控制力矩陀螺框架控制方法及框架转速测量方法

控制力矩陀螺是一种具有力矩放大特性的惯性执行机构,通常应用于大型航天器姿态控制。近年来,随着相关技术的发展,对基于控制力矩陀螺的中小卫星快速机动平台的需求日益迫切,这不仅需要控制力矩陀螺能够输出大力矩,而且要具有较高的力矩输出精度。本文结合工程实践,提出一种框架转速精度测量方法,以及一种采用正弦永磁同步电机,基于转子磁场定向的矢量控制方案。该框架控制方案中引入摩擦力矩观测器及其补偿算法,在控制回路中通过对摩擦力矩的补偿,可有效提高框架驱动控制系统的稳定性和动态性能。     

SGCMG框架伺服系统动力学建模与低速控制

单框架控制力矩陀螺(SGCMG)框架伺服系统内部存在的各种干扰会严重影响陀螺的力矩输出精度。为了实现力矩输出的高精度控制,需要对框架伺服系统进行精确动力学建模与控制。通过对作用于航天器上SGCMG的详细动力学分析,建立了框架伺服系统动力学模型,其中考虑了动静不平衡干扰力矩以及摩擦力矩。基于正弦永磁同步电机,利用自抗扰理论设计了框架伺服系统内外环控制器。仿真结果表明,在忽略转子不平衡所引起的高频干扰力矩的前提下,此控制器能对内外环存在的所有建模及未建模干扰进行准确估计和补偿,保证了框架的高精度控制。通过仿真还得到了转子不平衡对框架控制精度的影响量级,将为进一步研究如何抑制不平衡振动提供参考依据。     

基于PWM_ON_PWM调制方式的控制力矩陀螺框架电机驱动控制

控制力矩陀螺框架电机驱动电路采用的脉宽调制方式不同,所产生的电机转矩脉动也会不同.针对无刷直流电机驱动的控制力矩陀螺框架系统,从换相期间转矩脉动、非换相期间转矩脉动及脉宽调制方式的应用改进3个方面对不同脉宽调制方式进行分析,得出采用PWM_ON_PWM方式的转矩脉动最小,适用于控制力矩陀螺框架系统的高精度控制要求.通过仿真验证了分析的正确性.     

200Nms单框架控制力矩陀螺研制

介绍天宫一号目标飞行器采用的单框架控制力矩陀螺的总体结构、技术指标和验证试验.该单框架控制力矩陀螺的角动量为200Nms,最大可输出力矩为20Nm,响应带宽为2Hz,其中2个控制力矩陀螺高速转子已经进行了25000h的寿命试验.天宫一号目标飞行器姿态控制系统共采用了6个单框架控制力矩陀螺来输出姿态控制力矩,当1个或2个控制力矩陀螺失效时姿态控制系统仍能正常工作.     

一种高性能控制力矩陀螺框架控制方法的仿真研究

由控制力矩陀螺群构成的姿态控制系统是目前敏捷卫星实现姿态快速机动和精确控制的最佳选择,而低速框架的控制精度、响应速度与稳定性直接决定了控制力矩陀螺的工作性能.针对敏捷卫星对控制力矩陀螺工作性能的高要求,本文提出了一种框架的高性能控制方案——基于永磁同步电机及磁场定向控制算法,并结合框架角速度观测器的直接驱动控制方案.在框架角速度极低时,为解决角度传感器的分辨率无法满足控制精度要求的问题,引入Luenberger状态观测器获得框架角速度的观测值,并将该观测值引入框架角速度闭环控制系统.理论分析、仿真实验的结果证明了该方案的有效性.随后,针对电机参数漂移对观测值的影响进行了仿真分析,仿真结果证明了基于观测器的角速度闭环控制系统的鲁棒性.     

SGCMG框架伺服系统扰动力矩分析与控制

单框架控制力矩陀螺框架伺服系统对扰动力矩抑制能力的不足限制了其控制精度的进一步提高。文章对框架伺服系统受到的扰动力矩及其对框架伺服系统控制性能的影响进行了分析;设计了基于终端滑模变结构控制策略和扰动观测器的框架转速控制器;利用变结构控制对系统干扰的不变性和对滑动模态控制的快速响应特性,实现了框架伺服系统在扰动力矩波动,尤其是高频扰动力矩波动条件下的高精度控制。仿真结果表明,相比传统的比例-积分-微分控制策略,提出的控制方法可行有效,将框架转速波动量缩小了2/3。     

