飞轮储能用于小卫星的能量姿态组合控制研究

摘要

论文从发展现代小卫星、微小卫星的要求出发,引出了利用动量飞轮组成的能量/姿态组合控制系统来取代卫星原有的储蓄电池和飞轮姿态控制系统组成的系统,从而提高卫星的使用寿命、减轻卫星的质量、减小了卫星的发射成本。
　　 本文系统论述了利用飞轮同时完成能量储存与姿态控制方案的可行性、研究意义、国内外研究现状和发展趋势。综述了飞轮能量/姿态控制系统的基本概念和工作原理,推出了能量与姿态同时可控的充要条件,以及三种基本的飞轮能量/姿态控制系统的配置方案。
　　 建立了由两个反转飞轮组成的单轴飞轮能量/姿态组合控制系统数学模型,根据控制精度的要求改进了飞轮转速检测电路;在两飞轮放电过程中,试制了可控恒流源电路来控制飞轮的放电速度及调节气浮转台姿态。
　　 对单轴飞轮能量/姿态控制进行了解耦,设计了姿态控制器和DC总线控制器,建立了系统的计算机仿真模型。利用Matlab软件下的Simulink对其进行了仿真研究,仿真结果表明可以利用两飞轮集成储能和单轴转台姿态控制,即:系统在充电模式下,对飞轮储能的同时能实现转台姿态的控制;系统在放电模式下,完成DC总线电压调节的同时能够实现转台姿态的控制。在系统仿真模型的基础上,在充、放电模式下,利用Simulink对转台姿态和DC总线电压在单位阶跃输入信号和单位斜坡输入信号作用下的误差进行了仿真分析,通过仿真结果发现了提高系统控制精度的方法。
　　 通过实验和仿真结果分析了系统存在的不足之处,提出了改进的方法。本文认为磁轴承的应用和高速电动,发电机的研制是提高系统性能的关键技术,并建立了基于磁轴承支撑的永磁同步电动/发电机组成的新系统的计算机仿真模型,对系统在充、放电模式下转台状态和DC总线电压的单位阶跃响应进行了仿真,仿真结果表明系统的动态特性得到了提高。同时对系统在充放电模式的转换、电载荷变化和干扰转矩作用下的转台姿态、DC总线电压和飞轮转速等的变化情况也进行了仿真分析。
　　 本文讨论的单轴飞轮储能/姿态组合控制系统是一种复杂的机电系统,同时也是一个比较新的研究方向,具有一定的理论和实际应用价值。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录、注释表

第一章 绪论

1.1 课题的研究的目的与意义

1.2 国内外发展现状

1.3 本文的主要研究内容

1.4 本章小结

第二章 单轴飞轮储能与姿态控制系统模型的建立

2.1 引言

2.2 卫星姿态控制的任务、目的和方法

2.3 飞轮能量与姿态组合控制系统的基本概念

2.4 卫星模型

2.5 三轴成对反转飞轮安装

2.6 三正交一斜装”四飞轮安装

2.7 双V型安装

2.8 单轴飞轮储能与姿态控制模型的建立

2.9 本章小结

第三章 飞轮转速检测电路和可控恒流源设计

3.1 引言

3.2 飞轮转速测试电路的设计

3.3 可控恒流源的设计

3.3.1 可控恒流源静态分析

3.3.2 可控恒流源动态分析

3.4 本章小结

第四章 单轴飞轮储能与姿态控制系统仿真结果与分析

4.1 系统的工作原理

4.2 系统模型

4.2.1 系统仿真框图

4.2.2 飞轮系统电装置模型

4.2.3 电动/发电机模型

4.2.4 飞轮系统机械部分模型

4.2.5 DC总线控制器

4.2.6 姿态控制器

4.2.7 DC总线与姿态控制的解耦

4.2.8 系统数学模型

4.3 仿真结果

4.3.1 系统仿真参数

4.3.2 仿真结果

4.4 系统控制误差分析

4.4.1 单飞轮姿态控制系统的误差分析

4.4.2 单轴飞轮能量与姿态组合控制系统的误差仿真

4.5 转台角度在系统充、放电过程中的调节实验

4.6 本章小结

第五章 系统的进一步改进仿真研究

5.1 引言

5.2 系统的改进

5.2.1 飞轮储能的计算

5.2.2 磁悬浮轴承的应用

5.2.3 电动/发电机的改进

5.3 改进后电机系统的数学模型及其转矩控制

5.3.1 电机系统的数学模型

5.3.2 电机转矩的控制

5.4 机械装置模型

5.5 DC总线电压与姿态控制的解耦

5.6 系统改进后的仿真

5.6.1 系统充、放电控制信号流图及仿真参数

5.6.2 仿真结果

5.7 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的论文