기화를 얻을 수 있다.
명령 장치는 토크 명령을 실제 모멘텀 휠에 대한 제어 장치와 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치로 전송하도록 설계될 수 있다. 따라서, 실제 모멘텀 휠 장치와 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치가 모두 동시에 토크 명령을 수신하고 운동 거동 (movement behavior)의 변경을 시작할 수 있는지 확인해야 한다.
제어 장치에 의해 제어될 수 있고 차례로 모터를 작동시키는 역할을 하는 모터 제어가 제공될 수 있다. 이 과정에서 모터 제어는 특히 모터 전류 제어를 포함 할 수 있다.
실제 모멘텀 휠 장치의 실제 회전 속도를 감지하기 위해 회전 속도 감지 장치가 제공될 수 있다. 회전 속도 검출 장치 및 회전 각도 검출 장치는 또한 일반적인 측정 장치에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 센서가 모터 또는 실제 모멘텀 휠 상에 제공 될 수 있어서, 모터 로터, 모터 샤프트 또는 모멘텀 휠이 특정 위치에 도달했을 때를 감지한다. 따라서 그 순간의 회전 각도 위치가 한편으로 결정될 수 있다. 다른 한편으로, 회전 속도는 시간을 고려하여 그로부터 유도 될 수 있다.
회전 각도 감지 장치와 회전 속도 감지 장치를 결합한 옵서버 (observer)가 실제 모멘텀 휠 장치의 실제 회전 속도 및/또는 실제 회전 각도를 결정하기 위해 제공될 수 있으며, 여기서 옵서버는 실제 모멘텀 휠 장치의 회전 속도의 및/또는 회전 각도의 오류 수정을 수행하도록 설계된다. 따라서 옵서버는 추가 정보를 고려하여 측정된 속도 또는 측정된 회전 각도를 기반으로 모멘텀 휠의 실제 위치 또는 실제 속도를 추정한다.
따라서 옵서버는 필터 또는 수정 알고리즘에 의해 측정된 값을 재처리하여 단순한 회전 속도 또는 회전 각도 감지 이상의 향상된 측정 품질을 달성할 수 있는 위치에 있다. 이 프로세스에서 예를 들어, 측정 지연 (measurement delays)은 사용된 센서로 인해 보상 (오프셋)되어 결정된 측정 값이 진짜의 상태, 즉 진짜의 실제 회전 속도 또는 진짜의 실제 회전 각도를 가능한 정확하게 재현할 수 있다. 옵서버는 베어링 마찰 및 온도와 같은 추가적인 물리적 특성을 또한 추정하고 더 나은 사전 제어 (pre-control)를 위해 그것들을 제공할 수도 있다.
상기 통합 장치는 회전 운동 상태 방정식의 이중 통합을 수행하도록 설계되었다고 위에서 설명했다. 또한, 통합 장치는 주어진 토크 명령의 간단한 통합을 통해 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치의 시뮬레이션된 속도 또는 회전 속도를 계산하도록 설계될 수 있는데, 여기서 회전 속도 비교기 장치를 제공하여 실제 회전 속도 및 시뮬레이션된 회전 속도을 비교하고 실제 회전 속도와 시뮬레이션된 회전 속도 간의 편차에 해당하는 회전 속도 편차 신호를 생성한다.
