飞轮单轴姿态控制及储能系统

给出了一种应用于小卫星的集成化单轴姿态控制及储能系统。通过同轴反转安装的双飞轮,进行必要的解耦控制,能够实现卫星在日阳期及日阴期能量的储存与释放,同时对卫星的姿态进行稳定或按照要求调整。通过仿真分析,证明了集成化单轴姿态控制与储能系统方案的正确性,分析了系统参数对控制精度的影响,给出了参数优化途径。搭建了单轴姿态控制与储能实验演示系统并进行了实验,在0到20000rpm转速范围内进行了储能实验,该过程模拟卫星单自由度旋转的气浮转台的控制精度优于1.5º,折算到百公斤量级卫星的姿态角波动量为1.8';在20000rpm到10000rpm的转速范围内进行了放能实验,该过程转台的控制精度优于1.2',折算到百公斤量级卫星的角度波动量为1.6",总线电压24V,电压波动量小于1.8%。结果表明：单轴姿态控制与储能系统应用于卫星及其它空间飞行器上能够同时完姿态控制和能量需求。     

小卫星姿控xPC半物理仿真系统设计

针对利用反作用飞轮作为执行机构的小卫星姿控系统,设计了基于xPC实时仿真环境、高精度单轴气浮转台、姿控计算机、光纤陀螺和反作用飞轮的卫星姿态控制系统半物理仿真实验平台,并利用该平台系统对使用反作用飞轮的小卫星姿态控制机动模式进行了半物理仿真验证,在50 s内使姿态机动了31.57°,且有较好的指向精度和稳定度.结果表明,根据光纤陀螺和反作用飞轮现有特性,用设计的姿态控制算法进行姿态机动能够满足控制系统性能指标.     

微纳卫星姿控软件实时测试系统

为了在硬件有限的条件下测试微纳卫星姿态控制软件的实时控制性能,建立了微纳卫星姿态控制软件实时测试系统,并使用该系统对微纳卫星姿态控制软件进行了测试实验.根据卫星姿态动力学与运动学、轨道环境信息与姿态控制算法数学模型,在PC机上设计开发了微纳卫星模拟飞行平台.使用控制器局域网络(CAN)和串口建立了连接星载计算机与PC机微纳卫星模拟飞行平台的高效通讯链路,并对姿态控制软件主程序进行必要的修改.最后,基于该实时测试系统完成了星载计算机上姿态控制软件的实时控制性能测试实验.实验结果表明:姿态控制软件在星箭分离后18446 s完成初始控制阶段并进入偏置对地三轴稳定模式,实现了微纳卫星的稳态控制目标.偏置对地三轴稳定模式中卫星最低单轴姿态精度与角速度稳定度分别优于±1.86°和±0.048(°)/s,满足该模式控制精度与收敛时间的要求.     

磁悬浮万向飞轮在卫星姿态机动中的应用

针对基于磁悬浮万向飞轮的高轨卫星姿态机动控制问题,建立磁悬浮万向飞轮和卫星的姿态动力学方程,通过磁悬浮万向飞轮转子的偏转控制实现卫星滚动和偏航轴的姿态机动。由两个磁悬浮万向飞轮反向安装,组成双轮控制构型,实现整星零动量控制。仿真结果表明,在双磁悬浮万向飞轮系统控制下,卫星在20 s内可实现5°的姿态机动,所需要的框架角为3°;当磁悬浮万向飞轮达到最大框架角6°时,卫星可实现12°的姿态机动。分析磁悬浮万向飞轮在低轨卫星中应用的前景,为实现卫星的快速机动和快速稳定控制提供新的思路。     

卫星喷气系统设计方案的失效树分析

科学卫星的发展对卫星姿态控制系统提出了高控制精度和长飞行寿命下的高可靠性要求。在三轴稳定姿态控制的卫星上,采用有源姿态控制的喷气系统,较易于满足上述两项要求。对卫星的三个相互垂直的坐标轴x、y、z(图1)进行定向姿态控制,可分为发射进入轨道后的消旋姿态捕获和飞行中姿态控制两种情况,这两种情况都可以应用安装在卫星质心平面(图1中舱平面附近)星体边缘的一对喷嘴和安装在距离质心平面H距离的两对相互垂直喷嘴来实现。为了提高喷气系统比冲和减少星带燃料重量,目前多采用热喷气系统而不宜用冷喷气系统。本文讨论的几种方案均为热喷气系统。     

