一種非偏置動量單飛輪加磁控制算法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非偏置動量單飛輪加磁控制算法，包括如下步驟：步驟1，飛輪沿滾動軸安裝，確定輪控模式及用于磁控的磁場強度；步驟2，飛輪沿偏航軸安裝，確定輪控模式及用于磁控的磁場強度；步驟3，飛輪斜裝，確定輪控模式及用于磁控的磁場強度；步驟4，三軸的磁控電流輸出和俯仰軸的飛輪磁卸載融合控制，實現(xiàn)非偏置動量衛(wèi)星三軸穩(wěn)定控制。本發(fā)明系統(tǒng)配置要求簡單，僅需要單個飛輪和磁控實現(xiàn)非偏置動量衛(wèi)星三軸穩(wěn)定控制，提高了系統(tǒng)可靠性；能夠應用于微小衛(wèi)星和中大型衛(wèi)星飛輪故障控制模式；根據(jù)滾動和偏航磁場強度進行角動量交換控制與陀螺力矩控制切換，算法計算簡單，易于工程應用。
【專利說明】一種非偏置動量單飛輪加磁控制算法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及衛(wèi)星飛輪姿態(tài)控制【技術領域】，特別涉及一種非偏置動量單飛輪加磁控制算法。

【背景技術】
[0002]現(xiàn)有的衛(wèi)星在軌長期穩(wěn)態(tài)控制主要有零動量和偏置動量兩種方式，這兩種輪控方式都存在一定的缺點:零動量控制要求至少有3個飛輪可用；偏置動量控制沿俯仰軸安裝的動量輪要有較大的角動量，動量輪重量、體積和功耗一般較大。微小衛(wèi)星對飛輪數(shù)量、重量、體積和功耗有較大限制，非偏置動量單飛輪+磁控制算法適用于微小衛(wèi)星控制，同時也適用于中大型衛(wèi)星飛輪故障控制模式。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種非偏置動量單飛輪加磁控制算法，該方法系統(tǒng)配置要求簡單，僅依靠單個飛輪和磁控即可實現(xiàn)非偏置動量衛(wèi)星三軸穩(wěn)定控制。
[0004]為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0005]一種非偏置動量單飛輪加磁控制算法，其特點是，包含如下步驟:
[0006]步驟1、飛輪沿滾動軸安裝，確定輪控模式及用于磁控的磁場強度:
[0007]當滾動磁場強度絕對值大于偏航磁場強度絕對值時,俯仰軸磁力矩器對偏航姿態(tài)進行磁控制，飛輪采用角動量交換方式對滾動姿態(tài)進行控制；或，
[0008]當滾動磁場強度絕對值小于等于偏航磁場強度絕對值時，偏航姿態(tài)基于陀螺力矩控制，飛輪采用角動量交換方式對滾動姿態(tài)進行控制；
[0009]步驟2，飛輪沿偏航軸安裝，確定輪控模式及用于磁控的磁場強度:
[0010]當偏航磁場強度絕對值大于滾動磁場強度絕對值時,俯仰軸磁力矩器對滾動姿態(tài)進行磁控制，飛輪采用角動量交換方式對偏航姿態(tài)進行控制；或，
[0011]當偏航磁場強度絕對值小于等于滾動磁場強度絕對值時，滾動姿態(tài)基于陀螺力矩控制，飛輪采用角動量交換方式對偏航姿態(tài)進行控制；
[0012]步驟3，飛輪斜裝，確定輪控模式及用于磁控的磁場強度:
[0013]根據(jù)滾動和偏航磁場強度對滾動或偏航進行直接動量交換控制:
[0014]當滾動磁場強度絕對值大于偏航磁場強度絕對值時，偏航姿態(tài)基于陀螺力矩控制，對滾動姿態(tài)進行直接動量交換控制；或，
[0015]當滾動磁場強度絕對值小于等于偏航磁場強度絕對值時，滾動姿態(tài)基于陀螺力矩控制，對偏航姿態(tài)進行直接動量交換控制；
[0016]步驟4，三軸的磁控電流輸出和俯仰軸的飛輪磁卸載融合控制，實現(xiàn)非偏置動量衛(wèi)星三軸穩(wěn)定控制。
[0017]所述的步驟I具體包括如下步驟:
[0018]步驟1.1,計算輪控電壓Vx:
[0019]


