控制力矩陀螺高精度框架控制技术

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大中型磁悬浮控制力矩陀螺的框架优化设计方法研究

结构、加工和装配简单同等重量下频率低同等重量下频率较高，相对两体球壳，还要增加加工和装配简单零件轴承套重量较大
，
３
４
８３８
１４１４
框架振动
框架振动
三体球壳
两体球壳
同等重量下频率最高加工和装配相对复杂
５６
１
１０３６１２６３
作者简介：宋玉旺（９０）男，１８一，博士，师，讲主要从事机电产品数字化设计方法与关键技术研究工作。Ｅｍｉｙｗｎｓｎ＠ｕａｄ．－ａ：ａｇｇｂａｕｎｌｕｏｅｃ
第４期
宋玉旺等：大中型磁悬浮控制力矩陀螺的框架优化设计方法研究
２北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京１０９）０１１摘要针对大中型磁悬浮控制力矩陀螺的框架，进行频率、重量和体积的设计优化。
针对单框架磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统中的工程化问题，设计了三种方案：单体带式、
机械ＣＭＧ而言，ＣＭＳＭＧ高速转子系统具有无接触、无需润滑、低振动、寿命、长高精度以及对振动可主动控制等优点；框架Ｃ单ＭＧ结构简单且控制精度
首先，综合比较了传统单体带式、两体球壳和三体球
壳等框架结构方案；次，两体球壳框架的主要结其对构参数，进行了正交设计试验，取了设计变量中影选响 “ 率，量 ” 主要影响因素；次，频质的再以频率大于

基于PWM_ON_PWM调制方式的控制力矩陀螺框架电机驱动控制

胡跃伟，鲁明，田利梅，武登云
（北京控制工程研究所，北京１００１９０）
摘要：控制力矩陀螺框架电机驱动电路采用的脉宽调制方式不同 ห้องสมุดไป่ตู้ 所产生的电机转矩脉动也会不同．针对无刷直流电机驱动的控制力矩陀螺框架系统，从换相期间转矩脉动、非换相期间转矩脉动及
（ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｒｉｎｇ１００１９０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｇａｒｄｉｎｇｔｈｅｂｒｕｓｈｌｅｓｓｄｉｒｅｃｔｃｕｒｒｅｎｔｍｏｔｏｒ（ＢＬＤＣ）ｕｓｅｄｉｎｃｏｎｔｒｏｌｍｏｍｅｎｔｇｙｒｏｇｉｍｂａｌ，ｔｈｅ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＰＷＭ）ｍｏｄｅｓｏｆｔｈｅｆｕｌｌｂｒｉｄｇｅｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔｈａｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｌｆｕｅｎｃｅｓｏｎ
第４０卷
第６期
空间控制技术与应用
ＡｅｒｏｓｐａｃｅＣｏｎｔｒｏｌａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

控制力矩陀螺的框架结构工程分析

制线性度好、效率高等特点，因此在航天领域得到广泛的应用。
控制力矩陀螺由高转速的动量飞轮、支承飞轮的陀螺房、高
速驱动电机、框架（包括伺服驱动系统）等组成。它的框架用于支
承陀螺房，并驱动陀螺房转动，通过陀螺房转动迫使动量飞轮的
角动量改变方向，从而输出较大的控制力矩，实现对航天器姿态
的调节。其＿Ｔ作原理示意图，如图１所示。其中，陀螺Ｇ用于敏感
陀螺房的角速度，其信号经过转换、放大和校正后反馈给垂直
轴上的力矩电机，使电机输出控制力矩，驱动陀螺房发生转
方位环
动，则垂直轴上的旋转变压器可检测相对转角，从而实现系统
罔１ＣＭＧ工作原理示意图
１３４
机械设计与制造
ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
第２期２０１３年２月
控制力矩陀螺的框架结构工程分析
郎跃东，陈浩，高强，丁祝顺
（北京航天控制仪器研究所，北京１００８５４）
摘要：以控制力矩陀螺的框架结构为研究对象，利用ＡＮＳＹＳ有限元软件分析其结构刚度和振动模态等力学特性，得到其在大载荷作用下的应力、应变分布情况和多阶模态，并依据分析结果对框架结构进行了优化设计，以满足整个控制力矩陀螺系统的结构刚度和控制精度要求。有限元分析的结果表明通过优化设计可以使框架的结构刚度显著提高，同时使其动态特性也得到了有效改善，从而验证了在结构设计中进行工程分析的必要性和合理性，为相关的框架系统设计提供
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＣＭＧ；ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｎａｌｙｓｉｓ；ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＳｔｉｆｎｅｓｓ；ＶｉｂｒａｔｉｏｎＭｏｄｅ

