卫星姿态机动控制球体平台设计

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1、第33卷第04期计算机仿真2016年4月文章编号：1006—9348(2016)04-0058一05卫星姿态机动控制球体平台设计李桂丹，李海科(天津大学电气与自动化工程学院，天津300072)摘要：针对卫星控制力矩陀螺姿态控制系统中存在构型冗余复杂、体积重量大等问题，提出了一种新型三自由度球形动量交换装置以降低控制系统冗余并提高系统集成度。分析并建立了上述装置的动力学和电气模型，证明了其应用于卫星姿态机动的可行性；由于装置转子的偏转角度有限，传统反馈姿态控制律无法克服倾角饱和引起的奇异问题，提出采用一种具有n级分步的欧拉轴Bang—Bang增量机

2、动控制策略。Simulink仿真结果表明，改进控制策略能够克服球形转子倾斜范围的限制，单个装置能够实现卫星大角度姿态机动控制。关键词：姿态机动；动量反应球；增量机动；数字仿真中图分类号：TP391．9文献标识码：BPlatformDesignof3一DOFSphericalMomentumExchangeActuatorforSatelliteAttitudeManeuverLIGui—dan．LIHai—ke(SchoolofElectricalEngineeringandAutomation，TianjinUniversity，Tianjin

3、300072，China)ABSTRACT：Multi—DOFelectromagneticmomentumexchangeactuatorscaneffectivelyreducetheweiight，volumeandpowerconsumptionofthespacecraftattitudecontrolsystem．Toreducesystemredundancy，anew3一DOFsphericalmomentumexchangeactuatorisproposed．Thedynamicequationsofmotionandelec

4、tricalmodelaledevel．oped．Analysisshowsthatithasthepotentialtoperformthree—axisattitudecontr01．Duetothelimitedrotortiltrange，aBang—Bangincrementalmaneuverstrategywithn—stepswitchisadopted．Simulationresultsvalidatetheeffectivenessoftheproposedstrategy，andconfirmthedevice’spoten

5、tialtoprovidethree—axiscontrolforsatellites．KEYWORDS：Attitudemaneuver；Sphericalactuator；Incrementalmaneuver；Numericalsimulationl引言新型多自由度电磁动量交换装置具有机械集成度高、功能一体化、部件冗余少等显著优点，能够有效减少卫星姿态控制系统的重量、体积以及功耗等，具有重要的实用价值，近年来逐渐成为研究的热点⋯。永磁球形电机(PMSM)是近年来出现的一种新型多自由电磁装置，能够代替沉重复杂的机械传动结构实现三自由度运动，具

6、有结构简单，能量密度高，动态响应快等显著优点，在航空航天领域有广阔的应用前景旧o。球形电机通过电磁场直接驱动转子自转加速(飞轮力矩)和倾斜偏转(陀螺力矩)，实现卫星三轴姿态控制仅需一个执行器，避免了复杂冗余的系统构型，如控制力矩陀螺(CMG)五棱锥构型[3J，大基金项目：天津大学自主创新基金项目(1405)收稿日期：2015—06—18修回日期：2015—07—03—58一大降低了系统冗余。而且，其采用一体化结构设计，无伺服框架，运动部件仅为一个球形转子，动力学建模更为简单和精确Ho。与多自由度磁悬浮动量轮”o(MBRW)相比，球形电机的角动量载

7、体为球体，转子偏向范围显著增大，利于避免卫星姿态机动过程中倾角饱和发生，降低奇异风险。目前，球形电机在结构设计、电磁场优化和驱动控制方面已取得显著进展。61，直接将其作为惯性执行部件的相关研究还处于起步阶段。文献[7]设计了一种8PM一20EM配置的磁悬浮卫星反应球，并详细分析了其力矩模型，这种反应球工作于三维同步电机模式，通过任意方向的电磁加速，可以实现三轴稳定卫星的姿态机动控制。文献[8]中提出一种具有外转子、内定子结构的球形磁悬浮轴承，定子对称开槽并嵌入绕组，转子采用环形永磁体，二者相互作用实现对外转子的驱动。然而，针对装置倾角饱和引起的奇

8、异问题并未给出有效的解决方案。本研究借鉴前人工作，基于永磁球形电机提出了一种新型电磁动量交换装置(称作动量反应球)，单个装置能够代替传统