Vpx = Kp * φ


Vsxk = VsxkA + Ki^ φ


Vdx = KcVjfi φ
[0020]其中，Kp為比例控制參數(shù)、Ki為積分控制參數(shù)、Kd為微分控制參數(shù)；P為滾動軸姿態(tài)角；夂為滾動軸角速率；Vpx為滾動軸比例控制電壓值、Vsxk為滾動軸積分控制電壓值、
Vsxk^1為滾動軸上周期積分控制電壓值、Vdx為滾動軸微分控制電壓值；
[0021]所述輪控電壓Vx = Vpx+Vsx+Vdx,其中，Vsx為滾動軸積分控制電壓值，同Vsxk ；
[0022]步驟1.2,計算磁卸載電流:
[0023]I_magx = O
[0024]I—magy = Bz^dwspdx
[0025]I—magz = -By^dwspdx
[0026]其中，By、Bz分別為俯仰軸和偏航軸的磁場強度；dwspck為滾動軸飛輪待卸載轉速；I_magx、I_magy、I_magz分別為滾動軸、俯仰軸和偏航軸的磁卸載電流；
[0027]步驟1.3，確定用于磁控的磁場強度:
[0028]此時單飛輪為滾動軸飛輪，則滾動軸姿態(tài)主要由滾動軸飛輪進行控制，俯仰軸姿態(tài)由滾動軸磁力矩器和偏航軸磁力矩器進行控制，而偏航軸姿態(tài)由俯仰軸磁力矩器進行控制；同時俯仰軸磁力矩器兼顧滾動軸的姿態(tài)控制，并用于滾動軸飛輪的卸載:
[0029]若滾動軸磁場強度絕對值小于偏航軸磁場強度絕對值，則:
[0030]Mag_X = Bz
[0031]Mag_Z = Bx
[0032]若滾動軸磁場強度絕對值大于等于偏航軸磁場強度絕對值，則:
[0033]Mag_X = Bx
[0034]Mag_Z = -Bz
[0035]其中，Bx為滾動軸磁場強度；Mag_X為用于磁控的滾動軸磁場強度；Mag_Z為用于磁控的偏航軸磁場強度；
[0036]步驟1.4,分別計算滾動軸磁控電流Iconx、偏航軸磁控電流Iconz:
[0037]Iconx = (kvΘ + kyl * 6) * Mag — Z
[0038]Iconz = — (ky3 *θ + ky4 * 汐)* Mag — X
[0039]其中，kyl為俯仰軸姿態(tài)角計算滾動軸磁控電流參數(shù)、ky2為俯仰軸角速度計算滾動軸磁控電流參數(shù)、ky3為俯仰軸姿態(tài)角計算偏航軸磁控電流參數(shù)、ky4為俯仰軸角速度計算偏航軸磁控電流參數(shù)；Θ為俯仰軸姿態(tài)角；4為俯仰軸角速度；Mag_X，Mag_Z分別為用于磁控的滾動軸和偏航軸磁場強度；
[0040]步驟1.5,計算滾動軸磁電流Ix、偏航軸磁電流Iz輸出:
[0041]Ix = Iconx
[0042]Iz = Iconz ο
[0043]所述的步驟2具體包括如下步驟:
[0044]步驟2.1，計算輪控電壓Vx:
[0045]Vpz = Kp* Ψ
[0046]Vszk = Vszk—AKi* Ψ
[0047]Vdz^ Kcl ^xj/
[0048]其中,Kp為比例控制參數(shù)、Ki為積分控制參數(shù)、Kd為微分控制參數(shù)；Ψ為偏航軸姿態(tài)角；ψ為偏航軸角速率；Vpz為偏航軸比例控制電壓值、Vszk為偏航軸積分控制電壓值、Vszk^1為偏航軸上周期積分控制電壓值、Vdz為偏航軸微分控制電壓值；
[0049]所述輪控電壓Vx = Vpz+Vsz+Vdz,其中，Vsz為偏航軸積分控制電壓值，同Vszk ；
[0050]步驟2.2,計算磁卸載電流:
[0051]I—magx = By^dwspdz
[0052]I—magy = -Bx^dwspdz
[0053]I—magz = O
[0054]其中，Bx、By分別為滾動軸和俯仰軸的磁場強度；dwspdz為偏航軸飛輪待卸載轉速；I_magx、I_magy、I_magz分別為滾動軸、俯仰軸和偏航軸的磁卸載電流；
[0055]步驟2.3，確定用于磁控的磁場強度:
[0056]此時單飛輪為偏航軸飛輪，則偏航軸姿態(tài)主要由偏航軸飛輪進行控制，俯仰軸姿態(tài)由滾動軸磁力矩器和偏航軸磁力矩器進行控制，而滾動軸姿態(tài)由俯仰軸磁力矩器進行控制；同時俯仰軸磁力矩器兼顧偏航軸的姿態(tài)控制，并用于偏航軸飛輪的卸載:
