第十四章惯性执行机构.ppt
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第十四章惯性执行机构.ppt
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2008年5月11日,房建成,第十四章惯性执行机构,主要内容,1.引言,2.惯性执行机构原理,4.惯性执行机构的应用,3.惯性执行机构关键技术,5.惯性执行机构研究现状,1.引言,惯性器件,惯性执行:
施予载体相对惯性空间的力或者力矩,惯性测量:
测量载体相对惯性空间的运动参数,飞轮,控制力矩陀螺,传统机械陀螺仪,加速度计,?
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什么是惯性空间,为什么研究惯性技术,为什么研究惯性执行机构,1.引言,?
什么是惯性空间,这些旋转的角速度都太小,以致于惯性器件无法敏感到,因此可以忽略。
银河系旋转,太阳系相对银河系旋转,地球相对太阳旋转,地球自转,惯性空间是符合牛顿力学定律的空间,即是绝对静止或只做匀速直线运动的空间,惯性空间,相对空间,1.引言,?
为什么研究惯性技术,经典运动学和动力学均建立在惯性空间上,惯性技术为运动体导航和控制提供技术基础。
1.引言,惯性测量机构与惯性执行机构的区别,利用转子相对惯性空间的定轴性测量载体姿态变化,动量矩定理:
改变转子的动量矩,利用转子产生的反作用力矩作为控制力矩,惯性测量机构,惯性执行机构,VS,1.引言,?
为什么研究惯性执行机构,惯性执行机构为航天器提供姿态稳定或姿态机动所需的控制力矩。
惯性执行机构,1.引言,反作用飞轮,动量轮,控制力矩陀螺,主要内容,1.引言,2.惯性执行机构原理,4.惯性执行机构的应用,3.惯性执行机构关键技术,5.惯性执行机构研究现状,2.惯性执行机构原理,其中:
为输出力矩,为转子动量矩;为转子动量矩参考坐标系相对于惯性空间的角速度;,惯性执行机构的工作原理是通过改变执行机构转子动量矩的大小或者方向实现控制力矩输出。
惯性执行机构按力矩产生方式分类,惯性执行机构,反作用飞轮,偏置动量轮,方向不变,转速改变,转速不变,方向改变,控制力矩陀螺,转速、方向均改变,框架动量轮,力矩小、精度高,力矩大、响应快,2.惯性执行机构原理,偏置动量轮控制原理,2.惯性执行机构原理,力矩输出项,偏置动量,通过飞轮的加/减速产生控制力矩,存在偏置动量,反作用飞轮控制原理,2.惯性执行机构原理,通过飞轮加/减速产生控制力矩,平均角动量为零,控制力矩陀螺控制原理,2.惯性执行机构原理,力矩输出项,通过改变动量矩方向即框架转动产生控制力矩,框架动量轮控制原理,2.惯性执行机构原理,通过改变转子动量矩方向和大小产生控制力矩,各类惯性执行机构的比较,2.惯性执行机构原理,主要内容,1.引言,2.惯性执行机构原理,4.惯性执行机构的应用,3.惯性执行机构关键技术,5.惯性执行机构研究现状,无接触、无需润滑无过零摩擦振动可控、精度高可实现刚度、阻尼等特性的主动控制,磁悬浮轴承,机械轴承,轴承磨损,寿命短,高精度长寿命,3.惯性执行机构关键技术,飞轮转子的支承技术,径向磁轴承,轴向磁轴承,磁轴承工作原理,3.惯性执行机构关键技术,飞轮转子的支承技术,3.惯性执行机构关键技术,飞轮转子驱动技术,飞轮转子采用电机驱动,飞轮系统对电机的要求是可靠性高、寿命长、效率高,目前飞轮系统多采用无刷直流电机。
飞轮用无刷直流驱动电机,其中:
Jw为飞轮转子的转动惯量;w为框架转动角速度,3.惯性执行机构关键技术,框架伺服系统技术,框架伺服系统的作用是控制转子旋转轴的方向,其控制精度直接决定了输出力矩的精度。
框架伺服系统用电机,其中:
