双反作用飞轮电机力矩控制与分配策略研究

发布时间：2020-07-31 10:19

【摘要】：航天器的姿态控制系统是航天器可以根据指令完成姿态任务的核心,直接决定航天器的抗干扰性及姿态控制精度。反作用飞轮工质消耗少、精度高、机构简单、可靠性高,是航天器姿态控制系统中常用的执行机构。为了能够通过反作用飞轮变速旋转提供的反作用力矩控制航天器姿态变换,需要采用合理的飞轮构型及其控制系统,设计其控制律和电机控制分配算法,实现电机力矩指令分配,提升控制效果。由于飞轮电机为小电感无刷直流电机,为了解决其相电流断续情况,需对电路结构进行改进并进行控制参数设计,增加系统可靠性。本文选用正交双反作用飞轮构型,通过将三轴姿态控制系统解构,转变为单轴双飞轮组问题进行分析研究。分析双反作用飞轮构型特点、工作原理和优势,选择正交双反作用飞轮构型作为姿态控制系统飞轮构型。将三轴双飞轮姿态控制问题解构为单轴双反作用飞轮组力矩控制问题,得到双反作用飞轮姿态控制系统框图。对单轴双飞轮组进行飞轮组姿态控制律设计。分析传统PD控制和滑模变结构控制原理,分别设计了两种控制律对双反作用飞轮电机组进行控制。分析比较各控制律参数对系统的影响,比较两种控制律的姿态控制效果。依据位置控制及参数适应性要求,选用滑模变结构控制作为双反作用飞轮控制系统的控制律。设计合理电机控制力矩分配算法,解决有冗余配置的单轴双飞轮组构型的控制分配问题。针对飞轮姿态控制系统过零及饱和问题,结合动态分配理论进行控制分配策略设计。保证力矩变化平缓、精度高的同时,在理想转速范围内输出指令力矩。通过增加反馈环节优化闭环力矩控制分配策略,使各飞轮的力矩指令分配到执行机构,确保执行效果,提高系统稳定性、控制精度及可靠性,减小安装偏差影响。反作用飞轮电机为小电感无刷直流电机,本文提出新型的三电平直流调压电路及三相逆变电路相结合的电路结构,避免电流断续现象,减小转矩脉动。设计电机针对力矩指令所采用的控制系统结构,采用外环为速率回路、内环为电流回路的速率反馈力矩模式控制方案。实现期望力矩实时跟踪和内部干扰力矩的抑制。为了验证双反作用飞轮构型和姿态控制律、控制分配算法、驱动电路的合理性及可行性,搭建实验平台进行验证实验。设计单轴双反作用飞轮电机实验平台实现位置控制,保证各飞轮不存在转速过零及饱和现象。通过实验平台电机转速和系统响应情况验证所提出的构型、控制律、控制分配算法和驱动电路的有效性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V448.22
【图文】：

三轴姿态控制仿真结果

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本文编号：2776340