이는 단순히 첫 번째 통합 이후 통합 장치의 (중간) 결과, 즉 시뮬레이션된 속도 또는 그에 따라 결정된 회전 속도가 일례로 제어 장치에 대한 정보를 제공하는 데 이미 사용되었음을 의미한다. 시뮬레이션된 회전 속도에 대한 정보 또는 시뮬레이션된 회전 속도와 실제 회전 속도 사이의 비교 및 그에 따른 회전 속도 편차 신호도 제어를 개선하는 데 사용될 수 있다.
마지막으로, 우주선 안정화를 위한 모멘텀 휠 장치를 제어하기 위한 제어 방법이 제공되며, 이는 다음 단계를 포함한다:
- 모터에 의해 구동되는 모멘텀 휠을 포함하는 실제 모멘텀 휠 장치로서 모멘텀 휠 장치를 제공하고;
- 이상적인 물리적 모델에 기반한 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치를 제공하고;
- 토크 명령을 실제 모멘텀 휠 장치와 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치에 동시에 공급하여 특정 회전 속도를 변경하고;
- 공급된 토크 명령에 따라 회전 속도를 변경하도록 모터를 제어하고;
- 실제 모멘텀 휠 장치의 실제 회전 각도를 검출하고;
- 공급된 토크 명령의 이중 통합에 의해 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치의 시뮬레이션된 회전 각도를 계산하고;
- 실제 회전 각도와 시뮬레이션된 회전 각도를 비교하고 실제 회전 각도와 시뮬레이션된 회전 각도 사이의 편차에 대응하는 오류 신호를 생성하고;
- 편차를 줄이도록 오류 신호에 의해 모터를 제어한다.
전술한 바와 같이, (실제) 모멘텀 또는 리액션 휠은 본 발명에 따라 토크 명령을 통해 제어된다. 동시에, 토크 명령은 또한 완벽한 모멘텀 휠의 시뮬레이션과 실제 모멘텀 휠의 컨트롤러 (제어 장치)를 제어한다. 실제 모멘텀 휠의 제어는 속도를 유지하기 위해서 뿐만 아니라 휠 회전 각도의 평행 주행 (parallel running)을 위해, 즉 실제 모멘텀 휠과 완벽한 시뮬레이션된 모멘텀 휠의 회전 각도 사이에 바람직하게는 작은 차이를 위해 조정된다.
제어 오류는 시뮬레이션된 완벽한 휠과 옵서버가 추정한 실제 휠의 운동 사이의 회전 각도 차이에 의해 결정된다. 시뮬레이션된 휠과 옵서버의(observed) 실제 휠 사이의 휠 회전 각도 차이를 최소화하기 위해 시뮬레이션된 휠과 실제 휠 사이의 속도 편차가 허용된다. 따라서 최상위 제어 대상은 두 휠의 휠 회전 각도를 조화시키는 것이다.
속도 편차 및 휠 각도 편차에 대한 제한으로 인해 인공위성 (satellite) 레벨의 최대 정렬 편차를 미리 설명하고 계산할 수 있다. 모멘텀 또는 리액션 휠의 제어 정확도는 시뮬레이션된 완벽한 휠과 옵서버의 실제 휠 사이 각도의 최대 편차로 설명된다.
이들 및 추가 장점 및 특징은 첨부된 도면의 도움으로 실시예에 기초하여 후술하는 바와 같이 더 자세히 설명된다. 유일한 도면은 우주선 안정화를 위한 모멘텀 휠 장치의 제어 시스템 구조를 개략적 형태로 보여준다.
