一種快速聚裝的模塊動量球姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種快速聚裝的模塊動量球姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)，屬于航天器姿態(tài)控制 執(zhí)行機構(gòu)領(lǐng)域，也可擴展應(yīng)用至精密二次指向平臺、機械臂關(guān)節(jié)、結(jié)構(gòu)主動振動控制、姿態(tài) 測量等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 迄今為止，絕大部分航天器姿態(tài)控制的主要角動量交換式執(zhí)行機構(gòu)均采用飛輪 (包括零動量反作用輪RW，ReactionWheel和偏置動量輪Hff，MomentumWheel)、控制力矩 陀螺（CMG，ControlMomentGyroscope)或是其混合機構(gòu)。其中，在多種可能的CMG技術(shù) 中，目前實際任務(wù)中采用的絕大部分是單框架控制力矩陀螺SGCMG(SGCMG，SingleGimbal CMG)。無論是RW、Hff還是SGCMG，均只能提供單自由度控制力矩輸出，欲形成完整的三軸姿 控能力，需要3套以上執(zhí)行機構(gòu)單元形成構(gòu)形，考慮到故障冗余，實際中一般都采用至少4 套執(zhí)行機構(gòu)單元，對裝置的微小型化增加了難度。執(zhí)行機構(gòu)組合特別是SGCMG組合的操縱 律復雜且存在奇異點。機構(gòu)中具有機械式軸承，其摩擦影響使用壽命，并且對轉(zhuǎn)子的最高轉(zhuǎn) 速造成了較大限制；機械式軸承還會將轉(zhuǎn)子不平衡及摩擦引起的振動直接傳遞到航天器本 體，不利于減振降噪。此外，無論是RW還是SGCMG，其在航天器上的安裝都需要精確的指向 對準，為此，需要相應(yīng)的安裝底座安裝面配以特定精密的角度，不利于總裝集成的模塊化快 速聚裝。
[0003] 為實現(xiàn)基于單個轉(zhuǎn)子的三軸姿態(tài)控制，實現(xiàn)高功能密度比的裝置設(shè)計，并減少 機械式軸承存在的摩擦振動等固有局限，國內(nèi)外提出了基于電磁懸浮球形電機的新型姿 態(tài)執(zhí)行機構(gòu)方案 [1 7]，并按照各自的習慣，稱其為"反作用球"（ReactionSphere)，球飛 輪"（SphericalWheel)、"3D飛輪"（3dimensionalflywheel)等。不失一般性，本文統(tǒng)稱 其為反作用球，縮寫為RS。
[0004] 縱觀現(xiàn)有的RS方案，均采用球形轉(zhuǎn)子與定子之間的反作用電磁力形成控制力矩 輸出，這種方式有利于降低RS自身角動量對航天器本體姿態(tài)動力學的耦合、避免了機械式 軸承的摩擦振動等問題，有利于實現(xiàn)高精度的姿態(tài)控制。但是，RS自身高速旋轉(zhuǎn)所存儲的 角動量，難以像CMG那樣通過機械軸承的徑向壓力，以陀螺力矩的方式高效輸出，這就對RS 的力矩輸出能力造成了限制。事實上，無機械摩擦的磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子可以較機械式軸承實 現(xiàn)更高轉(zhuǎn)速的運轉(zhuǎn)，以此實現(xiàn)更高的角動量存儲能力，正是磁懸浮角動量執(zhí)行機構(gòu)的重要 優(yōu)勢之一，而RS方式卻難以利用轉(zhuǎn)子存儲的角動量輸出陀螺力矩，限制了角動量存儲能力 優(yōu)勢的發(fā)揮。
[0005] [l]ff.H.Isely,"Magneticallysupportedandtorquedmomentumreaction sphere, "Sep. 16 1986,USPatent4, 611，863.
[0006] [2]A.Iwakura,S.Tsuda,Y.Tsuda.FeasibilityStudyonThreeDimensional ReactionWheel.InProceedingsofSchl.Eng.TokaiUniv. ,Ser.E,vol. 33, 2008:51-57.
[0007] [3]0.Ch'etelat, "Torquerapparatus,'?1S.Patent2010007303,Jan. 14, 2010.
[0008] [4]JohnDoty.Reactionsphereforspacecraftattitudecontrol,wo 2010117819al, 2010.
[0009] [5]范達，范春石，賀楊，宋堅.一種感應(yīng)式反作用動量球系統(tǒng).中國專利，申請 號 20141030777.
[0010] [6]LeiZhou,MohammadImaniNejad,DavidL.Trumper."Magnetically SuspendedReactionSpherewithOne-axisHysteresisDrive'，，International SymposiumonMagneticBearings,Linz,Austria,Aug. 11-14, 2014.
[0011] [7]EmoryStagmer.ReactionSphereforstabilizationandcontrolinthree axes.US20140209751al.Jul. 31, 2014.

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種可快速聚裝的模塊 動量球姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)，解決了對轉(zhuǎn)子陀螺力矩的利用，從而輸出較大的控制力矩。。
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0014] -種快速聚裝的模塊動量球姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)，包括：轉(zhuǎn)子、定子和殼體；轉(zhuǎn)子和 定子均為為球形，且轉(zhuǎn)子位于定子內(nèi)部，轉(zhuǎn)子的表面分布有磁極，轉(zhuǎn)子在定子的驅(qū)動力矩下 不受機械限制地繞三維空間任意方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子的運動分解為繞旋轉(zhuǎn)主軸的主旋轉(zhuǎn)運動和 其他兩個自由度的偏擺運動；定子內(nèi)嵌有位置傳感器、角位置傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器，分別對 轉(zhuǎn)子的位置、轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速進行實時檢測，定子與殼體固連，殼體各面均提供安裝接口， 用于將所述模塊動量球姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)固定安裝在航天器本體上或者多個模塊動量球 姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)之間彼此聚裝。
[0015] 轉(zhuǎn)子與定子之間為電磁懸浮方式支撐。
[0016] 轉(zhuǎn)子與定子之間通過球面軸承支撐。
[0017] 轉(zhuǎn)子的球心、定子的球心和殼體的形心彼此重合。
[0018] 所述殼體為正多面體結(jié)構(gòu)。
[0019] 所述轉(zhuǎn)子內(nèi)設(shè)有貫穿轉(zhuǎn)子球體的電磁鐵線圈、電磁鐵線圈包圍的鐵心、無線充電 感應(yīng)線圈和儲能電池；控制電磁鐵線圈內(nèi)的電流通斷和強弱，從而在轉(zhuǎn)子的表面形成磁極， 無線充電感應(yīng)線圈用于給儲能電池充電，儲能電池用于給電磁鐵線圈供電；電磁鐵線圈的 軸向為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)主軸。
[0020] 所述轉(zhuǎn)子外表面均勻分布多個永磁體，從而在轉(zhuǎn)子的表面形成磁極，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn) 主軸為兩個連線經(jīng)過轉(zhuǎn)子球心的永磁體的連線方向。
[0021] 所述定子內(nèi)均勻分布有多個驅(qū)動線圈，且所有驅(qū)動線圈劃分為兩個區(qū)域，分別為 主旋轉(zhuǎn)驅(qū)動區(qū)域和偏擺驅(qū)動區(qū)域，主旋轉(zhuǎn)驅(qū)動區(qū)域中的驅(qū)動線圈用于控制轉(zhuǎn)子繞旋轉(zhuǎn)主軸 的主旋轉(zhuǎn)運動，偏擺驅(qū)動區(qū)域中的驅(qū)動線圈用于控制轉(zhuǎn)子進行偏擺運動。
[0022] 轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)主軸指向的定子的區(qū)域為主旋轉(zhuǎn)驅(qū)動區(qū)域。
[0023] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是：
[0024](1)本發(fā)明提出的具有標準化模塊結(jié)構(gòu)的動量球姿態(tài)控制執(zhí)行機構(gòu)，結(jié)構(gòu)上3維 完全球?qū)ΨQ，轉(zhuǎn)動力矩的指向亦只需要通過軟件手段即可實現(xiàn)，故航天器端接口面可允許 任意朝向，無需事先指定而限制結(jié)構(gòu)設(shè)計，既可以直接裝配在航天器上，也可以多個模塊聚 裝，有利于快速設(shè)計與快速系統(tǒng)集成。
[0025] (2)本專利提出的帶有旋轉(zhuǎn)主軸的動量球，通過MS模式工作原理，可實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子 陀螺力矩的利用而輸出較大的控制力矩。
[0026] (3)本專利提出的動量球，通過對轉(zhuǎn)子軸極和/或定子軸極磁場強度的主動控制， 可實現(xiàn)MS模式和RS模式切換，達到大力矩和高精度的有機結(jié)合的效果。
[0027] (4)本發(fā)明提出的基于RS模式的不涉及轉(zhuǎn)子運動狀態(tài)的單球與多球姿態(tài)原理，以 及基于RS模式的多動量球聚裝組合的轉(zhuǎn)子恒定慣性指向控制原理，發(fā)揮航天器運動狀態(tài) 與球形轉(zhuǎn)子運動狀態(tài)彼此解耦的優(yōu)點，三軸姿態(tài)控制力矩可直接進行交換，有利于減少動 量球與航天器本體之間的動力學耦合，有利于實現(xiàn)姿態(tài)快速穩(wěn)定控制；控制參考力矩的計 算避免了對轉(zhuǎn)子運動狀態(tài)的運算，多動量球力矩合成僅需線性加和，控制算法簡單。
【附圖說明】
[0028] 圖1為本發(fā)明模塊動量球及其在航天器任意表面快速聚裝和多模塊互聚裝示意 圖；
[0029] 圖2為本發(fā)明模塊動量球的組成及主旋轉(zhuǎn)驅(qū)動區(qū)域和偏擺驅(qū)動區(qū)域示意圖，其 中，圖2(a)為模塊動量球的組成示意圖，圖2(b)為主旋轉(zhuǎn)驅(qū)動區(qū)域和偏擺驅(qū)動區(qū)域示意 圖；
[0030] 圖3為本發(fā)明模塊動量球MS模式下的主旋轉(zhuǎn)驅(qū)動區(qū)域和偏擺驅(qū)動區(qū)域三向剖視 示意圖，其中圖3(a)為正視圖，圖3(b)為側(cè)視圖，圖3(c)為俯視圖。
[0031] 圖4為本發(fā)明動量球模式（MS模式）工作原理示意圖。
[0032] 圖5為本發(fā)明MS模式的垂直角動量任意向力矩合成能力及其與SGCMG比較示意 圖。