卫星太阳能帆板驱动机构模拟试验系统设计

摘要

为了检测卫星部件性能，在卫星发射升空之前必须要进行大量地面建模和模拟试验，其中建模过程包括数学建模和物理建模。其中物理建模包括整体和部分两类。
　　部分建模是模拟卫星上的某一部件，在地面环境下进行研究。如卫星的太阳能帆板(SA)及相关组件。因为太阳能帆板一般为卫星上最大的挠性结构，容易发生振动。这种振动在没有空气阻尼的太空环境下一旦被激起很难衰减，会给卫星的运行甚至安全带来不可预料的后果。因此有必要在地面上对可能引起太阳能帆板振动的各类因素进行试验研究，本文着眼于太阳能帆板的驱动机构(SADA)速率稳定性可能导致的振动，开发了一整套地面模拟设备进行仿真试验。
　　首先，论文深入分析了卫星太阳能帆板驱动机构的工作原理，驱动机构若转速不稳定，在驱动太阳能帆板进行方位调整时会带来速度的突变，进而导致振动。而地面模拟研究最关键的是要尽可能真实地模拟出卫星失重环境，如零重力。模拟零重力主要方式有两种:吊挂和气浮，其中吊挂会额外带来较大的摩擦力和附加力矩，适用于某些静止或小范围运动环境下的模拟，相比而言气浮系统的使用更加广泛，研究也更加深入。在此基础上提出了基于单轴气浮系统的测试台方案，使用多维力传感器，加速度传感器来完成运转时震动数据的测量，数据采集装置使用美国国家仪器公司基于FPGA的可编程智能采集卡。
　　其次，对测试设备的硬件系统进行了设计，设备需要具有通用性，不同型号的驱动机构均可以进行试验;同时也需要模拟出不同类型的太阳能帆板所具有的转动惯量和频率，因此在整套设备进行加工制造之前进行了理论模型模拟，包括三维软件内部参数设计和分析以及有限元分析等，以保证关键参数满足实际要求。
　　然后，对测试系统的软件模块进行了详细设计和深入研究，使用LabVIEW语言实现基于高性能FPGA的信号采集模块设计，开发了具有底层FPGA和上位机通讯接口的软件系统，使得上位机具有数据处理，波形分析，显示和保存等功能。
　　最后，对整体系统进行调试和试验，对于采集到的信号数据进行滤波，频域分析等算法，分析试验数据，对研制的测试系统进行功能性验证。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究目的和意义

1．2 课题研究背景

1．2．1 太阳能帆板地面模拟设备发展现状

1．2．2 虚拟仪器技术现状

1．3 本文研究内容

第2章 卫星太阳能帆板驱动机构模拟试验系统方案设计

2．1 受试对象分析

2．1．1 步进电机简介

2．1．2 谐波减速器简介

2．2 实验系统分析

2．2．1 实验系统技术指标

2．2．2 实验系统功能分析

2．3 实验系统方案

2．3．1 可调节模拟帆板结构

2．3．2 重力卸载装置

2．3．3 模拟卫星本体结构

2．3．4 测量系统

2．3．5 控制与数据采集系统

2．4 本章小结

第3章 卫星太阳能帆板驱动机构模拟试验系统结构设计

3．1 机械结构设计

3．1．1 总机械结构

3．1．2 可调节模拟帆板结构设计

3．1．3 重力卸载装置设计

3．1．4 模拟卫星本体结构设计

3．2 可调节模拟帆板结构性能分析

3．2．1 转动惯量调节结果分析

3．2．2 有限元分析

3．3 电气结构设计

3．4 本章小结

第4章 卫星太阳能帆板驱动机构模拟试验系统软件设计

4．1 下位机FPGA程序开发

4．1．1 传感器信号采集

4．1．2 通讯接口程序开发

4．2 振动与噪声信号采集程序

4．3 上位机程序开发

4．4 本章小结

第5章 卫星太阳能帆板驱动机构模拟试验系统测试数据

5．1 模拟帆板质量

5．2 扭转频率测试实验

5．2．1 扭转频率测试方法

5．2．2 扭转频率测试数据与分析

5．3 振动数据采集测试实验

5．3．1 力与力矩采集方法

5．3．2 力与力矩采集数据与分析

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