地球同步轨道有效载荷视轴补偿技术研究

发布时间：2017-08-13 04:34

  本文关键词：地球同步轨道有效载荷视轴补偿技术研究

  更多相关文章： 载荷视轴补偿 扫描镜 永磁同步电机伺服系统设计 “连续-离散”混合模型 半实物仿真

【摘要】：随着静止轨道气象卫星技术逐渐朝着高时间分辨率、高空间分辨率以及高光谱分辨率等方向的发展,三轴稳定平台逐渐取代自旋稳定平台而成为未来静止轨道气象卫星的主流选择。三轴稳定卫星有着自旋稳定卫星无可比拟的优势,但是受到平台特性限制,其姿态很容易不稳定。为了获取高质量的遥感图像,不仅需要卫星平台具有更高指向精度和更高稳定度的姿态控制系统,还必须进行更加严格的图像定位与配准(Image Navigation and Registration,INR)工作。INR系统要解决的一个关键问题就是消除或减小空间各种干扰因素对有效载荷视轴的影响,保证载荷视轴的准确指向。INR系统有众多补偿方案,其中最为有效的方案就是利用载荷上高带宽的扫描镜伺服系统进行补偿。本文立足于FY-4气象卫星的载荷视轴补偿需求,重点研究补偿系统的执行环节——高带宽高精度扫描镜伺服控制系统,开展相关研究工作。论文首先分析了三轴稳定卫星视轴补偿的需求,通过对补偿量特性的分析,确定了伺服补偿系统的设计指标,进而在此指导下完成电机、角位置传感器等关键元部件的选型,初步确定了伺服补偿控制系统的结构。对于伺服控制系统性能的分析已经有大量研究,但目前大多数理论研究都集中于连续域的离线模型,研究成果与实际的数字式控制系统相差较大,无法建立模型与实际系统之间较为准确的对应关系。针对这一问题,论文在总结吸收前人工作成果的基础上,创新性地提出基于“连续-离散”混合式永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)伺服控制模型的设计方法,并利用此模型对系统的带宽、稳定性、抗干扰能力等多个方面进行了详细的分析。另外,在我所首次使用半实物仿真技术建立实时在线模型,完成从离线模型到实际系统设计全链路的设计与一致性验证,极大地简化了系统设计过程,降低了设计难度,使得离线模型真实反映实际系统的特性成为现实。最后,在理论分析的基础上,完成了基于半实物仿真技术的视轴补偿系统的设计,并在该系统中完成了伺服控制系统模型的验证与视轴补偿相关实验。验证实验结果说明了系统方案的有效性以及离线模型与实际系统的一致性。视轴补偿实验结果说明了扫描镜跟踪补偿量指令的能力以及补偿方案的有效性。
【关键词】：载荷视轴补偿 扫描镜 永磁同步电机伺服系统设计 “连续-离散”混合模型 半实物仿真
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-13
• 1 绪论13-29
• 1.1 课题研究背景13-20
• 1.1.1 GEO气象卫星总体发展趋势13-15
• 1.1.2 GEO气象卫星平台发展趋势15
• 1.1.3 各国GEO气象卫星发展现状15-20
• 1.2 有效载荷视轴补偿技术的研究现状20-25
• 1.2.1 载荷视轴补偿问题的引出20-23
• 1.2.2 国内外研究进展23-25
• 1.3 课题研究内容25-29
• 1.3.1 课题研究内容25-26
• 1.3.2 论文结构安排26-29
• 2 三轴稳定卫星视轴补偿技术分析29-53
• 2.1 各坐标系的定义及相互转换关系29-36
• 2.1.1 坐标系的建立29-31
• 2.1.2 坐标系之间的转换关系31-36
• 2.2 星体姿态动力学模型36-37
• 2.2.1 星体姿态运动学方程36
• 2.2.2 星体姿态动力学方程36-37
• 2.3 扫描镜耦合运动干扰分析37-38
• 2.4 视轴补偿量需求分析38-44
• 2.5 伺服补偿系统设计分析44-51
• 2.5.1 电机选型分析44-46
• 2.5.2 角位置传感器选型分析46-47
• 2.5.3 控制器选型分析47-51
• 2.6 本章小结51-53
• 3 伺服补偿系统设计及仿真分析53-117
• 3.1 PMSM相关的数学原理53-67
• 3.1.1 PMSM中的坐标系53-55
• 3.1.2 空间矢量55-56
• 3.1.3 PMSM中的坐标转换56-66
• 3.1.4 PMSM状态方程66-67
• 3.2 伺服补偿系统设计67-74
• 3.2.1 电流环设计67-69
• 3.2.2 速度环设计69-71
• 3.2.3 位置环设计71-74
• 3.3 伺服补偿系统性能仿真分析74-109
• 3.3.1 基本环节离散化76-79
• 3.3.2 电机模型离散化79-83
• 3.3.3 PID控制器离散化83-87
• 3.3.4 电流环性能仿真分析87-95
• 3.3.5 速度环性能仿真分析95-103
• 3.3.6 位置环性能仿真分析103-109
• 3.4 若干关键技术问题的仿真分析109-114
• 3.4.1 模型等效性仿真分析110-111
• 3.4.2 控制周期对系统性能的影响分析111-114
• 3.5 本章小结114-117
• 4 伺服补偿系统实现117-147
• 4.1 伺服控制系统组成117-118
• 4.2 半实物仿真技术118-121
• 4.2.1 半实物仿真的定义118-119
• 4.2.2 半实物仿真系统组成119
• 4.2.3 基于半实物仿真的系统设计方法119-121
• 4.3 系统硬件设计121-131
• 4.3.1 功率驱动部分121-125
• 4.3.2 电流采样部分125-127
• 4.3.3 电流采样设计分析127-129
• 4.3.4 位置反馈部分129-131
• 4.4 系统软件设计131-146
• 4.4.1 基于半实物仿真模型的程序流程131-133
• 4.4.2 RTD模块133-135
• 4.4.3 系统软件模块化设计过程135-142
• 4.4.4 速度计算误差分析142-146
• 4.5 本章小结146-147
• 5 实验及结果分析147-159
• 5.1 控制方案验证实验147-151
• 5.1.1 电流环实验与分析147-149
• 5.1.2 速度环实验与分析149-150
• 5.1.3 位置环实验与分析150-151
• 5.2 视轴补偿实验151-158
• 5.2.1 INR模拟系统设计152-153
• 5.2.2 两维扫描镜跟踪特性153-156
• 5.2.3 成像验证156-158
• 5.3 本章小结158-159
• 6 总结及展望159-161
• 6.1 总结159
• 6.2 展望159-161
• 参考文献161-167
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果167

【参考文献】

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本文编号：665431