[0057]若滾動軸磁場強度絕對值大于偏航軸磁場強度絕對值,且偏航軸磁場強度絕對值小于0.1Gs，則:
[0058]Mag_X = Bz
[0059]Mag_Z = 4*Bx
[0060]若滾動軸磁場強度絕對值不大于偏航軸磁場強度絕對值，或偏航軸磁場強度絕對值不小于0.1Gs，則:
[0061]Mag_X = Bx
[0062]Mag_Z = -Bz
[0063]其中，Bx, Bz分別為滾動軸和偏航軸磁場強度；Mag_X為用于磁控的滾動軸磁場強度；Mag_Z為用于磁控的偏航軸磁場強度；
[0064]步驟2.4,計算滾動軸磁控電流Iconx、偏航軸磁控電流Iconz:
[0065]Iconx = {ky\*θ + kyl * θ)* Mag — Z
[0066]Iconz = ~{kyi *'θ + ky4 * 6) * Mag _X
[0067]其中，kyl為俯仰軸姿態(tài)角計算滾動軸磁控電流參數(shù)、ky2為俯仰軸角速度計算滾動軸磁控電流參數(shù)、ky3為俯仰軸姿態(tài)角計算偏航軸磁控電流參數(shù)、ky4為俯仰軸角速度計算偏航軸磁控電流參數(shù)；Θ為俯仰軸姿態(tài)角；么為俯仰軸角速度；Mag_X，Mag_Z分別為用于磁控的滾動軸和偏航軸磁場強度；
[0068]步驟2.5,計算磁電流Ix、Iz輸出:
[0069]Ix = Iconx
[0070]Iz = Iconz0
[0071]所述的俯仰軸電流為俯仰軸磁控電流和俯仰軸的磁卸載電流的綜合值:
[0072]Iy = Icony+I—magy
[0073]其中:
[0074]Icony = Iconyl+Icony2 ；
[0075]
Icony I = (kxl 務 φ 七 kxl * 分)* Mag _ z
[0076]式中，kxl為滾動軸姿態(tài)角計算俯仰軸磁控電流參數(shù)、kx2為滾動軸角速度計算俯仰軸磁控電流參數(shù)'<Ρ、Φ分別為滾動軸姿態(tài)角和滾動軸角速率；Mag_z為用于磁控的偏航軸磁場強度；
[0077]Iconyl = (kz\'*(// +kz2* ψ) * Mag _ x ;式中，kzl為偏航軸姿態(tài)角計算俯仰軸磁控電流參數(shù)、kz2分別為偏航軸角速度計算俯仰軸磁控電流參數(shù)；Ψ、P分別為偏航軸姿態(tài)角和偏航軸角速率;Mag_x為用于磁控的滾動軸磁場強度；
[0078]I_magy為俯仰軸的磁卸載電流。
[0079]所述I_magy通過飛輪安裝軸確定。
[0080]所述飛輪斜裝對三軸均有角動量分量。
[0081]所述步驟I中，俯仰軸磁力矩器根據(jù)偏航姿態(tài)對滾動施加干擾力矩，飛輪吸收干擾，通過陀螺力矩控制偏航姿態(tài)。
[0082]所述的所述步驟2中，俯仰軸磁力矩器根據(jù)滾動姿態(tài)對偏航施加干擾力矩，飛輪吸收干擾，通過陀螺力矩控制滾動姿。
[0083]所述飛輪的角動量軸與滾動軸之間的夾角為30°。
[0084]本發(fā)明提供的非偏置動量單飛輪加磁控制方法，基于滾動軸磁力矩器和偏航軸磁力矩器實現(xiàn)俯仰姿態(tài)連續(xù)磁控制；根據(jù)在軌滾動和偏航磁場強度特點，配置飛輪最佳安裝角，近地衛(wèi)星滾動和偏航磁場強度可以近似為正余弦曲線，偏航磁場強度幅值約為滾動磁場強度幅值的2倍，斜裝飛輪采用直接動量控制，其角動量對滾動和偏航都有影響，考慮磁控效率，飛輪最佳安裝為角動量軸與滾動軸夾角約30°。
[0085]本發(fā)明提供的非偏置動量單飛輪加磁控制方法，與現(xiàn)有技術相比，具有以下優(yōu)點和有益效果:
[0086]1、系統(tǒng)配置要求簡單，僅需要單個飛輪和磁控實現(xiàn)非偏置動量衛(wèi)星三軸穩(wěn)定控制，提高了系統(tǒng)可靠性；
[0087]2、能夠應用于微小衛(wèi)星和中大型衛(wèi)星飛輪故障控制模式；
[0088]3、根據(jù)滾動和偏航磁場強度進行角動量交換控制與陀螺力矩控制切換，算法計算簡單，易于工程應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0089]圖1為本發(fā)明選用的參考直角坐標系；
[0090]圖2為本發(fā)明配置的飛輪最佳安裝角示意圖；
[0091 ] 圖3是本發(fā)明的流程圖。

