空间机器人姿态控制飞轮的研究

摘要

本文首先将对姿态控制飞轮的轮体进行设计，并对其进行测试仿真，使之能适用于空间机器人姿态控制的要求。其次对飞轮电机的驱动控制方法进行研究。分析了飞轮姿态控制的原理和飞轮控制方式，对力矩控制和速度控制进行论述，确定了控制方案。针对永磁无刷直流电机的几种驱动控制方法进行分析，包括逆变电路(全桥逆变、半桥逆变)的选择、控制方法(PWM、PWM/PAM、双PWM)的选择、进行了控制系统建模与设计。最后对飞轮驱动控制器的实现方式进行研究。完成了飞轮驱动控制器硬件电路的设计、仿真和测试。针对空间系统的要求，进行了飞轮驱动控制器数字集成设计研究，包括数学模型的建立、IP核的设计、仿真及验证，通过试验验证了其可行性。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题来源及研究的目的和意义

1.2国内外相关技术发展现状

1.2.1空间机器人姿态控制飞轮国内外发展现状

1.2.2空间机器人姿态控制飞轮控制方法的应用现状

1.2.3空间机器人姿态控制飞轮控制系统实现方式现状及发展趋势

1.3本文研究的主要内容

1.4本章小结

第2章姿态控制飞轮轮体的设计

2.1飞轮驱动电机的设计要求与设计思想

2.1.1反作用飞轮设计要求

2.1.2飞轮驱动电机的设计思想

2.2飞轮本体的结构

2.3轴承及润滑系统

2.3.1轴承系统

2.3.2润滑系统

2.4本章小结

第3章飞轮电机驱动控制

3.1力矩控制和速度控制

3.1.1反作用飞轮的控制模型

3.1.2力矩模式

3.1.3转速模式

3.2驱动控制方法研究

3.2.1三相全桥驱动控制

3.2.2半桥单极性驱动控制

3.2.3半桥双极性驱动控制

3.3控制系统数学模型和设计

3.3.1 PWM直控方式

3.3.2 PWM/PAM控制方式

3.3.3双PWM控制方式

3.4本章小结

第4章飞轮驱动控制器的实现研究

4.1纯硬件实现飞轮驱动控制器

4.1.1双PWM飞轮驱动控制器

4.1.2数字电路

4.1.3模拟电路

4.2单芯片飞轮驱动控制器

4.2.1FPGA实现的单芯片飞轮驱动控制器

4.2.2 FPGA数字硬件电路结构

4.3可靠性设计

4.4本章小结

第5章实验波形与结论

5.1实验波形

5.1.1加速过程

5.1.2制动过程

5.2本章小结

结论

参考文献

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致谢