控制力矩陀螺框架系统的谐振抑制与精度控制

文献标识码：Ａｄｉ１．７８ＯＰ．０２０２００ｏ：０３８／Ｅ２１２０．３５
中图分类号：２１５Ｖ４．
Ｒｅｏｎｅｅｉｉａｉｎａｄｐｅｉｉｎｃｎｔｏｆｓｎａｃｌｍｎｔｏｎｒｃｓｏｏｒｌｏ
ａｆｃｉｈｅｏｕｐｕｔｔｒｅａｃａｙｏｈｅＣＭＧ．Ｇｅｅａｌａｈａｍｏｃｄｒｖｒａｈｒｆｅｔｎｇｔｔｏｑｕｃｕｒｃｆｔｎｒｌｙ，ｒｎｉｉｅａｍｏｎｃｄｉｅｓａｉｒｖｒｉ —
第２Ｏ卷
第２期
光学精密工程
ＯｐｉｓａｅｉｉｎＥｎｎｅｒｎｔｃｎｄＰｒｃｓｏｇｉｅｉｇ
Ｖｏ１ＯＮＯ．．２２
２１０２年２月
Ｆｅｂ．２２０１
文章编号
１０ —２Ｘ２１）２００ — ８０４９４（０２０ — ３５０
ｄｐｅｏｉｐｏｅｔｅｄｎｍｉｒｓｏｓｂｌｙｏｈｉｂｌｙｔｍ，ｈｗｅｅ，ｈｄｃｄｍｅｈｎｃｌｏｔｄｔｍｒｖｈｙａｃｅｐｎｅａｉｔｆｅｇｍａｓｅｉｔｓｏｖｒｔｅｉｕｅｃａｉａｎ
ｒｓｎａｅｓｒｏｌｅｃｓｔｏｒｌｐｅｉｉｎｏｈｅｇｍｂａｙｔｍ．Ｉｒｒｔｌｍｉｔｈｅｏｅｏｎｃｅｉｕｓｙｒｄｕｅｈｅｃｎｔｏｒｃｓｏｆｔｉｌｓｓｅｎｏｄｅｏｅｉｎａｅｔｅｒｓ — ｎａｃｎａｉｆｈｅｏｒｌｒｃｓｏｆｔｍｂａｙｓｅ，ａｋｉｔｃｍｏｄｌｗａｓｔｕｎｅａｄｓｔｓｙｔｃｎｔｏｐｅｉｉｎｏｈｅｇｉｌｓｔｍｎｅｉｅｓｅｐ．Ａｒｐｏｐｅｒ

单框架控制力矩陀螺转子的稳速控制

单框架控制力矩陀螺转子的稳速控制林鲁超;徐开;陈长青;李峰;龚泽宇;曲直【摘要】为满足卫星姿态控制系统对单框架控制力矩陀螺(SGCMG)转子转速的动态以及稳态性能要求,提出了一种基于遗传算法拟双环-锁相环的双模控制方法,并在该方法中引入干扰力矩补偿控制,进而实现干扰情况下的稳速控制.为模拟电流环和转速环控制,利用遗传算法优化两组比例-积分(PI)参数组成参数可变的拟双环控制器,与锁相环组成双模控制可实现转速的快响应、低超调和高精度控制.针对SGCMG框架转动对转子转速产生扰动的问题,分析了扰动产生的原因,推导并结合实验数据得出了框架转速θ· 与干扰力矩Td的关系,在此基础上设计角速率前馈控制器,以力矩补偿的方式对干扰进行抑制.最终,转速波动可抑制到无补偿情况的15％,在期望转速4000 r/min的情况下,转速稳态误差小于0.045％.【期刊名称】《电光与控制》【年(卷),期】2019(026)008【总页数】6页(P95-100)【关键词】单框架控制力矩陀螺;遗传算法;双环控制;锁相环;框架干扰补偿;转子稳速【作者】林鲁超;徐开;陈长青;李峰;龚泽宇;曲直【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130000;中国科学院大学,北京 100000;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130000;中国科学院大学,北京 100000;长光卫星技术有限公司,长春 130000;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130000;中国科学院大学,北京 100000;长光卫星技术有限公司,长春 130000;长光卫星技术有限公司,长春 130000;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130000;中国科学院大学,北京 100000【正文语种】中文【中图分类】TM330 引言单框架控制力矩陀螺(SGCMG)是一种航天器用高精度姿态控制执行机构。