제어 시스템은 기본적으로 실제 모멘텀 휠 장치 (1)와 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치 (2)로 구성된다. 실제 모멘텀 휠 장치 (1)는 진짜의 의미로 제어 시스템에 의해 제어되고 인공위성의 안정화 또는 정렬을 위해 사용되는 모멘텀 휠 장치이다. 원칙적으로, 그것은 알려진 방식으로 구성되고 도면에 표시되지 않은 진짜의 모멘텀 또는 리액션 휠을 포함하며, 이는 또한 도시되지 않은 모터에 의해 회전 운동으로 설정된다. 이 과정에서 발생하는 모멘텀 휠의 회전과 자이로스코프 효과로 인해 원하는 안정화 효과가 달성된다. 실제 모멘텀 휠 장치 (1)의 기계적 구조에 관련된 유사한 플라이휠 장치가 DE 39 21 765 A1에 알려져 있다.
실제 모멘텀 휠 장치 (1)는 진짜의 모터 제어 (motor control)(4)를 제어하기 위한 제어 장치 (control device)(3)를 포함하며, 이는 차례로 모터 등을 위한 전력 전자장치 또는 전류 제어기를 포함한다.
제어 장치 (3)는 정교하게 설계될 수 있고 대응하는 시작 및 정지 기능뿐만 아니라 모멘텀 휠의 가속 또는 감속과 같은 적절한 제어 조치를 공지된 방식으로 취할 수 있다. 또한, 모멘텀 휠에 존재하는 베어링 조건 (예를 들어 베어링 마찰)이나 조건 (회전 속도, 온도 등)을 제어 장치 (3)에 정보 (예를 들어 테이블)로 저장할 수 있다. 예를 들어 인공위성이 매우 추운 지역 (새도우 - shadow)에서 움직이면 모멘텀 휠 베어링이 냉각되어 베어링 마찰이 증가할 수 있다. 이 효과를 보상하기 위해, 제어 장치 (3)는 상응하는 제어 조치를 취할 수 있다.
예를 들어 진짜의 인공위성 제어의 일부가 될 수 있는 명령 장치 (command device)(5)는 제어 장치 (3)의 상류 (upstream)에 있다. 이 경우에, 예를 들어 인공위성의 원하는 운동 또는 정렬이 미리 설정되어 해당하는 명령이 모멘텀 휠 장치 (1)로 이어진다. 이에 따라 명령 장치 (5)는 제어 장치 (3)에 토크 명령 (torque commnad)(6)을 제공한다. 이 과정에서 토크는 속도의 물리적 기본 명령이며 모멘텀 휠의 회전 속도의 변화의 기초가 된다.
제어 장치 (3)는 적절한 상태 정보 (7)를 상위 인공위성 제어 (superordinate satellite control)에 제공할 수 있으며, 이로부터 예를 들어 휠 상태, 휠 속도 또는 휠 각도에 대한 정보가 획득된다.
모터 제어 (4)에 의해 제어되는 모터는 실제 모멘텀 휠의 회전 운동에 영향을 준다. 회전 운동은 적절한 방식으로 측정될 수 있다. 예를 들어, 회전하는 휠의 회전 위치를 록킹하기 위해 모터 로터에 홀 센서 (일례로 3개의 홀 센서)를 제공하는 것이 알려져 있다. 시간을 고려하면 휠 회전 속도는 회전 위치 (휠 회전 각도)에서 직접 구해질 수도 있다. 이를 위해, 회전 각도 검출 장치 및 속도 또는 회전 속도 검출 장치를 포함하는 옵서버 (observer)(8)가 제공된다. 또한, 옵서버 (8)는 휠의 진짜의 위치 (휠 회전 각도) 또는 휠 속도를 가능한 한 정확하게 검출하기 위한 추가 수정 또는 추정 방법을 제공할 수도 있다. 한편으로는 모멘텀 휠의 높은 회전 속도 (일례로 분당 6000 회전)와 다른 한편으로는 측정 정확도에 대한 극히 높은 요구사항 (일례로 이렇게 높은 예를 들어 6000 min-1의 회전 속도를 위해서는 분당 0.005 회전의 정확도를 달성해야 함)으로 인해, 옵서버 (8)의 결과는 일반적으로 정확한 정보가 아니지만 항상 최상의 추정치이다.
