專利名稱：一種磁懸浮飛輪三自由度動量交換控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁懸浮飛輪三自由度動量交換控制方法，使單個磁懸浮飛輪在航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中進(jìn)行三自由度動量交換。

背景技術(shù)：
飛輪是航天器最主要的慣性姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。飛輪按照姿控系統(tǒng)指令，提供合適的控制力矩，校正航天器的姿態(tài)偏差，或完成某種預(yù)定的姿態(tài)調(diào)整。目前作為航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的飛輪，一般仍舊采用機(jī)械軸承支承，這就從根本上限制了飛輪轉(zhuǎn)速的提高，因此為了達(dá)到所需的動量，就不得不增加飛輪重量，增大體積。另外，機(jī)械軸承存在機(jī)械磨損、不平衡振動不可控和過零摩擦力矩大等問題，嚴(yán)重影響了飛輪的使用壽命以及航天器姿態(tài)控制的精度和穩(wěn)定度。
與傳統(tǒng)機(jī)械軸承飛輪相比，磁懸浮飛輪具有無接觸、無摩擦、高精度、長壽命等技術(shù)優(yōu)勢，是目前國外航天器高精度姿態(tài)控制的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。隨著磁軸承技術(shù)的發(fā)展，磁懸浮飛輪技術(shù)研究受到了各國的普遍重視。由于磁懸浮飛輪具有高轉(zhuǎn)速、長壽命、低振動、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
姿態(tài)控制系統(tǒng)是衛(wèi)星等航天器的重要子系統(tǒng)，其姿控性能直接影響了航天器的性能，同時，隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，航天器對姿態(tài)控制系統(tǒng)體積小、重量輕、壽命長、功耗低、可靠性高、功能集成的需求也越來越強(qiáng)烈。如三軸穩(wěn)定衛(wèi)星就需要三自由度動量交換機(jī)構(gòu)，由于飛輪只能進(jìn)行軸向自由度動量交換，因此至少需要三個飛輪才能對三軸穩(wěn)定衛(wèi)星進(jìn)行姿態(tài)控制。
利用磁懸浮飛輪磁軸承結(jié)構(gòu)無接觸的優(yōu)點(diǎn)，采用一定的控制方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與定子的動量矩主軸的偏向，使角動量可在一定方向范圍內(nèi)改變，產(chǎn)生一般的飛輪在垂直角動量方向上所沒有的控制力矩，則可以通過單個磁懸浮飛輪實(shí)現(xiàn)航天器高精度的三軸姿態(tài)主動控制。多自由度動量交換技術(shù)在提高姿控系統(tǒng)集成度，減小姿控系統(tǒng)質(zhì)量、體積等方面具有獨(dú)特的“先天”優(yōu)勢，微小衛(wèi)星也因此成為多自由度動量交換技術(shù)最有發(fā)展前景的應(yīng)用領(lǐng)域。