通过驱动飞轮框架转动改变飞轮角动量方向，可以得到大小与框架角速度成正比的控制力矩，输入很小的框架角速度即可得到很大的控制力矩[1]，这对航天器的姿态控制具有重大意义。

基于DSP的控制力矩陀螺外框驱动控制系统设计

１前言
大型对地观测卫星、宙飞船以及空间站等宇
大型航天器的姿态控制需要大的输出力矩。常规
架控制力矩陀螺结构简单且控制精度较高，这是
单框架控制力矩陀螺的主要优点。在航天器姿态机动过程中需要控制力矩陀螺
Ａｂｔａｔ：ｓｒｃＣｏｎｔｏｌｍｏｅｒｓｔｍｐｔｎｔｐｒｔｉｕｄｏｎｔｏｌｈｐｃｔｉｎｓｓｅａｈｅｒｍｎｔｇｙｏｉｈｅｉｏｒａａｔｏｆａｔｔｅｃｒｔｅｓａｅｓａｔｏｙｔｍｎｄｔｏｆｏｂｓｒｅｓｔｌｉｅ．ＩｈｉｐｅｅｉｒｄｕｃｗＯｄｅｉｎａｄｇｉａｏｒｌｒｗｉｈＤＳＰＭＳ３ｅｖａｅｌｔｓｎｔｓｐａｒｗｎｔｏｅｈｏｔｓｇｉｔｌｃｎｔｏｌｅｔＴ２０ＬＦ２０７ｉ４ｎａ
输出大的控制力矩，航天器稳态运行时要求控在制力矩陀螺输出高精度、高平稳性的姿态控制力
矩，确保姿态控制精度，为此要求外框架驱动控制
航天器姿态控制系统的执行机构有喷管、量轮、动磁力矩器等，出力矩比较小，法满足大型航天输无器姿态控制和快速机动的要求。控制力矩陀螺输出力矩大、矩平稳、力动态响应快、控制线性度好、效率高，因而得到快速发展。根据框架的不同可以将控制力矩陀螺分为单框架和双框架控制力矩

带变速控制力矩陀螺的航天器自适应姿态控制

计相对容易。以上文献均未涉及ＶＳＭＧｓＣ框架及转子的摩擦，而在高精度控制时，摩擦力矩的影响不可忽略。文献［］摩擦建模和补偿控制等进行了全面细致的总结，文献［ — ］分别对６对控制力矩陀螺（ｏｓｎｐｅｏｔｌＭｏｎｒｓｏｅ，ＣＣｓ的４和［］ＣｎｔｔＳｅｄＣｎｒｍｅｔＧｙｏｃｐｓＳＭＧ）ａｏ航天器所设计的自适应姿态控制器，考虑了整星惯量、执行机构惯量以及摩擦系数等参数的误差，并采用自适应更新和神经网络逼近两种方法进行参数估计，效果良好。参数较多时神经网络的规模
ＳｒｅｋＬＧｒ这两种应用最多的摩擦模型进行了分析和应用。ＶＳＭＧｓ的转子转速可变，这ｔｉｃ和ｕｅｂＣ
使得转子轴上的动摩擦力矩也是时变的，从而增加了参数辨识和自适应控制器设计的难度。以往研
摘要航天器高精度姿态控制容易受到参数误差的影响，自适应控制能够合理地估计参数，使基于模型的控制器设计易于实现。自适应参数分为主星体惯量、变速控制力矩陀螺框架转子惯量及动摩擦系数３组，按参数分组对带变速控制力矩陀螺的航天器详细动力学模型
轨辨识所需输入激励，自适应控制是解决这类问题的有效手段之一。
文献［］对整星惯量误差设计了１适应姿态控制器及ＶＳＭＧ２针９Ｃｓ卸载控制律；文献［］用归３采

