反作用飛輪非理想電磁力矩抑制及其測量方法研究.pdf

1、反作用飛輪作為衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，具有控制精度高、燃料消耗少、使用靈活性大等特點。反作用飛輪利用加速或減速時產(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衛(wèi)星姿態(tài)產(chǎn)生干擾，有必要從反作用飛輪的電機本體設(shè)計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量是檢驗其抑制效果的手段。由于反作用飛輪無外伸轉(zhuǎn)軸且輸出力矩量級小，其力矩測量存在困難，有必要對反作用飛輪的力矩測量方法進

2、行研究。反作用飛輪非理想電磁力矩抑制及其測量方法研究對于提高和檢驗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力矩和跳動力矩，本文建立了考慮反作用飛輪存在動態(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衛(wèi)星姿態(tài)的影響。分析結(jié)果表明，波動力矩使衛(wèi)星姿態(tài)發(fā)生同頻率波動，波動頻率較低且波動系數(shù)較大時，波動力矩對衛(wèi)星姿態(tài)的影響較大；跳動力矩使衛(wèi)星姿態(tài)發(fā)生偏差，最大偏差隨力矩跳動幅值和跳

3、動時間的增加而增加；當衛(wèi)星姿態(tài)控制精度要求較高時，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力矩，本文通過有限元方法分析了磁極極距和氣隙不同時磁極充磁方式對氣隙磁密的影響，比較了不同磁極拼接個數(shù)及拼接角度時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數(shù)和拼接角度，在不改變繞組結(jié)構(gòu)及驅(qū)動方式的前提下，磁極拼接方案使反作用飛輪的力矩波動

4、系數(shù)下降了約5％。
　　針對反作用飛輪跳動力矩的抑制，本文通過在現(xiàn)有的反作用飛輪力矩控制電路中構(gòu)建能耗制動回路，實現(xiàn)了能耗制動和反接制動的聯(lián)合制動方法，同時改進了四象限運行的控制方案，從原理上抑制了反作用飛輪轉(zhuǎn)速過零時的跳動力矩。通過反作用飛輪四象限運行的實驗結(jié)果驗證了改進方案的有效性。
　　針對反作用飛輪力矩測量困難的問題，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量系統(tǒng)，在測量系統(tǒng)總體設(shè)計的基礎(chǔ)上，圍繞著位置傳感

5、器的選擇與設(shè)計、力矩器的磁極設(shè)計和繞組設(shè)計、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子方案選擇等問題進行了研究。針對動線圈方案和動鐵芯方案這兩種轉(zhuǎn)子方案，采用仿真分析的方法，對比了理想情況下、考慮測量噪聲和反饋環(huán)節(jié)分辨力時兩種方案的系統(tǒng)響應(yīng)。分析結(jié)果表明，動線圈方案時，系統(tǒng)的力矩響應(yīng)對噪聲和反饋環(huán)節(jié)分辨力的敏感度較低，更適合于力矩測量系統(tǒng)。提出的力矩測量系統(tǒng)的測量范圍為[-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力

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