옵서버 (8)의 결과로서, 한편으로는 실제 회전 각도 (rotation angle)(9) 및 다른 한편으로는 실제 회전 속도 (rotation speed)(10) (휠 속도)가 출력된다.
실제 회전 각도는 후술할 비교기 장치 (comparator device)(11)로 전달된다.
이와 같이 설명된 실제 모멘텀 휠 장치 (1)와 평행하게, 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치 (2)가 제공된다.
이는 이상적인 물리적 모델 (ideal physical model)(12), 즉 회전 운동에 대한 상태 방정식에 전적으로 기반을 두고 있으며, 예를 들어 다음과 같은 형식을 가질 수 있다.
[수학식 2]
φ = φt0 + ωt0 × Δt1 + 0.5 × αt0 × Δt1 2 (2)
여기서 φ는 회전 각도 (rotation angle), ω는 회전 속도 (각속도), Δt는 시간 증분, α는 관성 모멘트를 포함한 토크이다.
따라서, 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치 (2)는, "실제 세계의 (real-world)" 기계적 모멘텀 휠 구성 요소를 필요로 하지는 않으며 소프트웨어로만 실현된다. 제어 장치 (3)에도 공급되는, 명령 장치 (5)로부터의 동일한 토크 명령 (6)이 물리적 모델에 대해서도 입력 변수로 사용된다. 토크 명령 (6)은 자연적으로 실제 모멘텀 휠 장치 (1)와 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치 (2)에 동시에 공급되어야 한다. 물리적 모델 (12)에서, 제1 통합 (12a)이 처음에 발생하고, 그 결과 시뮬레이션된 속도 또는 회전 속도 (13)가 획득된다.
시뮬레이션된 회전 속도 (13)는 제2 통합 (12b)을 받고, 이에 의해 시뮬레이션된 회전 각도 (14)가 얻어진다. 이 시뮬레이션된 회전 각도 (14)는 이상적인 물리적 모델로 인해 이상적인 값 (ideal value)이다. 따라서 이는 동시에 실제 모멘텀 휠 장치 (1)에 의해 달성어야 하는 목표 값 (target value)이다.
이를 위해, 시뮬레이션된 회전 각도 (14)는 또한 비교기 장치 (11)에 공급되고, 여기서 시뮬레이션된 회전 각도 (14)와 실제 회전 각도 (9) 사이의 비교가 이루어진다. 이 과정에서 식별된 차이 (difference)는 오류 신호 (15)로서 제어 장치 (3)에 피드백된다. 제어 장치 (3)는 차례로 모터 제어 (4)를 제어하고 따라서 실제 모멘텀 휠을 제어하는 위치에 있기에 실제 모멘텀 휠의 회전 속도를 변경하고 시뮬레이션된 회전 각도 (14)와 실제 회전 각도 (9) 사이의 오차를 줄일 수 있게 된다.
시뮬레이션된 회전 속도 (13)는 실제 회전 속도 (10)와 함께 회전 속도 비교기 장치 (16)에 공급될 수 있다. 회전 속도 비교기 장치 (16)는 값들 간의 편차를 결정하고 그에 따라 회전 속도 편차 신호를 공급할 수 있다. 이 신호는 제어 장치 (3)에 의해 정보로 추가 처리될 수 있다. 그러나 진짜의 모멘텀 휠 제어에서는 결정된 회전 각도 (9, 14) 또는 이들 서로의 편차로 인해 전적으로 수행되기 때문에 종속적이다.