控制力矩陀螺工作原理

控制力矩陀螺工作原理
控制力矩陀螺是一种利用陀螺效应来实现姿态控制的装置。

它的工作原理是利用陀螺的自转来产生一个力矩，从而实现对飞行器的姿态控制。

陀螺效应是指当一个旋转体的自转轴发生偏转时，它会产生一个力矩，使得旋转体的自转轴发生回归运动。

这个效应可以用来实现姿态控制。

控制力矩陀螺就是利用这个效应来实现飞行器的姿态控制。

控制力矩陀螺通常由一个旋转体和一个控制系统组成。

旋转体通常是一个圆盘形的陀螺，它的自转轴与飞行器的姿态轴垂直。

当飞行器发生姿态变化时，旋转体的自转轴也会发生偏转，从而产生一个力矩。

这个力矩可以通过控制系统来控制，从而实现对飞行器的姿态控制。

控制系统通常由一个陀螺仪和一个控制器组成。

陀螺仪用来检测飞行器的姿态变化，从而产生一个反馈信号。

控制器根据反馈信号来计算出控制力矩陀螺需要产生的力矩，并将其传递给旋转体，从而实现对飞行器的姿态控制。

控制力矩陀螺的优点是具有快速响应、高精度和可靠性高等特点。

它可以用于各种类型的飞行器，包括飞机、直升机、卫星等。

在航空航天领域，控制力矩陀螺已经成为一种重要的姿态控制装置。

控制力矩陀螺是一种利用陀螺效应来实现姿态控制的装置。

它的工
作原理是利用陀螺的自转来产生一个力矩，从而实现对飞行器的姿态控制。

控制力矩陀螺具有快速响应、高精度和可靠性高等特点，已经成为航空航天领域中不可或缺的姿态控制装置。

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电
子
测
量
技
术
第３９卷第ｌｌ期
２０１６年１１月
ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴＴＥＣＨＮ０ＬＯＧＹ
控制力矩陀螺高精度框架控制技术
孙丹峰
（１．上海航天控制技术研究所上海
周华俊
李晟。周明玮。
２．ＳｈａｎｇｈａｉＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＩｎｅｒｔｉａ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１１０９，Ｃｈｉｎａ
中图分类号：Ｖ４４１文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：５１０．５０６０
ＨｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＳＧＣＭＧｇｉｍｂａｌｓｙｓｔｅｍ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ；ａｐｐｌｙｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆｉｌｅｄｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｍｂａｌａｎｃｅｏｆｆｌｙｗｈｅｅ１ｒｏｔｏｒｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．，ｗｈｉｃｈｃｏｕｌｄｏｆｆｅｒｔｈｅｔｈｅｏｒｙｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔｏｔｈｅｉｍｂａｌａｎｃｅｏｆｆｌｙｗｈｅｅｌｒｏｔｏｒ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓａｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅ，ｗｈｉｃｈｙｉｅｌｄｓｓａｔｉｓｆｙｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓ，ａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆＳＧＣＭＧｇｉｍｂａｌｓｙｓｔｅｍｃａｎｂｅ
２０１１０９；
２０１１０９；２．上海惯性工程技术研究中心上海
３．中国空间技术研究院北京１０００９４）
摘要：通过对单框架控制力矩陀螺（ｓｉｎｇｌｅｇｉｍｂａｌｃｏｎｔｒｏｌｍｏｍｅｎｔｇｙｒｏｓｃｏｐｅ，ＳＧＣＭＧ）框架伺服系统的性能要求，归纳了影响框架转速性能的扰动因素，并分析了其对框架转速性能的影响；深入分析了轴承摩擦力矩、动量轮转子不平衡等主要扰动因素的影响，并用前馈补偿法降低摩擦力矩对系统响应时间的影响、用频域法分析了实际系统对转子不平衡量干扰的衰减程度，为转子动平衡设计提供理论依据。最后，对框架系统的相关性能指标进行了仿真验证，实现了控制力矩陀螺的高精度框架控制。关键词：控制力矩陀螺；框架伺服控制；扰动因素
３．ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｐａｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｒｅｑｕｅｓｔｏｆＳＧＣＭＧｇｉｍｂａｌｓｙｓｔｅｍ，ｍａｎｙｋｉｎｄｏｆｉｎｇｒｅｄｉｅｎｔｓｔｈａｔｃｏｕｌｄｉｎｆｌｕｅｎｃｅ
ｒｏｔａｔｉｎｇ－ｓｐｅｅｄａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｔｏｒｑｕｅａｎｄｔｈｅｉｍｂａｌａｎｃｅｏｆｆｌｙｗｈｅｅｌｒｏｔｏｒａｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄ，ｔｈｅｎ，ａｉｍｅｄａｔｄｅｃｒｅａｓｉｎｇｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｔｏｒｑｕｅｔｏｔｈｅｓｙｓｔｅｍｒｅｓｐｏｎｓｅ－ｔｉｍｅ，ａｆｅｅｄ — ｆｏｒｗａｒｄｓｙｓｔｅｍｉｓ
ＳｕｎＤａｎｆｅｎｇ ’ Ｚபைடு நூலகம்ｈｏｕＨｕａｊｕｎ ’ Ｌｉｓｈｅｎｇ。ＺｈｏｕＭｉｎｇｗｅｉ。
（１．ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅｆｌｉｇｈｔＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１１０９，Ｃｈｉｎａ；