1986年美國的Downer James R在麻省理工學(xué)院完成了他的博士論文，其題目就是大角度磁懸浮系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中提出萬向磁懸浮動量輪的系統(tǒng)性結(jié)構(gòu)。在1988年他申請了一項(xiàng)名為“大角度磁懸浮系統(tǒng)”的專利(Large Angle Magnetic Suspension Sysetm.United States Patent No.4785212，1988.)，該項(xiàng)專利中描述了一種主軸可偏向的空間用磁懸浮動量輪，在結(jié)構(gòu)上采用了上下對稱的球冠形的定子，配合上下對稱的球環(huán)形的外轉(zhuǎn)子，通過對定子上不同電磁線圈的電流大小、方向及個數(shù)的組合進(jìn)行選擇性激勵，與轉(zhuǎn)子氣隙處的永磁磁場發(fā)生作用，分別產(chǎn)生各種不同的控制力和力矩，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的平動和傾斜控制。設(shè)計(jì)者聲稱可以實(shí)現(xiàn)10°～20°的動量矩主軸傾斜角度。法國的Chassoulier，Damien等人在2002年申請了一項(xiàng)名為“可傾斜的球連接型磁懸浮軸承”的美國專利(Ball Joint Type Magnetic Bearing for Tilting Body.United StatesPatent No.6351049，2002)，專利中提出了兩種結(jié)構(gòu)略有差異的球型磁懸浮軸承，均可實(shí)現(xiàn)主軸的偏轉(zhuǎn)。采用球環(huán)面形的外轉(zhuǎn)子，通過內(nèi)定子各電磁線圈的選擇性激勵，與轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁材料產(chǎn)生各個方向不同的控制力和力矩，實(shí)現(xiàn)三個平動方向和兩個傾斜方向的運(yùn)動控制。其聲稱可以實(shí)現(xiàn)至少5°甚至15°等更大角度的傾斜運(yùn)動。德國的TELDIX公司是滾球軸承飛輪的主要制造商之一，它的磁懸浮飛輪技術(shù)與是世界領(lǐng)先的。該公司正在研發(fā)一種型號為MWX的轉(zhuǎn)子可傾斜的五自由度磁懸浮動量輪，可以以很高的精度主動控制轉(zhuǎn)子的偏向，適合應(yīng)用于高精度的空間任務(wù)中。轉(zhuǎn)子自旋方向可在±1.7°范圍內(nèi)偏置，下一步的目標(biāo)是將轉(zhuǎn)子的可偏置角度提高到±5°。
目前可進(jìn)行多自由度動量交換的磁懸浮飛輪及其軸承設(shè)計(jì)與控制技術(shù)研究還不是很廣泛。國外對這種磁懸浮飛輪結(jié)構(gòu)有一些研究，而對其控制方法的研究還未見文獻(xiàn)報(bào)道，所以設(shè)計(jì)磁懸浮飛輪多自由度動量交換控制方法是十分重要和必要的。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題針對目前可進(jìn)行多自由度動量交換的磁懸浮飛輪控制方法研究的空缺，提出一種磁懸浮飛輪三自由度動量交換控制方法，該方法實(shí)現(xiàn)了單個磁懸浮飛輪即可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的航天器三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制系統(tǒng)中三個飛輪的三自由度動量交換，減小了衛(wèi)星等航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的體積、重量和功耗。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種磁懸浮飛輪三自由度動量交換控制方法，其特征在于步驟如下 ①確定進(jìn)動控制力矩 取姿態(tài)控制指令

和

作為輸入量，以磁懸浮飛輪進(jìn)動控制力矩Px和Py為輸出量建立進(jìn)動控制模塊(1)，確定進(jìn)動控制力矩

和

為姿態(tài)控制指令，其含義為磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的角速率，Px和Py為磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸的進(jìn)動控制力矩，H為磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子沿Z軸的角動量； ②確定同軸耦合補(bǔ)償力矩 以進(jìn)動控制模塊(1)輸出的磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸的進(jìn)動控制力矩Px和Py為輸入量，磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸的姿態(tài)控制力矩Mx和My為輸出量，建立同軸耦合補(bǔ)償模塊(2)，確定磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸的姿態(tài)控制力矩Mx和My 其中ΔPx和ΔPy為磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸的同軸耦合補(bǔ)償力矩，Je為磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子的赤道轉(zhuǎn)動慣量； 同軸耦合補(bǔ)償力矩ΔPx和ΔPy用于對磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子動力學(xué)模型(3)中的同軸耦合項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償，即由進(jìn)動控制力矩Py和Px分別與同軸耦合補(bǔ)償系數(shù)

和

作積，得到同軸耦合補(bǔ)償力矩ΔPx和ΔPy 其中s表示拉普拉斯算子，用于微分方程的拉普拉斯變換。
本發(fā)明的磁懸浮飛輪三自由度動量交換控制方法，可以與磁懸浮飛輪磁軸承穩(wěn)定控制器一起使用，由磁懸浮飛輪磁軸承穩(wěn)定控制器控制磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮與升降速，從而進(jìn)行軸向自由度動量交換，由磁懸浮飛輪三自由度動量交換控制方法使磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)從而進(jìn)行徑向二自由度動量交換。磁懸浮飛輪磁軸承穩(wěn)定控制器，可以為分散PID控制器，或分散PID加交叉反饋控制器，或解耦控制器。由于磁軸承穩(wěn)定控制器會控制磁軸承產(chǎn)生軸承力使轉(zhuǎn)子回到控制中心，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)主軸偏向后，如果磁軸承控制中心的偏轉(zhuǎn)角與當(dāng)前磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角不一致，磁軸承必然會產(chǎn)生軸承力，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)主軸回到原來位置，因此還需要依據(jù)姿態(tài)控制指令計(jì)算出當(dāng)前的磁軸承中心偏移量，對磁軸承控制中心進(jìn)行偏移。由姿態(tài)控制指令

和

作為輸入量，以磁軸承控制中心偏移量Δx和Δy為輸出量建立控制中心偏移模塊，分別將

和

與控制作用時間t和磁軸承中心距磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子幾何中心的跨距l(xiāng)的乘積t×l作積，得到磁軸承控制中心偏移量Δx和Δy 其中t為控制作用時間，l為磁軸承中心距磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子幾何中心的跨距。由于磁軸承控制中心偏移量與偏轉(zhuǎn)角具有三角幾何關(guān)系(如圖7所示)，磁軸承控制中心的偏轉(zhuǎn)角Δα和Δβ為 即磁軸承控制中心偏轉(zhuǎn)角與當(dāng)前磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角相同，因此磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子將穩(wěn)定于當(dāng)前偏轉(zhuǎn)角位置。
本發(fā)明的原理是磁懸浮飛輪三自由度動量交換包括飛輪常規(guī)的軸向自由度動量交換和本發(fā)明所提出的適合于磁懸浮飛輪特性的徑向二自由度動量交換。飛輪角動量為矢量，包括大小和方向兩個特征參數(shù)，通過改變角動量大小與星體進(jìn)行動量交換時，其輸出角動量與力矩沿軸向方向，即為軸向自由度動量交換；通過改變角動量方向與星體進(jìn)行動量交換時，由于可輸出沿徑向x方向或y方向的角動量和力矩，稱為徑向二自由度動量交換。傳統(tǒng)的軸向自由度動量交換通過改變角動量的大小與星體進(jìn)行動量交換，如錯誤！未找到引用源。(a)所示，飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)主軸方向不變，轉(zhuǎn)速由Ω1升速至Ω2時，角動量由

變化至

輸出角動量的方向與

和

相同，與航天器進(jìn)行軸向動量交換，這使飛輪常規(guī)的動量交換方式。磁懸浮飛輪徑向自由度動量交換如錯誤！未找到引用源。(b)所示，按照衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)給定的姿態(tài)控制指令

和

磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)主軸繞x軸或y軸偏轉(zhuǎn)α和β角度，轉(zhuǎn)子角動量由初始的

變化為

按照矢量求和的方法，磁懸浮飛輪可以輸出沿徑向x方向或y方向的角動量，與航天器進(jìn)行徑向二自由度動量交換，其中姿態(tài)控制指令

和

決定了輸出力矩的大小，偏轉(zhuǎn)角度α和β角度決定了輸出角動量的大小。利用磁懸浮飛輪磁軸承結(jié)構(gòu)無接觸的優(yōu)點(diǎn)，通過控制方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與定子的角動量主軸的偏向，使角動量可在一定方向范圍內(nèi)改變，產(chǎn)生一般的飛輪在垂直角動量方向上所沒有的控制力矩，可以通過單個磁懸浮飛輪實(shí)現(xiàn)航天器高精度的三軸姿態(tài)主動控制。
徑向二自由度動量交換控制的目標(biāo)為按照衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)給定的角速率

和

使磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)繞x軸和y軸偏轉(zhuǎn)α和β角度。控制方法的原理為首先由姿態(tài)控制指令按照陀螺進(jìn)動方程計(jì)算得到進(jìn)動控制力矩，進(jìn)動控制力矩的計(jì)算公式為 其中

和

為姿態(tài)控制指令，Px和Py為磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸的進(jìn)動控制力矩，H為磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子沿Z軸的角動量。
由于飛輪轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性中具有同軸耦合項(xiàng)，會影響轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)主軸的偏轉(zhuǎn)角度和偏轉(zhuǎn)角速率，為了獲得更高精度的角動量，必須對同軸耦合量進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償方法是依據(jù)進(jìn)動控制力矩計(jì)算得到同軸耦合補(bǔ)償量，同軸耦合補(bǔ)償量的計(jì)算公式為 其中ΔPx和ΔPy為磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸的同軸耦合補(bǔ)償力矩，Je為磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子的赤道轉(zhuǎn)動慣量。
由于磁軸承會產(chǎn)生軸承力使轉(zhuǎn)子回到控制中心，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)主軸偏向后，如果不對磁軸承控制中心進(jìn)行偏移，磁軸承必然會產(chǎn)生軸承力，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)主軸回到原來位置，因此還需要依據(jù)姿態(tài)控制指令計(jì)算出當(dāng)前的磁軸承中心偏移量，對磁軸承控制中心進(jìn)行偏移，控制中心偏移量的計(jì)算公式為 其中t為控制作用時間，l為磁軸承中心距磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子幾何中心的跨距，Δx和Δy為磁軸承中心沿X軸和Y軸的偏移量。由于磁軸承控制中心偏移量與偏轉(zhuǎn)角具有三角幾何關(guān)系(如圖7所示)，磁軸承控制中心的偏轉(zhuǎn)角Δα和Δβ 其中，Δα和Δβ磁軸承控制中心繞X軸和Y軸的偏轉(zhuǎn)角，即磁軸承控制中心偏轉(zhuǎn)角與當(dāng)前磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子的偏轉(zhuǎn)角相同，因此磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子將穩(wěn)定于當(dāng)前偏轉(zhuǎn)角位置。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于目前磁懸浮飛輪多自由度動量交換控制方法的研究還未見文獻(xiàn)報(bào)道，本發(fā)明解決了磁懸浮飛輪多自由度動量交換的控制問題，在提高姿控系統(tǒng)集成度，減小姿控系統(tǒng)質(zhì)量、體積等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，對于微小衛(wèi)星等航天器有良好的發(fā)展前景。



圖1為本發(fā)明的磁懸浮飛輪三自由度動量交換控制方法算法結(jié)構(gòu)圖； 圖2a和圖2b為本發(fā)明的磁懸浮飛輪三自由度動量交換原理示意圖，其中圖2a為軸向自由度動量交換示意圖，圖2b為徑向自由度動量交換示意圖； 圖3為本發(fā)明的磁懸浮飛輪三自由度動量交換的坐標(biāo)相對運(yùn)動關(guān)系示意圖； 圖4為本發(fā)明的磁懸浮飛輪控制器系統(tǒng)組成框圖； 圖5為本發(fā)明的磁懸浮飛輪控制器中通訊接口電路； 圖6a、圖6b、圖6c為本發(fā)明的磁懸浮飛輪控制器中的處理器電路； 圖7為本發(fā)明的磁懸浮飛輪三自由度動量交換控制方法磁軸承控制中心偏移示意圖。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明的磁懸浮飛輪三自由度動量交換控制方法是在磁懸浮飛輪控制器中實(shí)現(xiàn)的。磁懸浮飛輪控制器接收衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的姿態(tài)控制指令，按照本發(fā)明所提出的磁懸浮飛輪三自由度動量交換控制方法，計(jì)算得到磁懸浮飛輪控制力矩，輸出給磁懸浮飛輪，控制磁懸浮飛輪與衛(wèi)星星體進(jìn)行三自由度動量交換。
如圖1所示，本發(fā)明利用磁懸浮飛輪磁軸承結(jié)構(gòu)無接觸的優(yōu)點(diǎn)，通過控制方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子與定子的角動量主軸的偏向，使角動量可在一定方向范圍內(nèi)改變，產(chǎn)生一般的飛輪在垂直角動量方向上所沒有的控制力矩，則可以通過單個磁懸浮飛輪實(shí)現(xiàn)航天器高精度的三軸姿態(tài)主動控制。具體步驟如下 ①確定進(jìn)動控制力矩 取姿態(tài)控制指令

和

作為輸入量，以磁懸浮飛輪進(jìn)動控制力矩Px和Py為輸出量建立進(jìn)動控制模塊1，確定進(jìn)動控制力矩 其中，

和

為姿態(tài)控制指令，其意義為磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸的偏轉(zhuǎn)角速率，Px和Py為磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸的進(jìn)動控制力矩，H為磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子沿Z軸的角動量； ②確定同軸耦合補(bǔ)償力矩 以進(jìn)動控制模塊1輸出的磁懸浮飛輪進(jìn)動控制力矩Px和Py為輸入量，磁懸浮飛輪輸出的姿態(tài)控制力矩Mx和My為輸出量，建立同軸耦合補(bǔ)償模塊2，確定磁懸浮飛輪控制力矩Mx和My 其中Mx和My為磁懸浮飛輪輸出的姿態(tài)控制力矩，ΔPx和ΔPy為磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸的同軸耦合補(bǔ)償力矩，Je為磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子的赤道轉(zhuǎn)動慣量。
同軸耦合補(bǔ)償力矩ΔPx和ΔPy用于對磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子動力學(xué)模型3中的同軸耦合項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償，即由進(jìn)動控制力矩Px和Py分別與同軸耦合補(bǔ)償系數(shù)

和

作積，得到同軸耦合補(bǔ)償力矩ΔPy和ΔPx 磁懸浮飛輪為高速轉(zhuǎn)子，較全面描述高速轉(zhuǎn)子動力學(xué)特性的是轉(zhuǎn)子的陀螺技術(shù)方程，而進(jìn)動方程僅為對陀螺技術(shù)方程的近似。磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子的陀螺技術(shù)方程為 對磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子的陀螺技術(shù)方程進(jìn)行拉氏變換，可得 寫成矩陣形式為 其中，α(s)和β(s)分別是磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸的偏轉(zhuǎn)角，G(s)是以進(jìn)動控制力矩Px和Py為輸入量，以磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子繞X軸、Y軸的轉(zhuǎn)角α和β為輸出量的傳遞函數(shù) 由于使角動量主軸偏移是進(jìn)動力矩的作用，而進(jìn)動作用表現(xiàn)在交叉軸上，進(jìn)動控制項(xiàng)為G(s)中的交叉項(xiàng)G12和G21 其中，G12表示進(jìn)動控制力矩Py對磁懸浮飛輪繞X軸偏轉(zhuǎn)角的作用，G21表示進(jìn)動控制力矩Px對磁懸浮飛輪繞Y軸偏轉(zhuǎn)角的作用。
但磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子動力學(xué)模型3中存在同軸耦合項(xiàng)G11和G22 其中，G11表示進(jìn)動控制力矩Px對磁懸浮飛輪繞X軸偏轉(zhuǎn)角的作用，G22表示進(jìn)動控制力矩Py對磁懸浮飛輪繞Y軸偏轉(zhuǎn)角的作用，即角動量主軸在進(jìn)動力矩作用下偏轉(zhuǎn)的同時，在進(jìn)動力矩的同軸上引起擾動，同時，同軸擾動又會反過來影響角動量主軸的進(jìn)動精度。因此，必須對進(jìn)動力矩引起的同軸耦合量PxG11和PyG22進(jìn)行補(bǔ)償。
本發(fā)明采用的補(bǔ)償方法是加入與同軸耦合量PxG11和PyG22大小相等、方向相反的同軸耦合補(bǔ)償量，即通過交叉項(xiàng)的作用對同軸耦合量進(jìn)行補(bǔ)償 因此，可得同軸耦合補(bǔ)償力矩ΔPx和ΔPy為 同軸耦合補(bǔ)償模塊2對輸入量-磁懸浮飛輪進(jìn)動控制力矩Py和Px，分別與同軸耦合補(bǔ)償系數(shù)

和

作積，得到同軸耦合補(bǔ)償力矩ΔPx和ΔPy后，再將ΔPx和ΔPy分別與進(jìn)動控制力矩Px和Py作和，得到磁懸浮飛輪控制力矩Mx和My，最終作用于磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子動力學(xué)模型3，使磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸偏轉(zhuǎn)α和β角。
圖2為本發(fā)明的磁懸浮飛輪三自由度動量交換的坐標(biāo)相對運(yùn)動關(guān)系示意圖，磁懸浮飛輪繞X軸的轉(zhuǎn)角為α，繞Y軸的轉(zhuǎn)角為β，繞Z軸的轉(zhuǎn)角為θ，其中繞Z軸旋轉(zhuǎn)后，轉(zhuǎn)子坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)至x1，y1，z1，繞x軸旋轉(zhuǎn)后，轉(zhuǎn)子坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)至x2，y2，z2，繞y軸旋轉(zhuǎn)后，轉(zhuǎn)子坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)至x3，y3，z3。
圖3為本發(fā)明的磁懸浮飛輪控制器系統(tǒng)組成框圖，磁懸浮飛輪控制器共由通訊接口電路和處理器兩部分組成，通訊接口電路如圖4所示，通訊接口用于接收衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的姿態(tài)控制指令(

和

指令)，并將姿態(tài)控制指令傳送至處理器；處理器電路如圖7所示，處理器用于接收通訊接口電路傳送的衛(wèi)星姿態(tài)控制指令，進(jìn)行運(yùn)算得到控制所需的控制力矩信號，輸出給磁懸浮飛輪，從而使磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸偏轉(zhuǎn)α和β角。
圖4為本發(fā)明的磁懸浮飛輪控制器的通訊接口電路，共由電平轉(zhuǎn)換電路和串并轉(zhuǎn)換電路三部分組成，其中電平轉(zhuǎn)換電路用于將衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的串行通訊電平轉(zhuǎn)換為磁懸浮飛輪控制器的控制電平；串并轉(zhuǎn)換電路用于將串行的通訊信號轉(zhuǎn)換為并行信號后與處理器進(jìn)行通訊。
圖7為本發(fā)明的磁懸浮飛輪控制器的處理器電路，處理器由DSP(數(shù)字信號處理器)芯片和SDRAM芯片組成，其中DSP芯片型號為Ti公司的TMS320C6713B，用于進(jìn)行磁懸浮飛輪多自由度動量交換控制方法的運(yùn)算，SDRAM芯片型號為Micro公司的MT48LC4M16，用作DSP芯片在運(yùn)行算法時的內(nèi)存。圖(a)為DSP芯片的功能配置與JTAG電路部分，圖(b)為DSP芯片的數(shù)據(jù)總線配置，圖(c)為SDRAM與DSP數(shù)據(jù)總線的連接關(guān)系。
圖8為本發(fā)明的磁懸浮飛輪三自由度動量交換控制方法的磁軸承控制中心偏移示意圖，如圖8所示，在t時刻，磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子角動量主軸的偏轉(zhuǎn)角由于磁軸承中心與轉(zhuǎn)子幾何中心的跨距為l，則t時刻轉(zhuǎn)子的軸承力作用面在x軸的位移為但由于此時β角較小(＜2°)，可近似認(rèn)為tanβ≈β，即t時刻轉(zhuǎn)子的軸承力作用面在x軸的位移為