Claims (11)

  1. 모멘텀 휠 장치를 위한 제어 시스템으로서,
    - 모멘텀 휠 장치는 실제 모멘텀 휠 장치 (1)이며 모터에 의해 구동되는 모멘텀 휠을 가지고 있고;
    - 이상적인 물리적 모델 (12)을 기반으로 이상적인 모멘텀 휠의 거동을 시뮬레이션하도록 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치 (2)가 제공되고;
    - 실제 모멘텀 휠 장치 (1)의 모터를 제어하도록 제어 장치 (3)가 제공되고;
    - 실제 모멘텀 휠 장치 (1)와 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치 (2) 모두의 속도를 변경하기 위해 토크 명령 (6)을 지정하도록 명령 장치 (5)가 제공되고;
    - 실제 모멘텀 휠 장치 (1)의 실제 회전 각도 (9)를 검출하도록 회전 각도 검출 장치 (8)가 제공되고;
    - 주어진 토크 명령 (6)으로 인해 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치 (2)의 시뮬레이션된 회전 각도 (14)를 계산하도록 통합 장치 (12a, 12b)가 제공되고,
    - 실제 회전 각도 (9)와 시뮬레이션된 회전 각도 (14)를 비교하고 실제 회전 각도 (9)와 시뮬레이션된 회전 각도 (14) 사이의 편차에 해당하는 오류 신호 (15)를 생성하도록 비교기 장치 (11)가 제공되되, 여기서
    - 편차를 줄이도록, 오류 신호 (15)를 제어 장치 (3)에 공급하여 오류 신호 (15)로 인해 모터를 제어할 수 있는 모멘텀 휠 장치를 위한 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    명령 장치 (5)는 토크 명령 (6)을 실제 모멘텀 휠 장치 (1)에 대한 제어 장치 (3)와 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치 (2)로 전송하도록 설계되는 제어 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    이상적인 모멘텀 휠의 거동에 대한 시뮬레이션은 마찰을 고려하지 않고 이상적인 물리적 모델 (12)에 기초하여 수행되는 제어 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    이상적인 물리적 모델은 회전 운동의 상태 방정식에 대응하는 제어 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상태 방정식은 다음과 같은 형태를 갖되;
    φ = φt0 + ωt0 × Δt1 + 0.5 × αt0 × Δt1 2
    여기서 φ는 회전 각도, ω는 회전 속도 (각속도), Δt는 시간 증분, α는 관성 모멘트를 포함한 토크인 제어 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    통합 장치 (12a, 12b)는 토크 명령의 2 배 통합에 의해 시뮬레이션된 회전 각도 (14)를 계산하도록 설계되는 제어 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    모터 제어 (4)가 제공되어 제어 장치 (3)에 의해 제어될 수 있고 다음에는 모터를 작동시키는 역할을 하는 제어 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    회전 속도 검출 장치가 제공되어 실제 모멘텀 휠 장치 (1)의 실제 회전 속도 (10)를 검출하는 제어 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 회전 각도 감지 장치와 회전 속도 감지 장치를 결합한 옵서버 (8)가 제공되어 실제 모멘텀 휠 장치 (1)의 실제 회전 속도 (10) 및/또는 실제 회전 각도 (9)를 결정하되, 여기서
    - 옵서버 (8)는 실제 모멘텀 휠 장치 (1)의 회전 속도 (10) 및/또는 회전 각도 (9)의 오류 수정을 수행하도록 설계되는 제어 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 통합 장치 (12a)는 주어진 토크 명령 (6)의 간단한 통합에 의해 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치 (2)의 시뮬레이션된 회전 속도 (13)를 계산하도록 설계되되; 여기서
    - 회전 속도 비교기 장치 (16)가 제공되어 실제 회전 속도 (10)와 시뮬레이션된 회전 속도 (13)를 비교하고 실제 회전 속도와 시뮬레이션된 회전 속도 사이의 편차에 대응하는 회전 속도 편차 신호 (17)를 생성하는 제어 시스템.
  11. 우주선 안정화용 모멘텀 휠 장치를 제어하는 제어 방법으로서,
    - 모터에 의해 구동되는 모멘텀 휠을 포함하는 실제 모멘텀 휠 장치 (1)로서 모멘텀 휠 장치를 제공하고;
    - 이상적인 물리적 모델 (12)에 기반한 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치 (2)를 제공하고;
    - 토크 명령 (6)을 실제 모멘텀 휠 장치 (1)와 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치 (2)에 동시에 공급하여 특정 회전 속도를 변경하고;
    - 공급된 토크 명령 (6)에 따라 회전 속도를 변경하도록 모터를 제어하고;
    - 실제 모멘텀 휠 장치 (1)의 실제 회전 각도 (9)를 검출하고;
    - 공급된 토크 명령 (6)의 이중 통합에 의해 시뮬레이션된 모멘텀 휠 장치 (2)의 시뮬레이션된 회전 각도 (13)를 계산하고;
    - 실제 회전 각도 (9)와 시뮬레이션된 회전 각도 (13)를 비교하고 실제 회전 각도와 시뮬레이션된 회전 각도 사이의 편차에 대응하는 오류 신호 (15)를 생성하고;
    - 편차를 줄이도록 오류 신호 (15)에 의해 모터를 제어하는 제어 방법.
KR1020207037350A 2018-07-31 2019-07-04 우주선 안정화용 모멘텀 휠 장치를 제어하기 위한 제어 시스템 및 제어 방법 KR102513158B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018118480.8 2018-07-31
DE102018118480.8A DE102018118480A1 (de) 2018-07-31 2018-07-31 Steuerungssystem und -verfahren zum Regeln einer Drallradeinrichtung zur Stabilisierung eines Raumflugkörpers
PCT/EP2019/067958 WO2020025249A1 (de) 2018-07-31 2019-07-04 Steuerungssystem und -verfahren zum regeln einer drallradeinrichtung zur stabilisierung eines raumflugkörpers

