微型反作用飞轮技术

针对微小卫星姿控系统对微型飞轮的需求,设计了一种微小型、长寿命的飞轮.给出了微型飞轮的总体组成.控制电路采用数字量控制一体化设计,电机转子和轮体一体化设计,控制软件实现对飞轮两种工作模式四种工作状态的控制.介绍了轴承组件的润滑系统、预载荷设计和寿命预测,电机组成及特性、定子和转子,控制电路的微控制单元、电动驱动单元、电机电流采样反馈单元、飞轮温度采样处理单元、RS485通信接口电路及其电路元器件选用,飞轮控制软件需求、任务流程和运行模式等关键技术.地面和环境模拟试验考核表明:微型飞轮设计正确,各项性能指标满足微小卫星姿控系统要求.     

单轴飞轮故障时的小卫星姿态控制方法研究

反作用飞轮和磁力矩器是现代小卫星姿态控制的主要执行机构,针对单轴反作用飞轮故障仅能提供两轴控制力矩的情况,提出了一种使用磁力矩器和反作用飞轮进行联合控制的算法。首先推导了一种拟PD姿态控制律,在此基础上提出了剩余两反作用飞轮和磁力矩器的控制力矩分配策略。仿真结果表明,该算法能够在单轴飞轮故障情况下完成小卫星高精度姿态控制任务,延长航天任务寿命,算法鲁棒性好,设计简单且易于在轨实时计算。     

微小卫星反作用飞轮控制方法研究

将反作用飞轮作为执行机构,用于微小卫星的高精度三轴稳定。根据卫星姿态运动学和动力学模型,提出采用反作用飞轮的控制算法,并证明了该控制算法的稳定性。最后对该控制算法进行了计算机仿真。结果表明,采用该控制方式的卫星能迅速实现姿态捕获,卫星稳态姿控精度非常高(圆轨道卫星的姿态稳定精度可达0.004°)。     

使用混合执行机构的快速机动卫星力矩分配算法

针对单框架控制力矩陀螺群（SGCMGs）存在奇异和单框架控制力矩陀螺（SGCMG）存在框架转速死区的问题,研究了SGCMG与飞轮联合作为执行机构的控制力矩分配算法,以SGCMG功耗、飞轮功耗和飞轮角动量的二次型加权矩阵求和为性能指标,提出了一种形式简洁的混合执行机构力矩分配算法,通过分析,证明该分配算法能够有效的避免SGCMGs的奇异;设计了一种SGCMG功耗加权矩阵的调节策略,解决了SGCMG陷入转速死区的问题,设计了一种飞轮角动量加权矩阵的调节策略,通过对加权矩阵的实时调节实现了对飞轮角动量的管理,解决了飞轮转速的饱和与过零问题。数学仿真结果验证了该力矩分配算法的有效性。     

根据线性迭加理论实现微小卫星姿态磁控制

根据地磁力矩定向阻尼特性和线性迭加理论,提出仅用磁力矩器实现对地指向微小卫星三轴姿态稳定的控制律。推导了采用迭加补偿,并考虑附加磁矩影响时改进的卫星姿态动力学方程。理论分析和仿真结果表明,该控制律简单、姿态控制精度高。     

反作用飞轮电机换相力矩波动抑制协同控制方法

针对反作用飞轮电机换相所产生的非理想力矩影响卫星姿态控制精度的问题,采用永磁无刷直流电机绕组感生电势、相电流和电磁转矩的解析计算方法得到了反作用飞轮电机的换相力矩波动最小化条件,提出了基于该最小化条件的换相力矩波动抑制高动态协同控制方法,抑制反作用飞轮电机三种运行状态下的换相力矩波动.试验结果表明,电动状态下换相力矩波动减小了12%、可控能耗制动和反接制动状态下换相力矩波动减小了90%以上,验证了该方法的可行性和有效性.     

一种卫星反作用飞轮延寿方法

针对反作用飞轮长时间工作出现的性能退化问题,提出一种反作用飞轮和磁力矩器联合控制使反作用飞轮延寿的方法。通过滚动轴在姿态机动模式下采用比例积分微分(PID)轮控,而在正常稳态模式下使用比例微分(PD)磁控,实现在不降低姿态控制精度的前提下减少反作用飞轮工作时间,从而延长其工作寿命的目标。对联合控制姿态的延寿方法进行仿真分析,验证滚动轴稳态磁控算法、磁控接入及退出条件的正确性。以某低轨卫星为例进行在轨验证,遥测数据显示:卫星正常运行2年多,滚动轴姿态超差最大约2.6°,且绝大部分时间均小于1°,卫星稳态情况下没有自主切换回PID轮控方式,飞轮因长期轴承摩擦引起的电流、温度增大趋势得到有效缓解,飞轮在轨寿命得到延长。     

基于非线性观测器的一种偏置动量卫星姿态控制方法

研究一类交叉转动惯量较大的偏置动量卫星的姿态控制问题.根据卫星质量分布的特点进行适当简化,建立非线性动力学模型,并基于该模型设计一种非线性偏航观测器.利用该观测器的观测信息进行卫星的姿态控制.整个系统采用动量轮和反作用飞轮作为执行机构,同时卫星三轴均配置磁力矩器为动量轮和反作用飞轮卸载.数值仿真结果表明,在传统的控制方法中,惯量积的存在导致系统控制精度降低和偏航角稳态误差较大,文中提出的控制方案可以很好地完成这类卫星的姿态控制任务.     

细胞化卫星分布式角动量平衡力矩分配算法

针对细胞化卫星姿态控制系统中细胞模块数量多、控制器细胞通信压力大的问题,提出了一种分布式控制力矩分配算法。该力矩分配算法先将力矩分配问题转化为带耦合等式约束的凸优化问题,然后通过分布式的方式求解该优化问题。在力矩分配过程中,控制器细胞只需要提供期望力矩,因此降低了通信压力。同时,该算法在优化目标函数中引入角动量能力因子,使飞轮细胞可以根据自身的角动量水平决定其力矩输出。数值仿真结果表明,该分布式分配算法可以保证分配后的力矩与期望力矩相等,且实现了平衡飞轮系统角动量的目的,进而可以通过卸载部分细胞的角动量来卸载整个飞轮系统的角动量。     

低轨偏置动量卫星气动干扰力矩补偿控制研究

针对低轨卫星由于气动干扰力矩较大导致偏置动量控制精度较低的问题,理论分析了气动干扰力矩并进行建模,讨论了基于角动量与角速率作用产生陀螺力矩的影响。固定偏置动量卫星X、Z轴基于磁力矩器控制,气动干扰力矩严重时又处于磁不可控区,为确保姿态控制精度,考虑增加1台反作用飞轮抑制气动干扰力矩,反作用飞轮可与偏置动量轮组成单自由度偏置动量控制,反作用飞轮用作补偿轮,沿X轴安装。采用飞轮角动量补偿和磁补偿方法提高固定偏置动量控制精度:为防止赤道上空X轴处于磁不可控区时补偿轮角动量变化对X轴的干扰,对补偿轮角动量输出进行限幅,给出了补偿算法;为防止反作用飞轮限幅后角动量对Z轴产生干扰,设计了磁补偿控制策略。仿真结果表明:在同时采用角动量补偿和磁补偿后三轴姿态控制精度0.2°,较无补偿时有大幅提高。