用于皮卫星姿态控制的三轴微飞轮系统研究

摘要

论文从发展皮卫星(重量小于1Kg)的要求出发，根据皮卫星的特点，提出采用三轴微飞轮作为皮卫星姿态稳定和机动控制的执行机构，提高卫星功率密度、减轻卫星的质量、减小卫星的体积并降低发射成本。 本文论述了皮卫星的应用价值以及微小卫星姿态控制的发展现状，阐明了该课题研究的重大意义。介绍了一种反作用轮式三轴姿态控制执行机构的优点以及系统的组成。 由于皮卫星重量和体积的限制，该系统中微飞轮电机采用无位置传感器平面双转子结构，本文在对已有的三轴微飞轮结构进一步优化改进的基础上，搭建了基于DSP与PC的测试系统，对三轴微飞轮系统进行了测试，同时还进行了太空环境适应性研究，为三轴微飞轮系统进一步分析研究提供了良好的实验基础。测量了微飞轮的阶跃响应特性曲线，根据不同转速范围内阶跃响应曲线，分段建立起飞轮的数学模型，从而降低了系统的控制误差。 为了验证三轴微飞轮的调姿性能，设计了三轴姿态控制实验演示系统，在该系统中，选用DSP作为系统的微处理器，通过数字罗盘HMR3000作为姿态位置传感器，构成系统姿态角度反馈；测量微电机的反电势检测飞轮转述，构成系统速度反馈；采用不完全积分PID控制算法初步实现了姿态控制的演示实验。

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论文说明：图表目录

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第1章绪论

1.1.课题来源

1.2.课题研究的目的和意义

1.3.国内外小卫星姿态控制系统发展现状

1.4.飞轮在卫星控制系统中的作用

1.5.论文研究的主要内容

第2章三轴微飞轮系统设计与分析

2.1.引言

2.2.飞轮工作原理

2.3.反作用轮姿控系统组成

2.4.三轴微飞轮电机的选用及其控制电路设计

2.4.1.电机的选择

2.4.2.平面微电机的原理

2.4.3. 三轴微飞轮电机控制电路的设计

2.5.三轴微飞轮的结构设计

2.5.1.微电机的安装结构

2.5.2.三轴框架设计

2.6.本章小结

第3章 微飞轮模型建立、系统测试及实验数据分析

3.1.微飞轮的数学模型

3.1.1.测试系统的建立

3.1.2. 阶越响应曲线测量及其实验数据分析

3.1.3. 飞轮数学模型的建立

3.2.系统性能测试与实验数据分析

3.2.1.飞轮转速测试

3.2.2.功耗测试

3.3.环境温度测试及实验分析

3.3.1.真空测试

3.3.2.振动试验

3.3.3.温度试验

3.4.本章小结

第4章三轴姿态控制实验演示系统设计

4.1.系统工作原理

4.1.1.姿态控制原理

4.1.2.姿态控制飞轮的线性控制律

4.2.系统总体方案的设计

4.2.1.系统总体方案的划分

4.2.2.控制单元的选择

4.2.3. 系统控制方案的确定

4.3.机械结构设计

4.3.1. 万向支架设计

4.3.2. 平衡调节机构

4.4.控制电路设计与实现

4.4.1. DSP控制电路单元

4.4.2.HMR3000姿态测景模块

4.4.3.转速测量电路

4.4.4.系统供电

4.5.本章小结

第5章系统软件设计

5.1. 引言

5.2.存储器的管理模式

5.3.软件设计总体构思

5.3.1.软件框图及其分块实现

5.4.实验结果

5.5.本章小结

第6章工作总结

参考文献

发表论文

作者简历

致谢