单框架控制力矩陀螺构型分析与奇异可视化

在单框架控制力矩陀螺(SGCMG)系统构型的分析和评价指标中,构型效益和可控效益分别反映了构型角动量包络和奇点在空间中的分布,可在一定程度上反映构型的性能。然而,构型效益不够直观,而可控效益中包含了角动量包络大小的影响。为此,将构型效益归一化,并从可控效益中去除角动量包络的影响,定义了两个新的构型指标--角动量利用率和非奇异率,对构型进行分析和评价。在此基础上,为了直观反映不同构型对奇点分布的影响,引入奇异可视化方法对不同构型下的奇异角动量曲面分布情况进行了对比分析。分析结果表明,SGCMG个数和构型的对称性是影响构型指标和奇异角动量曲面分布的主要因素。     

SGCMG系统运动奇异机理及研究进展

介绍了单框架控制力矩陀螺（ＳＧＣＭＧ）系统的运动奇异机理,并对当前运动奇异的研究概况进行了综述;通过分析可以知道,对于ＳＧＣＭＧ系统奇异机理的认识,现在还处于一个较浅的层次上,还远达不到ＳＧＣＭＧ系统非奇异操纵的需要;同时指出,ＳＧＣＭＧ系统奇点的分布及可回避性判别将是未来ＳＧＣＭＧ系统运动奇异机理研究的主要方向。     

基于参数自整定速度控制器SGCMG框架伺服控制系统

针对控制力矩陀螺框架伺服系统传统PI控制对干扰、负载变化等不确定因素的控制能力不足,设计了模糊PI控制器,利用参数自整定速度控制器实时调整参数,实现了框架伺服系统的高稳定性控制.仿真结果表明,相比传统的PI控制策略,响应快,超调小,无需修改参数,有更好的动静态特性,能更好地满足控制力矩陀螺框架伺服控制系统的鲁棒性要求,并有很好的跟踪性能.     

单框架控制力矩陀螺复合操纵律设计

为改善单框架控制力矩陀螺(SGCMG)动态操纵律的奇异回避和逃逸性能,文章设计了一种基于前馈和反馈的复合操纵律.当SGCMG系统远离奇异时,不引入前馈,仅采用基于反馈的动态操纵律;当SGCMG系统接近或陷入奇异时,在动态操纵律的基础上,引入前馈信息,辅助SGCMG系统回避或逃逸奇异.复合操纵律不但可以保留动态操纵律的优点,不需计算Jacobi矩阵的伪逆,计算简单,易于实现,而且可以逃逸椭圆型内部奇点.对某SGCMG系统的仿真结果表明,复合操纵律是可行的.     

基于天线驱动组件的多体卫星MIMO控制及稳定裕度应用研究

针对两输入两输出的多体卫星控制系统,采用工程中的天线驱动组件为天线转动提供驱动力矩,在天线小角度机动条件下,对此线性模型采用多变量频域设计法中的序列回差设计技术,设计卫星本体俯仰姿态和天线转动的多输入多输出(MIMO)控制器,利用Nyquist稳定判据证明系统的稳定性.在此基础上分别利用回差阵奇异值法和逆回差阵奇异值法计算MIMO控制系统的稳定裕度,将两种方法所得结果相结合以减小稳定裕度计算的保守性,最后通过数值仿真验证了控制算法和控制系统稳定裕度结果的有效性.     

一类单框架控制力矩陀螺系统奇点的有限性

单框架控制力矩陀螺（ＳＧＣＭＧ）是应用在航天器上的一类惯性执行机构,但当多个ＳＧＣＭＧ协调工作时,由多个ＳＧＣＭＧ组成的ＳＧＣＭ５Ｇ系统会出现奇异现象,不能产生所期望的控制力矩。为回避系统奇异、必须对ＳＧＣＭＧ系统的奇点在框架角空间中的分布作一定的了解。文章则针对框架轴非共面锥形对称安装的ＳＧＣＭＧ系统,证明了对于角动量空间中的任意一点,其对应的框架角空间中的奇点是有限的。     

万向磁悬浮动量轮研究

目前大部分空间飞行器三轴姿态控制采用的是飞轮系统 ,其精度较高 ,而采用磁悬浮轴承支承的动量轮比普通的滚珠轴承动量轮有更高的姿控性能。在此基础上发展的动量矩方向可改变的万向磁悬浮动量轮可以单独实现三轴较高精度的主动姿态控制 ,具有重要的实用价值。同时 ,万向磁悬浮动量轮的研究也为集成能源与姿态控制系统的研究提供了技术支持。文意介绍了万向磁悬浮动量轮在国际上研究和发展的情况 ,概括了其中的关键技术 ,并给出了一种初步的结构设计实例。     