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210013628A true KR20210013628A (ko) 2021-02-04
KR102513158B1 KR102513158B1 (ko) 2023-03-23

Family

ID=67211716

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020207037350A KR102513158B1 (ko) 2018-07-31 2019-07-04 우주선 안정화용 모멘텀 휠 장치를 제어하기 위한 제어 시스템 및 제어 방법

Country Status (10)

Country Link
US (1) US20210171222A1 (ko)
EP (1) EP3830650B1 (ko)
JP (1) JP2021532711A (ko)
KR (1) KR102513158B1 (ko)
CN (1) CN112470086A (ko)
CA (1) CA3104972C (ko)
DE (1) DE102018118480A1 (ko)
IL (1) IL279536B1 (ko)
WO (1) WO2020025249A1 (ko)
ZA (1) ZA202007889B (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111284732B (zh) * 2020-03-13 2021-08-03 北京航空航天大学 一种基于事件触发通信的航天器抗干扰姿态协同控制方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58183394A (ja) * 1982-04-20 1983-10-26 メツセルシユミツト・ベルコウ・ブロ−ム・ゲゼルシヤフト・ミト・ベシユレンクテル・ハフツング 人工衛星のホイ−ル制御方式
JPH0378804A (ja) * 1989-08-23 1991-04-04 Mitsubishi Electric Corp 人工衛星の航法誘導装置
US5201833A (en) * 1991-07-19 1993-04-13 General Electric Company Attitude control system with reaction wheel friction compensation
US20120325970A1 (en) * 2011-06-24 2012-12-27 Honeywell International Inc. Methods and systems for adjusting attitude using reaction wheels

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3921765A1 (de) * 1989-07-01 1991-01-03 Teldix Gmbh Schwungrad
JPH06131048A (ja) * 1992-10-15 1994-05-13 Mitsubishi Electric Corp 三軸安定衛星の姿勢決定方法
JP3358390B2 (ja) * 1995-05-10 2002-12-16 トヨタ自動車株式会社 同期電動機の回転角速度検出装置、回転角度検出装置ならびに同期電動機の制御装置及び制御方法
US5935176A (en) * 1996-11-22 1999-08-10 Lockheed Martin Corporation Momentum wheel oscillation filter
US9199746B2 (en) * 2009-05-19 2015-12-01 University Of Florida Research Foundation, Inc. Attitude control system for small satellites
WO2012009198A2 (en) * 2010-07-14 2012-01-19 University Of Florida Research Foundation, Inc. System and method for assessing the performance of an attitude control system for small satellites
CN104155969B (zh) * 2014-07-28 2016-08-17 北京航空航天大学 一种零动量轮摩擦抑制与抵消验证系统
CN106019944B (zh) * 2016-07-12 2019-01-15 北京控制工程研究所 一种基于自适应摩擦力矩模型的动量轮模拟器
US11279501B2 (en) * 2018-10-25 2022-03-22 General Atomics Satellite attitude control system using eigen vector, non-linear dynamic inversion, and feedforward control
FR3094479B1 (fr) * 2019-03-25 2021-08-27 Airbus Defence & Space Sas Dispositif et procédé de détermination d’attitude d’un satellite équipé d’actionneurs gyroscopiques, et satellite embarquant un tel dispositif