基于Simulink实时工具的小卫星姿控物理仿真

针对小卫星姿态控制系统的设计和研制需要,应用高精度单轴气浮台模拟小卫星在轨运行时的微重力、无摩擦的环境,借助Simulink模块库建立了实时控制系统软件模型,利用反作用飞轮、光纤陀螺、数显表、控制计算机等物理设备快速构建了简化的小卫星姿态控制仿真硬件系统,并进行了姿态控制物理仿真实验,实验结果表明,仿真系统具有较高的姿态指向精度和稳定度,能够达到小卫星姿态控制仿真要求.     

基于Simulink实时工具的小卫星姿控物理仿真

针对小卫星姿态控制系统的设计和研制需要,应用高精度单轴气浮台模拟小卫星在轨运行时的微重力、无摩擦的环境,借助Simulink模块库建立了实时控制系统软件模型,利用反作用飞轮、光纤陀螺、数显表、控制计算机等物理设备快速构建了简化的小卫星姿态控制仿真硬件系统,并进行了姿态控制物理仿真实验,实验结果表明,仿真系统具有较高的姿态指向精度和稳定度,能够达到小卫星姿态控制仿真要求。     

微小卫星用陶瓷轴承脂润滑姿控飞轮的性能试验

为解决微小卫星姿态控制执行元件—姿控飞轮的轻量化、高效支撑及润滑问题,提出了应用脂润滑陶瓷轴承为微小卫星姿控飞轮提供支撑和润滑的方法。试验研究了陶瓷轴承脂润滑姿控飞轮的启动、摩擦功耗、温度特性、抗振动性能及寿命特性,试验结果显示:与同型号钢制球轴承相比,陶瓷球轴承在静态摩擦力矩及功耗方面性能更优良,可以有效减小姿控飞轮的启动电流和摩擦功耗。陶瓷轴承脂润滑姿控飞轮在-30～50℃具有良好的启动性能,低于卫星最低工作温度20℃时仍能保持良好的启动特性,无冷焊问题,完全满足卫星发射时抵抗振动的要求。振动试验后的姿控飞轮在4年的地面真空试验中功耗电流变化率在有真空度和温度变化的影响下小于1%,验证了陶瓷轴承脂润滑姿控飞轮使用寿命优于4年,满足国内微小卫星对姿控飞轮轻量化和使用寿命的要求。     

星载TDI CCD动态成像全物理仿真系统设计

基于高精度卫星姿态控制仿真三轴气浮台,研制了高精度卫星姿态控制仿真子系统,用于为地面TDI CCD动态成像仿真系统提供真实的仿真环境。根据TDI CCD实际成像原理,采用软件模拟替代实际线阵相机的TDI电荷转移迭加过程,研制了基于面阵CCD的星载TDI CCD动态成像仿真系统。利用该系统,实现了最高指向控制精度为0.1°,姿态稳定度为0.01(°)/s的卫星姿态控制仿真实验,模拟了积分时间为0.1 s的TDI CCD相机4~16级动态成像过程。研究了卫星姿态对TDI CCD相机拍照的影响,分析了实际航天高性能TDI CCD相机成像建模理论。像移速度匹配误差为0,姿态稳定度大于0.01(°)/s的实验显示了物理仿真与数学仿真结果与理论分析基本一致,不仅验证了该平台物理仿真方案的正确性,也初步验证了航天CCD成像建模理论的正确性。     

磁悬浮飞轮不平衡振动控制方法与试验研究

针对磁悬浮飞轮不平衡振动会造成飞轮系统的同频扰动,影响卫星姿态控制精度与卫星载荷精度的问题,提出一种开环轴承力补偿的磁悬浮飞轮不平衡振动控制方法。将抑制轴承力中的同频量作为控制目标,通过建立含有不平衡量的磁悬浮飞轮系统动力学模型,分析刚性转子不平衡量的特性,在自适应陷波器基础上,加入位移刚度力补偿机构、开闭环控制和位移刚度力补偿控制两个作用开关,在整个转速范围内对轴承力中的同频量进行抑制。本方法特别适合磁悬浮飞轮输出姿态控制力矩时频繁穿越临界转速的特点,尤其适合磁悬浮反作用飞轮的应用。仿真分析和试验结果表明,本方法在整个转速范围内对飞轮转子的不平衡振动起到很好的抑制效果。     