基于谐波传动的星间链路天线驱动机构设计研究

星间链路天线驱动机构(GDA)具有长寿命、大驱动力矩、高精度指向和适应复杂空间环境的任务要求.谐波传动具有减速比大、承载能力大、传动精度高等优点,在航天、航空等多个领域广泛应用.分析了主要设计约束,比较了三种双轴构型的优缺点,给出了基于谐波传动的GDA单轴驱动器的结构框图,对电机、谐波减速器、测角传感器的选择以及机电热接口的设计要点进行了分析,论述了紧凑而轻量化的结构布局、长寿命润滑、高精度指向等关键技术,介绍了长寿命和高精度捕获跟踪性能的验证试验方案.     

控制力矩陀螺框架谐波减速驱动系统建模与仿真

摘要： 控制力矩陀螺是航天器姿态控制系统的重要执行机构,它具有输出力矩大、速度响应快、功率消耗低、寿命长等优点,可以完成高速率的姿态机动控制.综合考虑谐波减速器的齿隙模型、非线性刚度、减速器效率等因素,对CMG框架驱动组件用谐波减速器进行精细建模.针对低速下谐波减速器的刚度较低、传动误差较大这一缺陷,建立考虑传动误差的减速器模型;与传统的不考虑传动误差的模型相比可更准确地描述谐波减速器在低速下的输出速度曲线.根据建立的CMG框架驱动系统模型,在低速下采用PID闭环控制对输出转速误差进行抑制,使输出转速误差降低了50%以上.最后分析其对谐波减速器刚度和阻尼对框架系统性能的影响.     

跟踪与数据中继卫星星间链路天线驱动机构技术综述

跟踪与数据中继卫星星间链路天线驱动机构由于机构负载的特殊性,负载能力、驱动性能、刚度、精度和可靠性等方面均有很高的要求,与其他航天器的双轴驱动机构有很大的区别.介绍了美国第一代中继卫星TDRS、日本试验中继卫星COMETS、欧洲试验中继卫星ARTEMIS、俄罗斯中继卫星LOUTCH的星间链路天线驱动机构的详细设计指标及设计方案,并加以总结和比对,为研制中继卫星天线驱动机构提供参考.     

小型磁悬浮CMG高速转子动框架效应前馈补偿与实验

磁悬浮控制力矩陀螺是航天器快速姿态控制与快速机动的新型空间执行机构。由于动框架效应,框架转动输出力矩反作用于飞轮转子,会导致磁轴承的径向载荷和控制电流发生改变。为抑制动框架效应对磁浮转子的影响,在分析力矩输出时高速磁浮转子受力特性的基础上,采用角速率前馈控制策略实现对动框架效应引发的力矩扰动的有效抑制,并在所研制的75Nms立式小型磁悬浮控制力矩陀螺上进行了整机输出特性测试。试验结果表明：该方法能在保证磁浮转子高速稳定的前提下有效抑制动框架效应,满足整机力矩输出的要求。     

控制受限航天器无角速度反馈姿态控制

重点研究了控制受限和角速度不可测情况下航天器姿态快速跟踪问题。首先定义了四元数辅助系统,并设计了包含实际误差四元数和观测误差四元数的双曲正切函数的非线性控制律;然后,证明了系统的稳定性以及控制量的有界性;最后通过数字仿真与已有的方法进行比较研究,说明该方法能大大提高卫星姿态跟踪精度和响应速度。     

基于迹向控制量的编队星群相位控制

为了得到控制量与控制时机对相位改变的直观公式,基于Hill方程以及迹向控制的约束条件,定性分析共面绕飞编队中控制量、控制时机与编队卫星相位之间的关系,分析结果表明:当需要改变的相位角小于90°时,可实现最省燃料的控制;当需要改变的相位角大于90°时,可进行趋于最小控制量的控制;当在相对运动椭圆上下点实施控制时,相位无变化.     

柔性支撑控制力矩陀螺动力学建模与控制

针对柔性支撑引起控制力矩陀螺(CMG)框架控制性能下降的问题,建立了柔性支撑条件下控制力矩陀螺的动力学模型,分析了柔性支撑扰动力矩的耦合机理并给出了解析模型.据此,设计了 一种积分滑模控制策略,用于提升对CMG框架动力学特性变化和新增扰动力矩的鲁棒性.仿真结果表明,该控制策略相比传统的PID控制具有更好的动态过程和稳态...