反作用飛輪非理想電磁力矩抑制及其測(cè)量方法研究.pdf

1、反作用飛輪作為衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具有控制精度高、燃料消耗少、使用靈活性大等特點(diǎn)。反作用飛輪利用加速或減速時(shí)產(chǎn)生的反作用力矩控制衛(wèi)星姿態(tài)，其輸出的反作用力矩中往往存在非理想電磁力矩，這些非理想電磁力矩對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)產(chǎn)生干擾，有必要從反作用飛輪的電機(jī)本體設(shè)計(jì)和控制角度加以抑制。另一方面，反作用飛輪非理想電磁力矩的測(cè)量是檢驗(yàn)其抑制效果的手段。由于反作用飛輪無外伸轉(zhuǎn)軸且輸出力矩量級(jí)小，其力矩測(cè)量存在困難，有必要對(duì)反作用飛輪的力矩測(cè)量方法進(jìn)

2、行研究。反作用飛輪非理想電磁力矩抑制及其測(cè)量方法研究對(duì)于提高和檢驗(yàn)反作用飛輪的力矩特性具有重要意義。
　　反作用飛輪的非理想電磁力矩包括波動(dòng)力矩和跳動(dòng)力矩，本文建立了考慮反作用飛輪存在動(dòng)態(tài)力矩的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)模型，通過仿真分析定量地描述了非理想電磁力矩對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的影響。分析結(jié)果表明，波動(dòng)力矩使衛(wèi)星姿態(tài)發(fā)生同頻率波動(dòng)，波動(dòng)頻率較低且波動(dòng)系數(shù)較大時(shí)，波動(dòng)力矩對(duì)衛(wèi)星姿態(tài)的影響較大；跳動(dòng)力矩使衛(wèi)星姿態(tài)發(fā)生偏差，最大偏差隨力矩跳動(dòng)幅值和跳

3、動(dòng)時(shí)間的增加而增加；當(dāng)衛(wèi)星姿態(tài)控制精度要求較高時(shí)，反作用飛輪非理想電磁力矩的影響不容忽視。
　　為了抑制反作用飛輪的波動(dòng)力矩，本文通過有限元方法分析了磁極極距和氣隙不同時(shí)磁極充磁方式對(duì)氣隙磁密的影響，比較了不同磁極拼接個(gè)數(shù)及拼接角度時(shí)反作用飛輪的氣隙磁密分布。分析結(jié)果表明，較少奇數(shù)塊磁極拼接方案有利于改善反作用飛輪的氣隙磁密。合理地選擇了磁極拼接個(gè)數(shù)和拼接角度，在不改變繞組結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式的前提下，磁極拼接方案使反作用飛輪的力矩波動(dòng)

4、系數(shù)下降了約5％。
　　針對(duì)反作用飛輪跳動(dòng)力矩的抑制，本文通過在現(xiàn)有的反作用飛輪力矩控制電路中構(gòu)建能耗制動(dòng)回路，實(shí)現(xiàn)了能耗制動(dòng)和反接制動(dòng)的聯(lián)合制動(dòng)方法，同時(shí)改進(jìn)了四象限運(yùn)行的控制方案，從原理上抑制了反作用飛輪轉(zhuǎn)速過零時(shí)的跳動(dòng)力矩。通過反作用飛輪四象限運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性。
　　針對(duì)反作用飛輪力矩測(cè)量困難的問題，提出了基于無鐵芯力矩器的力矩平衡式反作用飛輪力矩測(cè)量系統(tǒng)，在測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，圍繞著位置傳感

5、器的選擇與設(shè)計(jì)、力矩器的磁極設(shè)計(jì)和繞組設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子方案選擇等問題進(jìn)行了研究。針對(duì)動(dòng)線圈方案和動(dòng)鐵芯方案這兩種轉(zhuǎn)子方案，采用仿真分析的方法，對(duì)比了理想情況下、考慮測(cè)量噪聲和反饋環(huán)節(jié)分辨力時(shí)兩種方案的系統(tǒng)響應(yīng)。分析結(jié)果表明，動(dòng)線圈方案時(shí)，系統(tǒng)的力矩響應(yīng)對(duì)噪聲和反饋環(huán)節(jié)分辨力的敏感度較低，更適合于力矩測(cè)量系統(tǒng)。提出的力矩測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍為[-0.5N?m,0.5N?m]，分辨率為0.126%，精度為±1.494%，適合反作用飛輪小量級(jí)力

6、矩的測(cè)量。
　　為了改善力矩測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，研究了基于干擾觀測(cè)器的力矩測(cè)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。建立了基于干擾觀測(cè)器的力矩測(cè)量系統(tǒng)模型，針對(duì)位置環(huán)控制器的設(shè)計(jì)，基于傳統(tǒng)恒值調(diào)節(jié)系統(tǒng)綜合方法，對(duì)位置響應(yīng)閉環(huán)擾動(dòng)傳遞函數(shù)的確定方法進(jìn)行了改進(jìn)。在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了干擾觀測(cè)器并提出了近似設(shè)計(jì)方法。仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，干擾觀測(cè)器能夠有效地提高位置響應(yīng)的抗擾性能，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)力矩測(cè)量系統(tǒng)能夠測(cè)量反作用飛輪的波動(dòng)力矩和跳