【具體實施方式】
[0092]以下結合附圖，通過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本發(fā)明做進一步闡述。
[0093]如圖1?3所示，一種非偏置動量單飛輪加磁控制算法，包含如下步驟:
[0094]步驟1、飛輪沿滾動軸(X軸)安裝，確定輪控模式及用于磁控的磁場強度:
[0095]當滾動磁場強度絕對值大于偏航磁場強度絕對值時,俯仰軸磁力矩器對偏航姿態(tài)進行磁控制，飛輪采用角動量交換方式對滾動姿態(tài)進行控制；或，
[0096]當滾動磁場強度絕對值小于等于偏航磁場強度絕對值時，偏航姿態(tài)基于陀螺力矩控制，飛輪采用角動量交換方式對滾動姿態(tài)進行控制；
[0097]步驟2，飛輪沿偏航軸(Z軸)安裝，確定輪控模式及用于磁控的磁場強度:
[0098]當偏航磁場強度絕對值大于滾動磁場強度絕對值時,俯仰軸磁力矩器對滾動姿態(tài)進行磁控制，飛輪采用角動量交換方式對偏航姿態(tài)進行控制；或，
[0099]當偏航磁場強度絕對值小于等于滾動磁場強度絕對值時，滾動姿態(tài)基于陀螺力矩控制，飛輪采用角動量交換方式對偏航姿態(tài)進行控制；
[0100]步驟3，飛輪斜裝，確定輪控模式及用于磁控的磁場強度:
[0101]根據(jù)滾動和偏航磁場強度對滾動或偏航進行直接動量交換控制；
[0102]當滾動磁場強度絕對值大于偏航磁場強度絕對值時，偏航姿態(tài)基于陀螺力矩控制，對滾動姿態(tài)進行直接動量交換控制；或，
[0103]當滾動磁場強度絕對值小于等于偏航磁場強度絕對值時，滾動姿態(tài)基于陀螺力矩控制，對偏航姿態(tài)進行直接動量交換控制；
[0104]步驟4，三軸(X、Y、Z軸)的磁控電流輸出和俯仰軸(Y軸)的飛輪磁卸載融合控制，實現(xiàn)非偏置動量衛(wèi)星三軸穩(wěn)定控制。
[0105]所述的步驟I具體包括如下步驟:
[0106]步驟1.1,計算輪控電壓Vx:
[0107]