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58183394A (ja) * 1982-04-20 1983-10-26 メツセルシユミツト・ベルコウ・ブロ−ム・ゲゼルシヤフト・ミト・ベシユレンクテル・ハフツング 人工衛星のホイ−ル制御方式
JPH0378804A (ja) * 1989-08-23 1991-04-04 Mitsubishi Electric Corp 人工衛星の航法誘導装置
US5201833A (en) * 1991-07-19 1993-04-13 General Electric Company Attitude control system with reaction wheel friction compensation
US20120325970A1 (en) * 2011-06-24 2012-12-27 Honeywell International Inc. Methods and systems for adjusting attitude using reaction wheels

Also Published As

Publication number Publication date
IL279536B1 (en) 2024-04-01
JP2021532711A (ja) 2021-11-25
ZA202007889B (en) 2022-06-29
EP3830650A1 (de) 2021-06-09
IL279536A (en) 2021-01-31
CA3104972A1 (en) 2020-02-06
CA3104972C (en) 2023-03-28
US20210171222A1 (en) 2021-06-10
DE102018118480A1 (de) 2020-02-06
WO2020025249A1 (de) 2020-02-06
CN112470086A (zh) 2021-03-09
KR102513158B1 (ko) 2023-03-23
EP3830650B1 (de) 2023-10-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105786036B (zh) 一种抑制转子动不平衡扰动的控制力矩陀螺框架控制系统及方法
CN108716471A (zh) 一种磁悬浮分子泵转子极小位移主动控制方法
WO2013140248A1 (en) Torque detecting method and arm device
WO2000019288A1 (fr) Dispositif de commande de position
CN109067274A (zh) 基于干扰补偿的永磁同步电机调速的积分滑模控制方法
JP6305283B2 (ja) 動力装置の制御システム
CN107133387A (zh) 转子不平衡系数变步长多边形迭代搜寻的不平衡补偿算法
JP2013006593A (ja) リアクションホイールを使用して姿勢を調節するための方法およびシステム
KR102513158B1 (ko) 우주선 안정화용 모멘텀 휠 장치를 제어하기 위한 제어 시스템 및 제어 방법
KR20140094313A (ko) 마찰력 보상기 및 이를 이용한 마찰력 보상방법
CN206224153U (zh) 一种适用于不平衡转矩伺服系统的控制装置
Krishna et al. Design and implementation of a reaction wheel system for CubeSats
CN102608912B (zh) 主动式半捷联惯性测量装置驱动系统的精确控制方法
Magsino et al. Stabilizing quadrotor altitude and attitude through speed and torque control of BLDC motors
JP2022520118A (ja) 無人航空機の高度から風向および風速度の測定値を決定するためのシステムおよび方法
Kis et al. Design and hardware-in-the-loop test of the embedded control system of an indoor quadrotor helicopter
Hu et al. Design of sliding mode control with disturbance observers for inertial platform
EP3570419B1 (en) Recoilless device and directivity control mirror system
Jinchao et al. Control failure of the roll-isolated inertial navigation system under large pitch angle
JP2007330079A (ja) 加速度指令付き速度制御装置および電動機の速度制御方法
CN108549406B (zh) 直升机航向控制方法、装置及可读存储介质
KR101743225B1 (ko) 다축 구동계의 무게중심 측정 방법 및 장치
Michele et al. A gimbal platform stabilization for topographic applications
CN111102887B (zh) 一种基于反作用飞轮的弹体滚转角控制方法
Wang et al. On model identification and precession control of GyroWheel system

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant