[0033] 圖6為本發(fā)明反作用球模式（RS模式）工作原理及其與飛輪對(duì)比示意圖。
[0034] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例1之有源動(dòng)量球示意圖。
[0035] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例2之永磁動(dòng)量球示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0036] 本發(fā)明提出一種快速聚裝的模塊動(dòng)量球姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，稱為動(dòng)量球 (MomentumSphere)，簡寫為MS。該方案基于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)主軸磁極與定子偏擺驅(qū)動(dòng)線圈之間的 電磁引力，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子陀螺力矩的利用，可獲得較RS更大的力矩輸出。由此衍生的有源轉(zhuǎn) 子動(dòng)量球，可主動(dòng)調(diào)控電磁吸引力的大小，形成MS與RS兩種工作模式，通過工作模式切換， 實(shí)現(xiàn)大力矩和高精度的有機(jī)結(jié)合。與SGCMG相比，動(dòng)量球具有3軸姿態(tài)控制能力，其中與球 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相垂直的任意方向可提供較大力矩輸出。除單獨(dú)采用一套MS實(shí)現(xiàn)三軸姿控 以外，本發(fā)明還可以擴(kuò)展為基于多個(gè)動(dòng)量球聚裝的聯(lián)合姿態(tài)控制，適合于航天器的多模塊 快速聚裝應(yīng)用。
[0037] 本發(fā)明提出的動(dòng)量球RS模式控制，能夠發(fā)揮航天器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與球形轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)彼此解耦的優(yōu)點(diǎn)，三軸姿態(tài)控制力矩可直接進(jìn)行交換，有利于可實(shí)現(xiàn)姿態(tài)快速穩(wěn)定控制； 控制參考力矩的計(jì)算不涉及轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有利于降低對(duì)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的檢測(cè)與控制復(fù)雜 性；多動(dòng)量球力矩合成僅需線性加和，控制算法簡單；
[0038] 本發(fā)明提出的多動(dòng)量球RS模式轉(zhuǎn)子恒定慣性指向控制，有利于減少動(dòng)量球與航 天器本體之間的動(dòng)力學(xué)耦合，降低轉(zhuǎn)子陀螺效應(yīng)帶來的控制復(fù)雜性。
[0039] 本發(fā)明提出的具有標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)的模塊動(dòng)量球，具有3維完全球?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)力 矩的指向亦只需要通過軟件手段即可實(shí)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(jì)，有利于快速設(shè)計(jì)與快速聚裝。
[0040] 圖2 (a)、圖2 (b)所示，本發(fā)明提供了一種可快速聚裝的模塊動(dòng)量球姿態(tài)控制執(zhí)行 機(jī)構(gòu)，包括：轉(zhuǎn)子1、定子2和殼體3 ;所述殼體3為正多面體結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子1和定子2均為為球 形，且轉(zhuǎn)子1位于定子2內(nèi)部，轉(zhuǎn)子1的表面分布有磁極，轉(zhuǎn)子1在定子2的驅(qū)動(dòng)力矩下不 受機(jī)械限制地繞三維空間任意方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子1的運(yùn)動(dòng)分解為繞旋轉(zhuǎn)主軸的主旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和 其他兩個(gè)自由度的偏擺運(yùn)動(dòng)；定子2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(duì)轉(zhuǎn)子1的位置、轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，定子2與殼體3固連，殼體3各面均提供 安裝接口 31，用于將所述模塊動(dòng)量球姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)固定安裝在航天器本體上或者多個(gè) 模塊動(dòng)量球姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間彼此聚裝。轉(zhuǎn)子1的球心、定子2的球心和殼體3的形 心彼此重合。由于模塊動(dòng)量球具有3維完全球?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的指向亦只需要通過軟 件手段即可實(shí)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(jì)，有利 于快速設(shè)計(jì)與快速聚裝，如圖1所示。