Vpx = Kpφ

Vsxk = Vsxk_x -l.Ki ^ φ

Vdx= Kd ^ φ
[0108]其中，Kp為比例控制參數(shù)、Ki為積分控制參數(shù)、Kd為微分控制參數(shù)；φ為滾動軸姿態(tài)角；々為滾動軸角速率；Vpx為滾動軸比例控制電壓值、Vsxk為滾動軸積分控制電壓值、Vsxk^1為滾動軸上周期積分控制電壓值、Vdx為滾動軸微分控制電壓值；
[0109]所述輪控電壓Vx = Vpx+Vsx+Vdx,其中，Vsx為滾動軸積分控制電壓值，同Vsxk ；
[0110]步驟1.2，計算磁卸載電流:
[0111]1_ magx = O
[0112]I—magy = Bz^dwspdx
[0113]I—magz = -By^dwspdx
[0114]其中，By、Bz分別為俯仰軸和偏航軸的磁場強度；dwspck為滾動軸飛輪待卸載轉速；I_magx、I_magy、I_magz分別為滾動軸、俯仰軸和偏航軸的磁卸載電流；
[0115]根據(jù)磁場強度的分布，By為一極小值，因此用于滾動軸飛輪卸載的主要是俯仰軸磁力矩器，I_magz近似為O ;
[0116]步驟1.3,確定用于磁控的磁場強度:
[0117]此時單飛輪為滾動軸飛輪，則滾動軸姿態(tài)主要由滾動軸飛輪進行控制，俯仰軸姿態(tài)由滾動軸磁力矩器和偏航軸磁力矩器進行控制，而偏航軸姿態(tài)由俯仰軸磁力矩器進行控制；同時俯仰軸磁力矩器兼顧滾動軸的姿態(tài)控制，并用于滾動軸飛輪的卸載:
[0118]若滾動軸磁場強度絕對值小于偏航軸磁場強度絕對值，則:
[0119]Mag—X = Bz
[0120]Mag—Z = Bx
[0121 ] 若滾動軸磁場強度絕對值大于等于偏航軸磁場強度絕對值,則:
[0122]Mag_X = Bx
[0123]Mag_Z = -Bz
[0124]其中，Bx為滾動軸磁場強度；Mag_X為用于磁控的滾動軸磁場強度；Mag_Z為用于磁控的偏航軸磁場強度；
[0125]步驟1.4,分別計算滾動軸磁控電流Iconx、偏航軸磁控電流Iconz::
[0126]Iconx =(人>，1 ^θ + kyl * 句 * Mag — Z
[0127]Iconz = — (ky3 *θ + ky4 * P) * Mag_X
[0128]其中，kyl為俯仰軸姿態(tài)角計算滾動軸磁控電流參數(shù)、ky2為俯仰軸角速度計算滾動軸磁控電流參數(shù)、ky3為俯仰軸姿態(tài)角計算偏航軸磁控電流參數(shù)、ky4為俯仰軸角速度計算偏航軸磁控電流參數(shù)；Θ為俯仰軸姿態(tài)角；4為俯仰軸角速度；Mag_X，Mag_Z分別為用于磁控的滾動軸和偏航軸磁場強度；
[0129]步驟1.5,計算滾動軸磁電流Ix、偏航軸磁電流Iz輸出:
[0130]Ix = Iconx
[0131]Iz = Iconz ο
[0132]優(yōu)選地，所述的步驟2具體包括如下步驟:
[0133]步驟2.1，計算輪控電壓Vx:
[0134]Vpz = Kp* Ψ
[0135]Vszk = Vsz^^Ki* Ψ
[0136]Vdz = Kd * ψ
[0137]其中,Kp為比例控制參數(shù)、Ki為積分控制參數(shù)、Kd為微分控制參數(shù)；Ψ為偏航軸姿態(tài)角；Ψ為偏航軸角速率；Vpz為偏航軸比例控制電壓值、Vszk為偏航軸積分控制電壓值、
Vszk^1為偏航軸上周期積分控制電壓值、Vdz為偏航軸微分控制電壓值；
[0138]所述輪控電壓Vx = Vpz+Vsz+Vdz,其中，Vsz為偏航軸積分控制電壓值，同Vszk ；
[0139]步驟2.2,計算磁卸載電流:
[0140]I_magx = By*dwspdz
[0141]I_magy = _Bx*dwspdz
[0142]I_magz = 0
[0143]其中，Bx、By分別為滾動軸和俯仰軸的磁場強度；dWSpdz為偏航軸飛輪待卸載轉速；I_magx、I_magy、I_magz分別為滾動軸、俯仰軸和偏航軸的磁卸載電流；
[0144]根據(jù)磁場強度的分布，By為一極小值，因此用于滾動軸飛輪卸載的主要是俯仰軸磁力矩器，I_magx近似為O ;
[0145]步驟2.3，確定用于磁控的磁場強度:
[0146]此時單飛輪為偏航軸飛輪，則偏航軸姿態(tài)主要由偏航軸飛輪進行控制，俯仰軸姿態(tài)由滾動軸磁力矩器和偏航軸磁力矩器進行控制，而滾動軸姿態(tài)由俯仰軸磁力矩器進行控制；同時俯仰軸磁力矩器兼顧偏航軸的姿態(tài)控制，并用于偏航軸飛輪的卸載:
[0147]若滾動軸磁場強度絕對值大于偏航軸磁場強度絕對值,且偏航軸磁場強度絕對值小于0.1Gs，則:
[0148]Mag—X = Bz
[0149]Mag—Z = 4*Bx
[0150]若滾動軸磁場強度絕對值不大于偏航軸磁場強度絕對值,或偏航軸磁場強度絕對值不小于0.1Gs，則:
[0151]Mag_X = Bx
[0152]Mag_Z = -Bz
[0153]其中，Bx, Bz分別為滾動軸和偏航軸磁場強度；Mag_X為用于磁控的滾動軸磁場強度；Mag_Z為用于磁控的偏航軸磁場強度；
[0154]步驟2.4,計算滾動軸磁控電流Iconx、偏航軸磁控電流Iconz:
[0155]Iconx - (ky 1*0 + ky2 * 6) * Mag _ Z
[0156]Iconz = -^/:ν-3 * θ + ky4 Mag — X
[0157]其中，kyl為俯仰軸姿態(tài)角計算滾動軸磁控電流參數(shù)、ky2為俯仰軸角速度計算滾動軸磁控電流參數(shù)、ky3為俯仰軸姿態(tài)角計算偏航軸磁控電流參數(shù)、ky4為俯仰軸角速度計算偏航軸磁控電流參數(shù)；Θ為俯仰軸姿態(tài)角；6為俯仰軸角速度；Mag_X為用于磁控的滾動軸磁場強度；Mag_Z為用于磁控的偏航軸磁場強度；
[0158]步驟1.5,計算磁電流Ix、Iz輸出:
[0159]Ix = Iconx
[0160]Iz = Iconz。
[0161]所述的俯仰軸電流為俯仰軸磁控電流和俯仰軸的磁卸載電流的綜合值:
[0162]Iy = Icony+I_magy
[0163]其中:
[0164]Icony = Iconyl+Icony2 ；
[0165]+—z.式中，kxl為滾動軸姿態(tài)角計算俯仰軸磁控電




