基于球形電機(jī)的衛(wèi)星姿態(tài)控制技術(shù)研究.pdf

1、傳統(tǒng)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)一般是由多臺控制力矩陀螺或飛輪組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件冗余重復(fù)，嚴(yán)重影響了姿控系統(tǒng)的重量、體積、功耗及成本。永磁球形電機(jī)是近年來出現(xiàn)的一種新型多自由度電磁裝置，能夠代替沉重復(fù)雜的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的三自由度運(yùn)動，在航天領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，但直接將其作為動量交換裝置的相關(guān)研究還處于起步階段。
　　本文以球形電機(jī)為原始概念提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、能量密度大、系統(tǒng)集成度高的新型多自由度動量交換裝置，稱作動量反應(yīng)球，

2、其采用分布式電磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子，以實(shí)現(xiàn)三維動量交換。通過分析其電氣方程和動力學(xué)方程可知，動量反應(yīng)球是一個多輸入多輸出的強(qiáng)耦合非線性動力學(xué)系統(tǒng)，為提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，采用了基于PD前饋的動力學(xué)解耦控制算法。
　　對于姿態(tài)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模，考慮到動量反應(yīng)球無框架結(jié)構(gòu)限制，約束條件簡單，采用矢量力學(xué)法建立了平行構(gòu)型下的多動量反應(yīng)球姿控系統(tǒng)的精確動力學(xué)模型，為簡化計算，建立了虛擬框架坐標(biāo)系。之后，利用系統(tǒng)雅可比矩陣研究了動量反應(yīng)球的力矩特征，

3、在傾角范圍內(nèi)，其輸出力矩可充滿三維空間，當(dāng)傾角飽和時，系統(tǒng)陷入奇異狀態(tài)。針對傾角飽和奇異問題，借鑒控制力矩陀螺奇異魯棒操縱律設(shè)計方法，設(shè)計了最小冗余構(gòu)型下帶有零運(yùn)動的廣義偽逆操縱律。
　　最后研究了衛(wèi)星的大角度姿態(tài)機(jī)動控制。首先，對于單個動量反應(yīng)球系統(tǒng)，設(shè)計了n級分步的歐拉軸Bang-Bang增量機(jī)動控制策略;對于雙平行構(gòu)型系統(tǒng)則采用反步控制法設(shè)計了非線性反饋控制律。之后，在MATLAB/Simulink環(huán)境下對系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真