[0041] 轉(zhuǎn)子1表面分布磁極的實(shí)現(xiàn)方式有兩種，一種為所述轉(zhuǎn)子1內(nèi)設(shè)有貫穿轉(zhuǎn)子1球 體的電磁鐵線圈14、電磁鐵線圈14包圍的鐵心15、無線充電感應(yīng)線圈16和儲(chǔ)能電池17 ; 控制電磁鐵線圈14內(nèi)的電流通斷和強(qiáng)弱，從而在轉(zhuǎn)子1的表面形成磁極，無線充電感應(yīng)線 圈16用于給儲(chǔ)能電池17充電，儲(chǔ)能電池17用于給電磁鐵線圈14供電；電磁鐵線圈14的 軸向?yàn)檗D(zhuǎn)子1的旋轉(zhuǎn)主軸。
[0042] 另外一種為：轉(zhuǎn)子1外表面均勾分布多個(gè)永磁體，從而在轉(zhuǎn)子1的表面形成磁極， 轉(zhuǎn)子1的旋轉(zhuǎn)主軸為兩個(gè)連線經(jīng)過轉(zhuǎn)子1球心的永磁體的連線方向。
[0043] 所述定子2內(nèi)均勻分布有多個(gè)驅(qū)動(dòng)線圈20,其結(jié)構(gòu)可以有多種形式，如多面體分 布突出電極（SalientPole，參見[2-5])，網(wǎng)狀繞組（Meshedwindings，參見[1] [6])等。 轉(zhuǎn)子1與定子2之間為電磁懸浮方式支撐，或者轉(zhuǎn)子1與定子2之間通過接觸式球面軸承 支撐。
[0044] 對(duì)于電磁懸浮支撐方式，通過對(duì)定子2線圈電流的實(shí)時(shí)調(diào)控，使定子2與球轉(zhuǎn)子1 之間形成特定的電磁場(chǎng)，進(jìn)而在球形轉(zhuǎn)子上形成特定的電磁作用力分布，該分布電磁作用 力在整個(gè)球轉(zhuǎn)子上的積分形成在總效果包括2部分，分別為沿球形轉(zhuǎn)子徑向的平動(dòng)作用力 、沿球形轉(zhuǎn)子表面切向的驅(qū)動(dòng)力矩Trot。定子2內(nèi)嵌傳感器對(duì)球形轉(zhuǎn)子1的位置偏差矢 量ΔΧ進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過反饋控制調(diào)整定子電壓電流，通過控制合成與方向相反的平 動(dòng)作用力？&_，使ΔΧ得到校正，從而將球形轉(zhuǎn)子1懸浮在定子2的幾何中心。懸浮力的 實(shí)現(xiàn)原理可以有多種，如對(duì)稱電極吸/斥力懸?。▍⒁奫2-5])，自承（Self-bearing)懸浮 (參見[6])，等。
[0045] 轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩 '。，的形成原理可以有多種，如永磁型、磁滯型、感應(yīng)型或其混合型 組合。對(duì)于電磁懸浮支撐方式和接觸式球面軸承支撐方式，均通過對(duì)定子1電流電壓的控 制，合成繞3維空間任意方向的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩Trat。通過控制轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩Trot，驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn) 子相對(duì)定子旋轉(zhuǎn)，同時(shí)獲得作用在航天器上、用于改變航天器的姿態(tài)的反作用力矩_Trot。
[0046] 模塊動(dòng)量球有2種工作模式，分別為：①動(dòng)量球模式（簡稱MS模式）；②反作用球 模式（簡稱RS模式）。
[0047] ①M(fèi)S模式工作原理與操縱控制方法。
[0048] 對(duì)于MS模式，所有驅(qū)動(dòng)線圈劃分為兩個(gè)區(qū)域，分別為主旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)區(qū)域12和偏擺驅(qū) 動(dòng)區(qū)域22。主旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)區(qū)域22中的驅(qū)動(dòng)線圈20a組合用于控制轉(zhuǎn)子1繞旋轉(zhuǎn)主軸的主旋 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，偏擺驅(qū)動(dòng)區(qū)域12中的驅(qū)動(dòng)線圈用于控制轉(zhuǎn)子1進(jìn)行偏擺運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子1的旋轉(zhuǎn)主軸 指向的定子2的區(qū)域?yàn)橹餍D(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)區(qū)域。Trot由主旋轉(zhuǎn)方向力矩和偏擺方向力矩矢量合成。