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流參數(shù)、kx2為滾動軸角速度計算俯仰軸磁控電流參數(shù)φ P分別為滾動軸姿態(tài)角和滾動軸角速率;Mag_z為用于磁控的偏航軸磁場強度；
[0166]Iconyl = {kz\* ψ + kzl *y/)* Mag _x ;式中，kzl為偏航軸姿態(tài)角計算俯仰軸磁控電流參數(shù)、kz2分別為偏航軸角速度計算俯仰軸磁控電流參數(shù)；Ψ、#分別為偏航軸姿態(tài)角和偏航軸角速率;Mag_x為用于磁控的滾動軸磁場強度；
[0167]I_magy為俯仰軸的磁卸載電流。
[0168]所述I_magy通過飛輪安裝軸確定。
[0169]所述飛輪斜裝對三軸均有角動量分量。
[0170]所述步驟I中，俯仰軸磁力矩器根據(jù)偏航姿態(tài)對滾動施加干擾力矩，飛輪吸收干擾，通過陀螺力矩控制偏航姿態(tài)。
[0171]所述的所述步驟2中，俯仰軸磁力矩器根據(jù)滾動姿態(tài)對偏航施加干擾力矩，飛輪吸收干擾，通過陀螺力矩控制滾動姿。
[0172]所述飛輪的角動量軸與滾動軸之間的夾角為30°。
[0173]具體為:
[0174]本發(fā)明的方法具體步驟如圖3所示:
[0175]a.計算輪控轉速
[0176]I)若為X軸飛輪:
[0177]

