基于EtherCAT总线的绕飞接近运动模拟器控制系统设计与实现

摘要

随着各国航天技术的飞速发展，卫星等航天器的飞行任务变得更加多样化和复杂化，航天器的绕飞接近运动在交会对接、编队飞行、反卫星战略武器、在轨监测等太空任务中起着尤为重要的作用。由于太空环境的不确定性以及航天器任务的复杂性，航天器在发射前需要进行地面仿真实验来验证的其系统的可靠性，而传统的地面仿真设备已无法实现绕飞接近运动过程的地面仿真，研制新型的绕飞接近运动模拟器系统具有重要的意义。为此，本文开展了基于EtherCAT的绕飞接近运动模拟器系统的研究设计。
　　首先，分析了绕飞接近运动模拟器系统的需求，确定了系统总体方案。采用两个三自由度机械转台实现追踪模拟器和非合作目标模拟器的姿态运动模拟，并利用极坐标的方式实现绕飞接近过程的再现，同时，采用EtherCAT以太网总线方式传输信息，简化了系统电控设计，并根据系统指标要求完成了关键器件的选型。
　　其次，分析了系统软件设计需求，确定系统软件的整体架构，并完成了主要功能模块的设计。在Windows平台下，利用Winpcap完成了EtherCAT主站程序的开发。通过合理线程分配和优先级设计，提出了一种Windows下的高精度定时方法并验证了方法的可行性。
　　然后，进行了伺服控制系统设计。以单自由度为例，给出了电流环、速度环和位置环控制器的一般性设计方法。针对部分自由度高动态性能的要求，设计了前馈控制器来保证指标的实现。此外，通过干扰观测器和双位置反馈的设计分别解决了系统中负载变化带来的扰动和回转臂刚度低引起的振荡问题。
　　最后，完成了实际系统综合精度的测量与补偿。利用激光跟踪仪进行了系统坐标系的建立、零位的标定以及综合精度测量。根据测量结果，分析了系统的误差源，并采用分段线性插值的方法对误差进行了补偿，确保了系统指标的实现。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 本文的主要研究内容

第2章 绕飞接近运动模拟器总体方案设计

2.1 引言

2.2 绕飞接近运动模拟器系统需求分析及指标要求

2.3 绕飞接近运动模拟器系统机械结构设计

2.4 绕飞接近运动模拟器系统电控方案设计

2.5 绕飞接近运动模拟器系统部分器件选型

2.6 绕飞接近运动模拟器系统工作原理

2.7 本章小结

第3章 绕飞接近运动模拟器系统软件设计与实现

3.1 引言

3.2 绕飞接近运动模拟器系统软件需求分析

3.3 绕飞接近运动模拟器系统软件总体架构设计

3.4 系统软件部分功能模块的设计与实现

3.5 Windows平台下的EtherCAT主站的设计与实现

3.6 Windows平台下的高精度定时的设计与实现

3.7 本章小结

第4章 绕飞接近运动模拟器伺服控制系统设计

4.1 引言

4.2 单自由度控制器设计

4.3 系统干扰因素分析

4.4 针对系统干扰因素的改进措施

4.5 本章小结

第5章 综合精度的测量与补偿

5.1 引言

5.2 坐标系的建立

5.3 系统零位的标定

5.4 综合精度的补偿

5.5 综合精度测量结果及分析

5.6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

声明

致谢