反作用飞轮驱动控制系统的研究

摘要

作为执行部件的飞轮是卫星姿态控制的关键部件,要做好卫星的姿态控制必须先提高飞轮控制系统的稳定度和精度。但是在飞轮控制系统内部存在多种干扰和噪声如飞轮过零时摩擦力矩的非线性干扰,测量噪声干扰。这些干扰会影响飞轮跟踪指令的精度从而影响卫星的姿态控制,因此必须要设计出好的控制方法来抑制这些干扰提高系统的性能。本文通过理论分析和实践总结出一些好的控制方法,并深入分析了飞轮控制系统。
　　首先本文对飞轮的控制特点及飞轮控制系统中的一些关键部分做了分析,然后提出了飞轮控制的性能要求即飞轮要有良好的正反转特性和过零特性。接着介绍了飞轮传统的力矩控制模式并通过仿真分析说明了其不足,在此基础上提出了力矩补偿控制模式和加速度控制模式。通过闭环特性分析和仿真分析说明这两种模式弥补了力矩控制模式的不足且能很好的满足飞轮系统提出的性能要求。
　　其次介绍了飞轮控制系统的总体结构,飞轮控制系统是由多回路结构构成的稳定精确的控制系统,包括电压稳定回路、电流控制回路、力矩补偿或加速度回路。接着给出了飞轮的硬件电路组成及实现,包括数字处理单元、脉宽调制及电压稳定单元、逻辑换向及功率驱动单元、测速单元以及能耗制动单元等。
　　然后给出了飞轮控制系统的软件流程和上位机软件功能和流程。
　　最后对本文提出的控制模式的实验结果进行了分析,并做了进一步的总结。分析表明,本文设计的飞轮控制系统有良好的性能。

目录

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.1.1 课题来源及目的

1.1.2 研究意义

1.2 飞轮的应用及发展

1.3 飞轮控制系统综述

1.4 本文的主要内容

第2章 飞轮控制系统分析

2.1 飞轮零动量工作分析

2.1.1 星体姿态的维持

2.1.2 反作用飞轮的性能及特点

2.2 飞轮的传感器和绕组结构

2.2.1 飞轮转子位置传感器

2.2.2 定子绕组结构

2.3 转子位置解调及运转控制

2.3.1 转子位置信息解调技术

2.3.2 正反转控制

2.4 无刷直流电机的控制特点

2.5 飞轮的力矩控制方式

2.5.1 力矩控制过程

2.5.2 阻力矩补偿

2.5.3 力矩控制方式仿真

2.6 飞轮力矩补偿控制方式

2.6.1 力矩补偿控制方式系统构成

2.6.2 力矩补偿模式下的闭环特性

2.6.3 飞轮力矩补偿控制方式的仿真

2.7 飞轮速度及加速度控制方式

2.7.1 脉冲测速法

2.7.2 速度控制电路

2.7.3 加速度控制回路系统构成

2.7.4 飞轮加速度控制回路闭环特性

2.7.5 飞轮加速度控制方式的仿真

2.8 本章小结

第3章 反作用飞轮硬件的组成及实现

3.1 飞轮系统的总体结构

3.1.1 系统组成

3.1.2 飞轮系统的原理框图

3.2 控制器的硬件组成及实现

3.2.1 脉宽调制及电压稳定回路

3.2.2 DSP数字控制器的工作

3.2.3 转速的测量和判向

3.2.4 反馈电流检测及滤波

3.2.5 逻辑换向及驱动

3.2.6 能耗制动

3.3 本章小结

第4章 飞轮控制系统软件实现

4.1 控制软件执行结构

4.1.1 控制软件流程

4.1.2 控制算法流程

4.1.3 采样滤波软件模块

4.1.4 通信模块

4.2 上位机监控软件

4.2.1 监控软件的功能

4.2.2 监控的流程

4.3 本章小结

第5章 实验结果及数据分析

5.1 实验飞轮的相关参数

5.2 实验结果及数据分析

5.2.1 力矩补偿控制模式

5.2.2 加速度控制模式

5.3 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权明

致谢