Vpx = Kpφ

Vsxk = Vsxk ' 七 Ki 詳 φ

Vdx = Kd * φ
[0178]其中:kp、k1、kd為輪控參數(shù)；
[0179]φ、φ—滾動軸姿態(tài)角和角速率。
[0180]X 軸輪控電壓:Vx = Vpx+Vsx+Vdx
[0181]2)若為Z軸飛輪:
[0182]Vpz = Kp* Ψ
[0183]Vszk = Vsz^^Ki* Ψ
[0184]Vdz = Kd * (//
[0185]其中:kp、k1、kd為輪控參數(shù)；
[0186]Ψ、ψ-偏航軸姿態(tài)角和角速率。
[0187]Z 軸輪控電壓:Vz = Vpz+Vsz+Vdz
[0188]斜裝飛輪根據(jù)安裝角調(diào)整輪控電壓。
[0189]b.計算磁卸載電流
[0190]I)若為X軸飛輪
[0191]I_magx = O
[0192]I_magy = Bz*dwspdx
[0193]I_magz = _By*dwspdx
[0194]式中:Bx、By、Bz-三軸磁場強度；
[0195]dwspdx-X軸飛輪待卸載轉速；
[0196]I_magx、I_magy> I_magz-三軸磁卸載電流。
[0197]根據(jù)磁場強度的分布，By為一極小值，因此用于X軸飛輪卸載的主要是Y軸磁力矩器，I_magz近似為O。
[0198]2)若為Z軸飛輪
[0199]I_magx = By*dwspdz
[0200]I_magy = _Bx*dwspdz
[0201]I_magz = 0
[0202]式中:dwspdz-Z軸飛輪待卸載轉速。
[0203]同樣用于Z軸飛輪卸載的主要是Y軸磁力矩器，Ijnagx近似為O。。
[0204]c.確定用于磁控的磁場強度
[0205]I)若為X軸飛輪
[0206]若單飛輪為X軸飛輪，則X軸姿態(tài)主要由X軸飛輪進行控制，Y軸姿態(tài)由X/Z軸磁力矩器進行控制，而Z軸姿態(tài)由Y軸磁力矩器進行控制；同時Y軸磁力矩器兼顧X軸的姿態(tài)控制，并用于X飛輪的卸載。
[0207]若X軸磁場強度絕對值小于Z軸磁場強度絕對值，則:
[0208]Mag_X = Bz
[0209]Mag_Z = Bx
[0210]若X軸磁場強度絕對值不小于Z軸磁場強度絕對值，則:
[0211]Mag_X = Bx
[0212]Mag_Z =-Bz
[0213]2)若為Z軸飛輪
[0214]若單飛輪為Z軸飛輪，則Z軸姿態(tài)主要由Z軸飛輪進行控制，Y軸姿態(tài)由X/Z軸磁力矩器進行控制，而X軸姿態(tài)由Y軸磁力矩器進行控制；同時Y軸磁力矩器兼顧Z軸的姿態(tài)控制，并用于Z軸飛輪的卸載。
[0215]若X軸磁場強度絕對值大于Z軸磁場強度絕對值,且Z軸磁場強度絕對值小于
0.1GsJJ:
[0216]Mag_X = Bz
[0217]Mag_Z = 4*Bx
[0218]若X軸磁場強度絕對值不大于Z軸磁場強度絕對值，或Z軸磁場強度絕對值不小于 0.1Gs，則:
[0219]Mag_X = Bx
[0220]Mag_Z = -Bz
[0221]式中:Bx、Bz——衛(wèi)星X/Z軸磁場強度；
[0222]Mag_X、Mag_Z——用于磁控的X/Z軸磁場強度。
[0223]d.計算磁控電流
[0224]1)X 軸磁控電流 /<_<船二&’丨*^ + /^*鄉(xiāng)—z
[0225]2)Z 軸磁控電流:Iu川=(ky\:!fe + ky2*e]^Mag_x
[0226]3) Y軸磁控電流:
[0227]控X 軸:= (/a-1 *φ + kxl * φ)'* Mag _ z
[0228]控Z 軸:fcoiiy 2 =(々z I * I// -1- kzl * ψ) * Mag — x
[0229]Y 軸總的磁控電流:Icony = Iconyl+Icony2
[0230]其中:kyl、ky2、kxl、kx2、kzl、kz2-磁控電流參數(shù)，試驗中 kyl 為 1000, ky2 為
100000，kxl、kzl 為 20，kx2、kz2 為 20000。
[0231]e.計算磁電流輸出
[0232]無論是X軸飛輪或Z軸飛輪，用于飛輪卸載的主要為Y軸磁力矩器，因此三根磁力矩器的輸出分別如下所示:
[0233]1)X/Z軸磁力矩器為磁控電流:Ix = Iconx ；Iz = Iconz
[0234]2) Y軸磁力矩器為磁控電流和卸載電流的綜合值:Iy = Icony+I_magy。
[0235]本實施例提供的非偏置動量單飛輪加磁控制方法，僅依靠單個飛輪和磁控實現(xiàn)非偏置動量衛(wèi)星三軸穩(wěn)定控制，并進行了飛輪最佳安裝角設計。根據(jù)滾動和偏航磁場強度確定俯仰軸磁力矩器對滾動/偏航姿態(tài)進行磁控制，沿滾動或偏航正裝飛輪根據(jù)滾動和偏航磁場強度進行角動量交換控制與陀螺力矩控制，斜裝飛輪采用直接動量交換控制，并應用磁對飛輪卸載；根據(jù)在軌滾動和偏航磁場強度特點設計飛輪最佳安裝角。
[0236]本實施例系統(tǒng)配置要求簡單，僅需要單個飛輪和磁控實現(xiàn)非偏置動量衛(wèi)星三軸穩(wěn)定控制，提高了系統(tǒng)可靠性；能夠應用于微小衛(wèi)星飛輪控制和中大型衛(wèi)星飛輪故障控制模式；根據(jù)滾動和偏航磁場強度進行角動量交換控制與陀螺力矩控制，算法計算簡單，易于工程應用。
[0237]盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發(fā)明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。
【權利要求】
1.一種非偏置動量單飛輪加磁控制算法，其特征在于，包含如下步驟: 步驟1、飛輪沿滾動軸安裝，確定輪控模式及用于磁控的磁場強度: 當滾動磁場強度絕對值大于偏航磁場強度絕對值時，俯仰軸磁力矩器對偏航姿態(tài)進行磁控制，飛輪采用角動量交換方式對滾動姿態(tài)進行控制；或， 當滾動磁場強度絕對值小于等于偏航磁場強度絕對值時，偏航姿態(tài)基于陀螺力矩控制，飛輪采用角動量交換方式對滾動姿態(tài)進行控制； 步驟2，飛輪沿偏航軸安裝，確定輪控模式及用于磁控的磁場強度: 當偏航磁場強度絕對值大于滾動磁場強度絕對值時，俯仰軸磁力矩器對滾動姿態(tài)進行磁控制，飛輪采用角動量交換方式對偏航姿態(tài)進行控制；或， 當偏航磁場強度絕對值小于等于滾動磁場強度絕對值時，滾動姿態(tài)基于陀螺力矩控制，飛輪采用角動量交換方式對偏航姿態(tài)進行控制； 步驟3，飛輪斜裝，確定輪控模式及用于磁控的磁場強度: 根據(jù)滾動和偏航磁場強度對滾動或偏航進行直接動量交換控制； 當滾動磁場強度絕對值大于偏航磁場強度絕對值時，偏航姿態(tài)基于陀螺力矩控制，對滾動姿態(tài)進行直接動量交換控制；或， 當滾動磁場強度絕對值小于等于偏航磁場強度絕對值時，滾動姿態(tài)基于陀螺力矩控制，對偏航姿態(tài)進行直接動量交換控制； 步驟4，三軸的磁控電流輸出和俯仰軸的飛輪磁卸載融合控制，實現(xiàn)非偏置動量衛(wèi)星三軸穩(wěn)定控制。
2.如權利要求1所述的非偏置動量單飛輪加磁控制算法，其特征在于，所述的步驟I具體包括如下步驟: 步驟1.1,計算輪控電壓Vx:


Vpx = Kp * φ


Vsxh = Vsxh I + Κι ψ


Vdx= Kd'名 φ 其中，Kp為比例控制參數(shù)、Ki為積分控制參數(shù)、Kd為微分控制參數(shù)；I為滾動軸姿態(tài)角；盧:為滾動軸角速率；Vpx為滾動軸比例控制電壓值、Vsxk為滾動軸積分控制電壓值、Vsxk^1為滾動軸上周期積分控制電壓值、Vdx為滾動軸微分控制電壓值； 所述輪控電壓Vx = Vpx+Vsx+Vdx,其中，Vsx為滾動軸積分控制電壓值，同Vsxk ；； 步驟1.2，計算磁卸載電流:
I—magx = O
I—magy = Bz^dwspdx
I—magz = -By^dwspdx 其中，By、Bz分別為俯仰軸和偏航軸的磁場強度；dwspdX為滾動軸飛輪待卸載轉速；1_magx、I_magy、I_magz分別為滾動軸、俯仰軸和偏航軸的磁卸載電流； 步驟1.3，確定用于磁控的磁場強度: 此時單飛輪為滾動軸飛輪，則滾動軸姿態(tài)主要由滾動軸飛輪進行控制，俯仰軸姿態(tài)由滾動軸磁力矩器和偏航軸磁力矩器進行控制，而偏航軸姿態(tài)由俯仰軸磁力矩器進行控制；同時俯仰軸磁力矩器兼顧滾動軸的姿態(tài)控制，并用于滾動軸飛輪的卸載: 若滾動軸磁場強度絕對值小于偏航軸磁場強度絕對值，則:
Mag—X = Bz
Mag—Z = Bx 若滾動軸磁場強度絕對值大于等于偏航軸磁場強度絕對值，則:
Mag_X = Bx
Mag_Z = -Bz 其中，Bx為滾動軸磁場強度；Mag_X為用于磁控的滾動軸磁場強度；Mag_Z為用于磁控的偏航軸磁場強度； 步驟1.4,分別計算滾動軸磁控電流Iconx、偏航軸磁控電流Iconz:
Iconx - (/?ν? *θ + ky2 Mag _Z
Iconz --(人:v3*θ + kvA-Mag _ X 其中，kyl為俯仰軸姿態(tài)角計算滾動軸磁控電流參數(shù)、ky2為俯仰軸角速度計算滾動軸磁控電流參數(shù)、ky3為俯仰軸姿態(tài)角計算偏航軸磁控電流參數(shù)、ky4為俯仰軸角速度計算偏航軸磁控電流參數(shù)；Θ為俯仰軸姿態(tài)角；4為俯仰軸角速度；Mag_X，Mag_Z*別為用于磁控的滾動軸和偏航軸磁場強度； 步驟1.5,計算滾動軸磁電流Ix、偏航軸磁電流Iz輸出:
Ix = Iconx
Iz = Iconz0
3.如權利要求1所述的非偏置動量單飛輪加磁控制算法，其特征在于，所述的步驟2具體包括如下步驟: 步驟2.1,計算輪控電壓Vx:
Vpz = Kp* Ψ
Vszk = VszH+Ki* Ψ
Vdz = Kd * ψ 其中，Kp為比例控制參數(shù)、Ki為積分控制參數(shù)、Kd為微分控制參數(shù)；Ψ為偏航軸姿態(tài)角；P為偏航軸角速率；Vpz為偏航軸比例控制電壓值、Vszk為偏航軸積分控制電壓值、Vszh為偏航軸上周期積分控制電壓值、Vdz為偏航軸微分控制電壓值； 所述輪控電壓Vx = Vpz+Vsz+Vdz,其中，Vsz為偏航軸積分控制電壓值，同Vszk ； 步驟2.2，計算磁卸載電流:
I—magx = By5^dwspdz
I—magy = -Bx^dwspdz
I—magz = O 其中，Bx、By分別為滾動軸和俯仰軸的磁場強度；dWSpdz為偏航軸飛輪待卸載轉速；1_magx、I_magy、I_magz分別為滾動軸、俯仰軸和偏航軸的磁卸載電流； 步驟2.3，確定用于磁控的磁場強度: 此時，單飛輪為偏航軸飛輪，則偏航軸姿態(tài)主要由偏航軸飛輪進行控制，俯仰軸姿態(tài)由滾動軸磁力矩器和偏航軸磁力矩器進行控制，而滾動軸姿態(tài)由俯仰軸磁力矩器進行控制；同時俯仰軸磁力矩器兼顧偏航軸的姿態(tài)控制，并用于偏航軸飛輪的卸載: 若滾動軸磁場強度絕對值大于偏航軸磁場強度絕對值，且偏航軸磁場強度絕對值小于0.1GsJJ:
Mag—X = Bz
Mag—Z = ^Bx 若滾動軸磁場強度絕對值不大于偏航軸磁場強度絕對值，或偏航軸磁場強度絕對值不小于0.1Gs，則:
Mag—X = Bx
Mag—Z = -Bz 其中，Bx，Bz分別為滾動軸和偏航軸磁場強度；Mag_X為用于磁控的滾動軸磁場強度；Mag_Z為用于磁控的偏航軸磁場強度； 步驟2.4,計算滾動軸磁控電流Iconx、偏航軸磁控電流Iconz:
Iconx - (ky 丨 * 沒 + kyl Mag — Z
Iconz = -(ky3*θ + kyA*滲)* Mag — X 其中，kyl為俯仰軸姿態(tài)角計算滾動軸磁控電流參數(shù)、ky2為俯仰軸角速度計算滾動軸磁控電流參數(shù)、ky3為俯仰軸姿態(tài)角計算偏航軸磁控電流參數(shù)、ky4為俯仰軸角速度計算偏航軸磁控電流參數(shù)；Θ為俯仰軸姿態(tài)角；6為俯仰軸角速度；Mag_X，Mag_Z*別為用于磁控的滾動軸和偏航軸磁場強度； 步驟2.5,計算磁電流Ix、Iz輸出:
Ix = Iconx
Iz = Iconz0
4.如權利要求2或3所述的非偏置動量單飛輪加磁控制算法，其特征在于，所述的俯仰軸電流為俯仰軸磁控電流和俯仰軸的磁卸載電流的綜合值:
Iy = Icony+I_magy
其中:
Icony = Iconyl+Icony2 ； tcony\ ={kx\^9 + kxlφ)^ Mag_z.式中，kxl為滾動軸姿態(tài)角計算俯仰軸磁控電流參




9數(shù)、kx2為滾動軸角速度計算俯仰軸磁控電流參數(shù)φ P分別為滾動軸姿態(tài)角和滾動軸角速率;Mag_z為用于磁控的偏航軸磁場強度； /rw7V2 = (fcrPv/+fcr2N/>”Mi/g_.v;式中，kzl為偏航軸姿態(tài)角計算俯仰軸磁控電流參數(shù)、kz2分別為偏航軸角速度計算俯仰軸磁控電流參數(shù)；Ψ、#分別為偏航軸姿態(tài)角和偏航軸角速率;Mag_x為用于磁控的滾動軸磁場強度； I_magy為俯仰軸的磁卸載電流。
5.如權利要求4所述的非偏置動量單飛輪加磁控制算法，其特征在于，所述I_magy通過飛輪安裝軸確定。
6.如權利要求1所述的非偏置動量單飛輪加磁控制算法，其特征在于，所述飛輪斜裝對三軸均有角動量分量。
7.如權利要求1或2所述的非偏置動量單飛輪加磁控制算法，其特征在于，所述步驟I中，俯仰軸磁力矩器根據(jù)偏航姿態(tài)對滾動施加干擾力矩，飛輪吸收干擾，通過陀螺力矩控制偏航姿態(tài)。
8.如權利要求1或3所述的非偏置動量單飛輪加磁控制算法，其特征在于，所述的所述步驟2中，俯仰軸磁力矩器根據(jù)滾動姿態(tài)對偏航施加干擾力矩，飛輪吸收干擾，通過陀螺力矩控制滾動姿。
9.如權利要求1所述的非偏置動量單飛輪加磁控制算法，其特征在于，所述飛輪的角動量軸與滾動軸之間的夾角為30°。
【文檔編號】B64G1/28GK104176276SQ201410404052
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月15日 優(yōu)先權日:2014年8月15日
【發(fā)明者】王獻忠, 張肖, 張國柱 申請人:上海新躍儀表廠