因此，要使磁軸承不對當(dāng)前的角動量主軸偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生軸承力使其回到初始位置，必須使磁軸承控制中心偏轉(zhuǎn)角與當(dāng)前轉(zhuǎn)子角位置相同，而磁軸承控制中心偏轉(zhuǎn)角是通過控制中心偏移量實(shí)現(xiàn)的，即使控制中心偏移量偏移至當(dāng)前轉(zhuǎn)子所在位置，同理可以得到其中t為控制作用時間，l為磁軸承中心距磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子幾何中心的跨距。由于磁軸承控制中心偏移量Δx和Δy與偏轉(zhuǎn)角Δα和Δβ具有三角幾何關(guān)系，磁軸承控制中心的偏轉(zhuǎn)角Δα和Δβ計(jì)算公式為 本發(fā)明磁懸浮飛輪三自由度動量交換控制方法，必須與磁懸浮飛輪磁軸承穩(wěn)定控制器一起使用，由磁懸浮飛輪磁軸承穩(wěn)定控制器控制磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮與升降速，從而進(jìn)行軸向自由度動量交換，由磁懸浮飛輪三自由度動量交換控制方法使磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸偏轉(zhuǎn)從而進(jìn)行徑向自由度動量交換。磁懸浮飛輪磁軸承穩(wěn)定控制器，可以為分散PID控制器，或分散PID加交叉反饋控制器，或解耦控制器。
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1、一種磁懸浮飛輪三自由度動量交換控制方法，其特征在于步驟如下
①確定進(jìn)動控制力矩
取姿態(tài)控制指令
和
作為輸入量，以磁懸浮飛輪進(jìn)動控制力矩Px和Py為輸出量建立進(jìn)動控制模塊(1)，確定進(jìn)動控制力矩
其中，
和
為姿態(tài)控制指令，其含義為磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸的偏轉(zhuǎn)角速率，Px和Py為磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸的進(jìn)動控制力矩，H為磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子沿Z軸的角動量；
②確定同軸耦合補(bǔ)償力矩
以進(jìn)動控制模塊(1)輸出的磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸的進(jìn)動控制力矩Px和Py為輸入量，磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸的姿態(tài)控制力矩Mx和My為輸出量，建立同軸耦合補(bǔ)償模塊(2)，確定磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸的姿態(tài)控制力矩Mx和My
其中ΔPx和Py為磁懸浮飛輪繞X軸和Y軸的同軸耦合補(bǔ)償力矩，Je為磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子的赤道轉(zhuǎn)動慣量；
同軸耦合補(bǔ)償力矩ΔPx和ΔPy用于對磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)子動力學(xué)模型(3)中的同軸耦合項(xiàng)進(jìn)行補(bǔ)償，即由進(jìn)動控制力矩Px和Py分別與同軸耦合補(bǔ)償系數(shù)
和
作積，得到同軸耦合補(bǔ)償力矩ΔPx和Py
其中s表示拉普拉斯算子，用于微分方程的拉普拉斯變換。
全文摘要
一種磁懸浮飛輪三自由度動量交換控制方法，包括以下二個基本步驟(1)確定進(jìn)動控制力矩；(2)確定同軸耦合補(bǔ)償力矩。本發(fā)明使磁懸浮飛輪在本身具有的軸向動量交換功能的基礎(chǔ)上具有了徑向二自由度動量交換功能。本發(fā)明使單個磁懸浮飛輪即可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的航天器三軸穩(wěn)定姿態(tài)控制系統(tǒng)中三個飛輪的三自由度動量交換，減小了衛(wèi)星等航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的體積、重量和功耗。
文檔編號G05D1/08GK101571720SQ20091008589
公開日2009年11月4日 申請日期2009年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月3日
發(fā)明者房建成, 彬 劉, 李光軍, 曦 王, 剛 劉 申請人:北京航空航天大學(xué)