Integrated power and single axis attitude control system with two flywheels

The existing research of the integrated power and attitude control system(IPACS) in satellites mainly focuses on the IPACS concept,which aims at solving the coupled problem between the attitude control and power tracking.In the IPACS,the configuration design of IPACS is usually not considered,and the coupled problem between two flywheels during the attitude control and energy storage has not been resolved.In this paper,an integrated power and single axis attitude control system using two counter rotating magnetically suspended flywheels mounted to an air table is designed.The control method of power and attitude control using flywheel is investigated and the coupling problem between energy storage and attitude control is resolved.A computer simulation of an integrated power and single axis attitude control system with two flywheels is performed,which consists of two counter rotating magnetically suspended flywheels mounted to an air rotary table.Both DC bus and a single axis attitude are the regulation goals.An attitude & DC bus coordinator is put forward to separate DC bus regulation and attitude control problems.The simulation results of DC bus regulation and attitude control are presented respectively with a DC bus regulator and a simple PD attitude controller.The simulation results demonstrate that it is possible to integrate power and attitude control simultaneously for satellite using flywheels.The proposed research provides theory basis for design of the IPACS.     

小卫星姿控xPC环境半物理仿真研究

针对利用反作用飞轮作为执行机构的小卫星姿控系统,设计了基于xPC实时仿真环境、高精度单轴气浮转台、姿控计算机及光纤陀螺和反作用飞轮的卫星姿态控制系统半物理仿真实验平台;并利用该系统对用反作用飞轮的小卫星姿态控制机动模式进行了半物理仿真验证,在50秒内机动了31.57°,并有较好的指向精度和稳定度。结果表明,根据光纤陀螺和反作用飞轮现有特性,设计的姿态控制算法进行机动 能够满足控制系统指标。     

单轴飞轮储能与姿态控制系统误差分析

介绍了单轴飞轮储能及姿态控制一体化系统的总体构成和工作原理,研究并推导了系统的数学模型,分析了系统误差产生的原因,建立了转台角度位置误差与转子安装不同轴误差、转子偏心误差、飞轮速度测量与控制误差之间的误差关系式,并进行了误差合成。结合实际实验系统算出了各项误差,并对比和分析了各项误差。结果表明:影响系统位置精度的主要因素有飞轮安装不同轴误差、转动惯量误差和飞轮速度测量与控制误差等,其中飞轮转动惯量误差和飞轮安装不同轴误差是不可控量;而飞轮的转速测量与控制误差是可控量。最后提出了提高飞轮储能与姿态控制系统精度的主要方法,可以通过提高位置测量传感器和速度测量传感器的分辨率,采用先进的控制算法来降低飞轮的转速测量与控制误差。     

基于VSCMG的卫星姿态控制仿真系统的研究

本文介绍了一种新型卫星姿态控制全物理仿真平台,此仿真系统以长春光机所最新研制的高精度三轴气浮转台为平台,创新性的采用变速控制力矩陀螺(以下简称VSCMG)为其主要控制执行机构,还结合喷气推力机构作为系统的辅助执行机构用来给控制力矩陀螺进行卸载;此系统还具有高精度光纤陀螺、高精度倾角传感器和磁强计等姿态确定器件,构成一套完整的姿态控制全物理仿真系统。本文还详细介绍了整个仿真系统的软硬件构成,并结合传感器和执行机构参数详细分析了系统的主要性能并给出了相应的数学模型。本套仿真系统可以为一般卫星姿态控制尤其是以VSCMG为主要执行机构的敏捷型小卫星的姿态控制策略和算法提供良好的仿真验证平台,对想开展相似工作的科研院校也有一定的借鉴意义。     

