直流无刷电机驱动的控制力矩陀螺高速转子的设计与驱动研究

发布时间：2020-08-10 08:27

【摘要】：控制力矩陀螺是一种航天器姿态执行机构,主要用于航天器姿态控制和快速机动任务。控制力矩陀螺利用力矩放大效应,具有力矩放大倍数高、输出力矩连续等优点。控制力矩陀螺主要由动量轮和框架组成。动量轮系统性能的优劣直接影响到控制力矩陀螺性能的好坏。本文设计了一种尺寸小、重量轻、运用于控制力矩陀螺的动量轮系统,使得控制力矩陀螺能工作在微纳卫星等小尺寸航天器上。动量轮系统主要由动量轮的机械结构和直流无刷电机驱动控制系统两部分组成。动量轮的机械结构设计包括电机、高速飞轮以及附属支撑连接机构的设计。根据支撑方式的区别,提出了悬臂式结构和框架式结构两种总体结构。选用直流无刷电机作为驱动高速飞轮的电机,根据相关技术指标估算出电枢尺寸和其他电机尺寸参数,并设计了与电机相匹配的两种高速飞轮。建立了动量轮的转子动力学模型,对动量轮的特性做了相关研究。直流无刷电机驱动控制系统设计分为硬件设计和软件设计。对直流无刷电机的工作原理进行研究,着重研究了电机换相和起动的过程,并建立了直流无刷电机的数学模型,为直流无刷电机驱动控制系统设计提供理论基础。以数字信号处理器为主控芯片,设计了驱动控制电路,并编写了与硬件电路相匹配的驱动控制程序。研究了动量轮系统的工作性能。首先测试了动量轮系统的开环输出性能。随后设计了离散PID控制器研究了动量轮系统的转速控制特性。实验结果显示,在工作转速内,相对误差能够控制在±0.25%之间,取得了良好的控制效果。最后,采用系统辨识的方法辨识出直流无刷电机的占空比-转速传递函数,基于灵敏度函数塑形模板设计了匹配传递函数的数字内模控制器。仿真结果表明1Hz的扰动信号在该控制器作用下衰减了-25dB。实验结果显示,在工作转速内,该控制器的相对误差小于0.20%。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V448.22
【图文】：

1.2 国内外研究现状1.2.1 控制力矩陀螺介绍以及发展现状标准的 SGCMG 结构如图 1.1 所示，由飞轮转子、转子电机、框架、框架电机以及附属的连接机构组成。飞轮以角速度 Ω 匀速转动，提供角动量 H，框架电机带动框架以角速度 ω匀速转动，框架轴线与飞轮轴线始终正交，由力矩放大效应产生的输出力矩表达式为[25]：T ω L ω J Ω (1.1)飞轮转子电机框架框架电机Ωω图 1.1 SGCMG 结构示意图

1.2 国内外研究现状1.2.1 控制力矩陀螺介绍以及发展现状标准的 SGCMG 结构如图 1.1 所示，由飞轮转子、转子电机、框架、框架电机以及附属的连接机构组成。飞轮以角速度 Ω 匀速转动，提供角动量 H，框架电机带动框架以角速度 ω匀速转动，框架轴线与飞轮轴线始终正交，由力矩放大效应产生的输出力矩表达式为[25]：T ω L ω J Ω (1.1)飞轮转子电机框架框架电机Ωω图 1.1 SGCMG 结构示意图

图 1.4 “天宫一号”所用控制力矩陀螺第九个五年计划提出展开控制力矩陀螺的研制，院所以及北京航空航天大学等高校中展开。我国于了 4 个最大输出力矩 200N·m 的 SGCMG，如图作于国外相比，在理论与应用方面仍然有较大差泛应用于各国的中大型航天器，但是微纳卫星则缺态调节能力。需要将控制力矩陀螺小型化、轻量化现状高速转子系统是控制力矩陀螺的重要组成部分。从动量，可以使得控制力矩陀螺的输出更加稳定。介绍用于控制力矩陀螺的高速转子的文章较少，介的文章则很多。惯性动量轮的结构与控制力矩陀

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本文编号：2787831