陀螺飞轮系统硬件设计与实现

发布时间：2022-11-06 17:27

　　陀螺飞轮的概念起源于对微小航天器姿态控制的需求。评价应用在微小航天器上的主动姿态控制系统最重要的三项指标是其质量、体积以及姿态控制所能达到的精度。基于此,加拿大的科研人员提出了一种特殊的平衡环结构,它能够允许转子在一定角度范围内沿径向自由倾侧,这便是陀螺飞轮。单个陀螺飞轮在输出三轴控制力矩的同时,还具有敏感航天器两轴姿态角速度的能力,在保持姿态控制系统精确指向的同时,减少了系统的体积与重量,降低了微小航天器的研制成本。本课题将从硬件电路设计的角度辅助陀螺飞轮系统实现其姿态检测和控制的功能。首先,陀螺飞轮系统发挥其姿态控制功能的基础是控制飞轮在规定的速度下旋转,因此要设计并实现飞轮驱动电路使陀螺飞轮转子具有良好的稳速精度。在方案选择上,选择基于锁相环控制的飞轮驱动方案,其依靠鉴频鉴相器的负反馈控制可以最大程度满足对于稳速精度的需求。对方案进行硬件电路的搭建,对硬件各环节进行建模,化为传递函数,并设计了串联超前控制器保证系统的稳定裕度,最后通过Simulink仿真的方式验证其稳速和调速过程的性能指标。其次,为了陀螺飞轮系统各模块可以与主站保持实时性的通讯,方便数据统一的监测和管理,设计并实... 

【文章页数】：76 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题来源及研究的目的和意义
    1.2 国内外研究现状与分析
        1.2.1 陀螺飞轮系统运行原理与实现方案
        1.2.2 飞轮调速驱动控制方法的研究现状
        1.2.3 工业现场总线现状对比
        1.2.4 电流精密检测方法和相关产品发展
    1.3 本文的主要研究内容
第2章 陀螺飞轮系统硬件总体方案论证
    2.1 陀螺飞轮硬件系统的组成结构
    2.2 硬件集成模块概述
        2.2.1 主站工控机
        2.2.2 倾侧传感器
        2.2.3 力矩器电路
    2.3 硬件子系统电路性能指标要求
    2.4 本章小结
第3章 飞轮驱动电路的设计与实现
    3.1 基于锁相环控制的飞轮驱动方案
    3.2 飞轮驱动电路的硬件设计
        3.2.1 飞轮驱动电路的硬件组成结构
        3.2.2 集成锁相频率控制模块的设计
        3.2.3 功率放大模块的设计
        3.2.4 电流检测模块的设计
    3.3 飞轮驱动方案的仿真分析
    3.4 本章小结
第4章 Ether CAT从站的设计与实现
    4.1 Ether CAT从站电路设计
        4.1.1 Ether CAT从站电路组成结构
        4.1.2 Ether CAT物理层与数据链路层电路设计
        4.1.3 Ether CAT应用层电路设计
        4.1.4 Ether CAT电路的信号完整性设计
    4.2 Ether CAT从站协议软件设计
        4.2.1 Ether CAT从站应用层平台搭建
        4.2.2 Ether CAT状态机的控制
        4.2.3 周期性过程数据通信的流程设计
    4.3 Ether CAT从站的测试
    4.4 本章小结
第5章 电流精密检测电路的设计与实现
    5.1 电阻采样方案及误差分析
        5.1.1 电阻采样方案
        5.1.2 电阻采样方案的误差分析
    5.2 电流/频率转换方案及误差分析
        5.2.1 电荷平衡式电流/频率转换电路
        5.2.2 电流/频率转换方案
        5.2.3 电流/频率转换方案的误差分析
    5.3 电流精密检测电路的硬件设计
        5.3.1 电流精密检测电路硬件组成结构
        5.3.2 电阻采样方案硬件电路设计
        5.3.3 电流/频率转换方案硬件电路设计
        5.3.4 温度检测电路的设计
    5.4 电流精密检测电路的精度测试
        5.4.1 电流检测精度测试平台的搭建
        5.4.2 电流检测结果的拟合校准
        5.4.3 电流检测结果的精度测试
        5.4.4 电流检测结果的傅里叶分析
        5.4.5 两种电流检测方案的对比分析
    5.5 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢



本文编号：3703915