姿控飞轮控制系统设计及转速过零分析

为了缩短姿控飞轮控制系统的设计周期和快速验证设计方案的可行性及有效性,在分析姿控飞轮电机本体数学模型的基础上,结合该姿控飞轮控制系统所采用的加速控制、制动控制、换相控制,建立了姿控飞轮控制系统模型。并针对姿控飞轮的共性问题：飞轮过零的力矩抖动,以速度模式下的指令响应为例分析了调压调速控制方式与调压调速结合反接制动方式下的飞轮速度、电流、端电压以及力矩响应。通过分析,结果表明：0.025Hz的速度指令下,调压调速结合反接制动方式具有更好的过零响应。     

磁悬浮飞轮锁紧保护技术研究与发展现状

介绍了国内外常用的磁悬浮飞轮用一次性锁紧装置和可重复锁紧装置,分析了它们的结构和工作原理。综述了这些磁悬浮飞轮用锁紧装置的研究现状及其在卫星姿态控制系统中的应用。介绍了国外一次性内/外锁紧方案,结合各种方案结构示意图,给出了不同锁紧装置的适用场合。为克服一次性锁紧装置不可重复锁紧/解锁的缺点,论述了国内可重复锁紧装置的发展过程,重点分析了基于楔形块自锁的可重复内锁紧装置和可重复抱式外锁紧装置。展望了锁紧保护技术的未来发展方向,指出基于单执行机构的可重复内锁紧装置、高锁紧刚度、高阻尼可重复锁紧装置和锁紧保护效果评价方法是磁悬浮飞轮保护技术的研究重点。     

复合材料飞轮的设计分析

复合材料具有重量轻，强度高等优点，是储能飞轮的理想材料。文中对复合材料飞轮的储能能力及其影响因素进行分析，并对两种结构复合材料飞轮－单层与多层等厚度圆环飞轮的应力分布与结构设计进行定量分析与比较。飞轮的储能能力受飞轮转子结构及其飞轮材料强度的影响，飞轮转子内外半径比应根据实际应用要求确定，选择高强度低密度的材料可提高飞轮的轮缘线速度，从而提高飞轮的储能能力，等厚度圆环飞轮的应力分布主要受飞轮转子内外半径比和材料物理特性的影响，对于内外半径比一定的层圆环复合材料飞轮，飞轮的环向应力远大于其径向应力。与单层圆环飞轮相比，多层圆环飞轮的应力分布更为均匀，合理，飞轮的储能能力更大。     

RESEARCH ON CONTROL OF FLYWHEEL SUSPENDED BY ACTIVE MAGNETIC BEARING SYSTEM WITH SIGNIFICANT GYROSCOPIC EFFECTS

Traditional PID controllers are no longer suitable for magnetic-bearing-supported high-speed flywheels with significant gyroscopic effects. Because gyroscopic effects greatly influence the stability of the flywheel rotor, especially at high rotational speeds. Velocity cross feedback and displacement cross feedback are used to overcome harmful effects of nutation and precession modes, and stabilize the rotor at high rotational speeds. Theoretical analysis is given to show their effects. A control platform based on RTLinux and a PC is built to control the active magnetic bearing (AMB) system, and relevant results are reported. Using velocity cross feedback and displacement cross feedback in a closed loop control system, the flywheel successfully runs at over 20 000 r/min.     

星上控制力矩陀螺群隔振平台的应用研究

控制力矩陀螺群(Control moment gyroscopes, CMGs)作为姿态控制执行机构被广泛应用,但是自身的高频振动特性直接影响星体的姿态精度和稳定度。为能有效地提高星体的姿态精度和稳定度,通过使用六自由度隔振平台处理CMGs产生的高频振动,并对隔振平台的应用进行多任务要求下的协调性研究。建立含有隔振系统和挠性帆板的整星动力学模型,通过对模型的合理简化,得出隔振平台的传递函数特性;分析其和姿态控制系统以及挠性部件相互之间的影响,并得到隔振平台参数设计的约束指标;根据约束指标对隔振平台重要参数进行理论上的设计,并通过数值仿真验证所设计参数的合理性;将所设计的隔振平台运用到整星中,对整星姿态精度和稳定度进行预测,以分析加入隔振平台后,对整星姿态控制精度和稳定度的影响。