【摘要】：航天器的姿態(tài)控制系統(tǒng)是航天器可以根據(jù)指令完成姿態(tài)任務的核心,直接決定航天器的抗干擾性及姿態(tài)控制精度。反作用飛輪工質消耗少、精度高、機構簡單、可靠性高,是航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中常用的執(zhí)行機構。為了能夠通過反作用飛輪變速旋轉提供的反作用力矩控制航天器姿態(tài)變換,需要采用合理的飛輪構型及其控制系統(tǒng),設計其控制律和電機控制分配算法,實現(xiàn)電機力矩指令分配,提升控制效果。由于飛輪電機為小電感無刷直流電機,為了解決其相電流斷續(xù)情況,需對電路結構進行改進并進行控制參數(shù)設計,增加系統(tǒng)可靠性。本文選用正交雙反作用飛輪構型,通過將三軸姿態(tài)控制系統(tǒng)解構,轉變?yōu)閱屋S雙飛輪組問題進行分析研究。分析雙反作用飛輪構型特點、工作原理和優(yōu)勢,選擇正交雙反作用飛輪構型作為姿態(tài)控制系統(tǒng)飛輪構型。將三軸雙飛輪姿態(tài)控制問題解構為單軸雙反作用飛輪組力矩控制問題,得到雙反作用飛輪姿態(tài)控制系統(tǒng)框圖。對單軸雙飛輪組進行飛輪組姿態(tài)控制律設計。分析傳統(tǒng)PD控制和滑模變結構控制原理,分別設計了兩種控制律對雙反作用飛輪電機組進行控制。分析比較各控制律參數(shù)對系統(tǒng)的影響,比較兩種控制律的姿態(tài)控制效果。依據(jù)位置控制及參數(shù)適應性要求,選用滑模變結構控制作為雙反作用飛輪控制系統(tǒng)的控制律。設計合理電機控制力矩分配算法,解決有冗余配置的單軸雙飛輪組構型的控制分配問題。針對飛輪姿態(tài)控制系統(tǒng)過零及飽和問題,結合動態(tài)分配理論進行控制分配策略設計。保證力矩變化平緩、精度高的同時,在理想轉速范圍內輸出指令力矩。通過增加反饋環(huán)節(jié)優(yōu)化閉環(huán)力矩控制分配策略,使各飛輪的力矩指令分配到執(zhí)行機構,確保執(zhí)行效果,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、控制精度及可靠性,減小安裝偏差影響。反作用飛輪電機為小電感無刷直流電機,本文提出新型的三電平直流調壓電路及三相逆變電路相結合的電路結構,避免電流斷續(xù)現(xiàn)象,減小轉矩脈動。設計電機針對力矩指令所采用的控制系統(tǒng)結構,采用外環(huán)為速率回路、內環(huán)為電流回路的速率反饋力矩模式控制方案。實現(xiàn)期望力矩實時跟蹤和內部干擾力矩的抑制。為了驗證雙反作用飛輪構型和姿態(tài)控制律、控制分配算法、驅動電路的合理性及可行性,搭建實驗平臺進行驗證實驗。設計單軸雙反作用飛輪電機實驗平臺實現(xiàn)位置控制,保證各飛輪不存在轉速過零及飽和現(xiàn)象。通過實驗平臺電機轉速和系統(tǒng)響應情況驗證所提出的構型、控制律、控制分配算法和驅動電路的有效性。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V448.22
【圖文】：

三軸姿態(tài)控制仿真結果

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本文編號：2776340