Hw为陀螺转子动量矩大小,保持不变;g框架转动角速度,主要内容,1.引言,2.惯性执行机构原理,4.惯性执行机构的应用,3.惯性执行机构关键技术,5.惯性执行机构研究现状,由于惯性执行机构具有力矩输出精度高的特点,目前90%以上高精度三轴稳定航天器姿态控制系统均采用惯性执行机构作为主要执行机构。
国际空间站,风云卫星,资源卫星,侦察卫星,海洋卫星,4.惯性执行机构的应用,4.惯性执行机构的应用,惯性执行机构三轴姿态稳定的工作原理为动量矩定理:
航天器的总动量矩对时间的倒数等于作用在航天器上外力矩矢量之和。
其中:
T为干扰力矩,Hs为卫星角动量,Hw为执行机构角动量,s为航天器相对于惯性空间的角速度矢量,惯性执行机构通过与航天器进行动量交换使航天器姿态稳定或按给定规律变化。
零动量反作用飞轮三轴姿态稳定航天器动力学方程,飞轮构型,法国SPOT-5高分辨率遥感卫星,考虑三轴稳定航天器角速度很小的实际情况,上述线性化可得:
4.惯性执行机构的应用,零动量反作用飞轮三轴姿态稳定系统的特点,整个航天器的控制系统可以看成由滚动、偏航和俯仰3个独立通道控制系统组成,3个正交的零动量反作用飞轮根据各自轴上的误差独立地改变自己的转速,实现对各自轴姿态控制。
4.惯性执行机构的应用,航天器主动姿态控制系统框图,风云气象卫星,偏置动量轮三轴姿态稳定航天器动力学方程,4.惯性执行机构的应用,偏置动量轮三轴姿态稳定系统的特点,依靠飞轮偏置动量定轴性,整个航天器的控制只需要安装在俯仰轴的1个飞轮;不需要三轴姿态测量,只需要滚动和俯仰姿态信息。
4.惯性执行机构的应用,航天器主动姿态控制系统框图,控制力矩陀螺三轴姿态稳定航天器动力学方程,陀螺构型,大型军事侦察卫星,陀螺的控制力矩:
动力学方程:
4.惯性执行机构的应用,控制力矩陀螺三轴姿态稳定系统的特点,依靠陀螺转子的陀螺效应,控制框架转动角速率改变转子角动量方向实现力矩输出,在功率较低时具有较大的线性力矩,并可用较少的质量、功耗和较小的尺寸获得大控制力矩。
CMG是长寿命、重型航天器理想的执行机构。
4.惯性执行机构的应用,主要内容,1.引言,2.惯性执行机构原理,4.惯性执行机构的应用,3.惯性执行机构关键技术,5.惯性执行机构研究现状,国际空间站(1998年始建),机械轴承控制力矩陀螺(近三年更换两次),国际空间站(ISS,1998,美国为主)四个平行安装机械轴承支承双框架CMG角动量:
4800Nms(ISS质量420吨)转子转速:
6600r/min输出力矩:
250Nm,5.惯性执行机构研究现状,“和平号”空间站寿命15年,磁悬浮控制力矩陀螺(平均寿命6.5年),“和平号”空间站(MIR,19862001,前苏联)两套12个磁悬浮单框架CMG角动量:
1000Nms(MIR质量94吨)转子转速:
10000r/min,5.惯性执行机构研究现状,法国1986年开始,地球观测卫星SPOT系列采用磁悬浮飞轮作为姿态控制系统,实现了高分辨率对地观测。
单自由度MSRW,轴向主动控制,SPOT1-3用,SPOT5用,2自由度MSRW及内部磁路示意图,(最高地面分辨率达到2.5m),5.惯性执行机构研究现状,法国Pleiades-HR敏捷机动卫星,法国SPOT-5高分辨率遥感卫星,磁悬浮飞轮,小型控制力矩陀螺,大连机场,法国,5.惯性执行机构研究现状,德国1996年,德国发射的AMSATOSCAR40(Phase3-D)卫星使用了3个两自由度磁悬浮飞轮。
两自由度磁悬浮飞轮,五自由度磁悬浮飞轮,5.惯性执行机构研究现状,D1(设计60000r/min未实现,2000),G2(41000r/min,2004),美国NASA格伦研究中心GRC研制的集成能量/姿态控制系统(IPACS)磁悬浮双飞轮系统,5.惯性执行机构研究现状,
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