[0049] MS模式工作原理，如圖3、圖4所示。在MS模式下，球形轉(zhuǎn)子1通過一定方式，使 轉(zhuǎn)子傍轉(zhuǎn)軸區(qū)域11的兩端提供2個(gè)較強(qiáng)的磁極11a、11b，以下稱11a和lib為轉(zhuǎn)子軸極。 球形轉(zhuǎn)子1通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)后，將存儲(chǔ)角動(dòng)量h=JΩ，其中J為球形轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Ω 為角速度，Ω的矢量方向被控制到平行于lla、llb連線的轉(zhuǎn)子軸極方向。定子2內(nèi)嵌傳感 器，可對(duì)球形轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)軸方向進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。如圖2(b)、圖3和圖4所示，通過定 子中鄰近11a、lib的磁極20b，合成定子軸極21a和21b。21a和21b分別對(duì)轉(zhuǎn)子軸極11a 和1lb形成軸極電磁引力Fpa、Fpb。Fpa、Fpb的徑向分量Fra、大小基本相等而方向相反，彼 此抵消后的殘余力（FM-FA)參與懸浮控制。平動(dòng)控制力FtMns包含（FM-FA)，以及通過控制 定子2各電磁極20形成的沿其他方向的懸浮力。所述懸浮力的實(shí)現(xiàn)原理可以有多種，如過 球心對(duì)稱電極對(duì)間電磁吸/斥力式控制，自承
[0050] (Self-bearing)式懸浮控制等。通過控制定子電壓電流調(diào)控FtMns，將球形轉(zhuǎn)子1 在相對(duì)于定子2的位置保持在定子中心。
[0051 ] 在MS模式下，1^可分解為平行于角動(dòng)量h方向的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩Th，以及垂直于角 動(dòng)量11向的極移驅(qū)動(dòng)力矩1'5。極移驅(qū)動(dòng)力矩1'5由？ |^、？_的切向分量？;^、？;^合成，參與 極移力矩Τδ合成的定子2上各磁極20b組成定子極移驅(qū)動(dòng)帶21。極移驅(qū)動(dòng)力矩Τδ的作 用將使h的方向跟蹤21a和21b的連線的運(yùn)動(dòng)方向。例如在圖4中，當(dāng)定子軸極位置沿極 移驅(qū)動(dòng)帶21從21a'、21b'移動(dòng)到21a、21b時(shí)，lla、llb位置的滯后將產(chǎn)生切向極移力FSa、 FSb，驅(qū)動(dòng)h繞Τδ*向偏轉(zhuǎn)。在此過程中，由于陀螺效應(yīng)，球形轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生與TjPh成右手 系方向的進(jìn)動(dòng)，記進(jìn)動(dòng)角速度為Ωgyro，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)極11a、lib偏離切向極移力？53、？&所在 的平面。此時(shí)，電磁引力Fpa、Fpb將產(chǎn)生垂直于極移平面的切向分量Fga、Fgb，阻礙球形轉(zhuǎn)子1 的自由進(jìn)動(dòng)，從而產(chǎn)生施加在航天器本體上的陀螺力矩Tgyra。當(dāng)球形轉(zhuǎn)子具有較大的Ω，即 存儲(chǔ)了較高的角動(dòng)量h時(shí)，S卩可由較小的極移驅(qū)動(dòng)力Τδ獲得較大的陀螺力矩Tg輸出。也 就是說，通過主動(dòng)施加驅(qū)動(dòng)力矩Τδ，可以獲得更大的輸出力矩（-T5+Tgyra)，由此實(shí)現(xiàn)了對(duì)球 形轉(zhuǎn)子所存儲(chǔ)的角動(dòng)量的利用。
[0052] 如圖5所示，與SGCMG僅能提供由機(jī)械軸承指向所決定的單一方向TjPTg輸出 相比，由于MS動(dòng)量球不存在機(jī)械框架，其極移力矩Τδ可沿垂直于h的任意方向合成，相當(dāng) 于可以獲得在垂直于h平面內(nèi)的任意方向的陀螺力矩Tg輸出。
[0053] 如Fga、Fgb在轉(zhuǎn)子1上產(chǎn)生的反作用力矩-Tgyro不足以抵抗轉(zhuǎn)子1的陀螺效應(yīng)自 由進(jìn)動(dòng)，即定子軸極21a、21b的電磁吸引力不足以約束轉(zhuǎn)子軸極lla、llb，則發(fā)生電磁力打 滑。此時(shí)，利用電磁場(chǎng)控制帶寬遠(yuǎn)高于機(jī)械運(yùn)動(dòng)帶寬的特點(diǎn)，可通過定子2內(nèi)嵌傳感器監(jiān)測(cè) 跟蹤轉(zhuǎn)子軸極11a、lib的位置，并通過對(duì)定子2