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反作用飞轮控制方案及其稀土永磁电机变结构控制研究

作　者: 龚铁裕
导　师: 唐国金
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 反作用飞轮速度控制方式力矩控制方式稀土永磁电机方波驱动正弦波驱动变结构控制
分类号: TM351
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

反作用飞轮是当前实现卫星姿态的高精度、高稳定控制的一种最佳选择,而稀土永磁电机由于具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、损耗少、效率高等诸多优点,已经越来越多地应用于反作用飞轮的驱动中。本文对反作用飞轮的工作原理进行了深入的研究,设计了反作用飞轮的控制方案,对反作用飞轮用稀土永磁电机的变结构控制进行了探讨。全文的工作主要包括以下几个方面的内容: 1.根据反作用飞轮在卫星姿态控制中的作用及其工作原理确定了高稳定度卫星姿态控制对反作用飞轮的要求,提出对反作用飞轮的关键指标(角动量跟踪误差、飞轮最大动量矩和最大输出力矩)进行控制。在此基础上研究比较了速度控制(或称速度反馈控制)和力矩控制(或称电流反馈控制)两种控制方式,比较结果显示速度控制方式能够更好地应用于实际工程中。在国内首次提出采用高分辨率的复合型圆光栅增量式角位移传感器作为飞轮系统测速元件,这种设计可以极大地提高速度反馈精度。 2.研究了稀土电机正弦波驱动和方波驱动的基本概念和工作原理。建立了方波驱动稀土永磁电机和正弦波驱动稀土永磁电机的数学模型,在此基础上分析了稀土电机正弦波驱动和方波驱动各自的优势。研究认为,反作用飞轮用稀土永磁电机在低速时采用正弦波控制方式,在高速时采用方波控制方式进行控制可减小反作用飞轮角动量跟踪误差给卫星带来的姿态不稳定度。 3.研究了滑模变结构控制的概念、特点和基本方法。认为九十年代兴起的滑模变结构控制对系统的摄动和干扰具有完全的自适应性,具有响应速度快、对被控对象参数及外部挠动的不灵敏、物理实现简单等优点。 4.在同一系统中采用不同的数学模型和控制策略,集正弦波驱动和方波驱动稀土电机优势于一体,通过正弦波/方波变结构控制实现了稀土电机的宽范围、超高速、高精度和平稳控制。解决了反作用飞轮超低速和过零时的转矩脉动问题。本文的研究成果为反作用飞轮的精确控制提供了实际的途径,掌握了反作用飞轮应用于高精度卫星姿态控制的关键技术,实现了真正意义上的卫星三轴“零动量控制”。本文的部分成果已经应用到相关型号的研制中。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章绪论  12-15
  1．1 反作用飞轮的现状及发展  12-13
  1．2 课题来源  13-14
  1．3 论文研究的主要内容  14-15
第二章卫星三轴稳定姿控系统中的飞轮  15-22
  2．1 反作用飞轮在控制系统中的作用  15
  2．2 反作用飞轮的工作原理及作用过程  15-18
  2．3 反作用飞轮的特殊性  18-19
  2．4 高稳定度的姿控系统对反作用飞轮的要求  19-21
  2．5 小结  21-22
第三章反作用飞轮的控制方案研究  22-34
  3．1 系统描述  22-23
  3．2 影响飞轮系统控制精度的因素分析  23-24
  3．3 反作用飞轮常见的控制方式的传递函数  24-26
  3．4 两种控制方式的比较和选择  26-29
  3．5 工程实现方案及实施  29-33
  3．6 小结  33-34
第四章反作用飞轮用稀土永磁电动机  34-56
  4．1 坐标系概述  35-37
  4．2 方波驱动稀土永磁电机的基本概念  37-41
  4．3 正弦波驱动稀土永磁电机的基本概念  41-50
  4．4 方波驱动稀土永磁电机的数学模型研究  50-53
  4．5 正弦波驱动稀土永磁电机的数学模型研究  53-55
  4．6 小结  55-56
第五章滑模变结构控制  56-62
  5．1 滑模变结构控制的基本概念  56-57
  5．2 滑模变结构控制的特点  57-58
  5．3 滑模变结构控制的基本方法  58-60
  5．4 滑模变结构控制的发展和应用  60-61
  5．5 小结  61-62
第六章反作用飞轮用稀土永磁电机的滑模变结构控制  62-76
  6．1 方波驱动和正弦波驱动稀土永磁电机的驱动特点  62-64
  6．2 方波驱动和正弦波驱动稀土永磁电机的内在联系  64-65
  6．3 电机本体数学模型的建立  65-68
  6．4 方波驱动和正弦波驱动稀土永磁电机的变结构控制  68-72
  6．5 仿真及实例  72-75
  6．6 小结  75-76
第七章结论与展望  76-78
致谢  78-79
参考文献  79-87
在学期间发表论文及获奖情况  87

反作用飞轮控制方案及其稀土永磁电机变结构控制研究

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