[发明专利]一种磁悬浮控制敏感陀螺角动量包络框架等效分析方法

说明书

一种磁悬浮控制敏感陀螺角动量包络框架等效分析方法。比较基于实体框架的单框架控制力矩陀螺与具有微框架效应的磁悬浮控制敏感陀螺角动量交换原理的异同。在建立定子和转子坐标系的基础上，基于双正交单框架控制力矩陀螺实体框架构建磁悬浮控制敏感陀螺微框架等效模型，利用单框架控制力矩陀螺角动量的径向分量和二分之一轴向分量分别等效磁悬浮控制敏感陀螺径/轴向角动量，并计算模型绝对误差以及指向误差。阐明框架等效法在双框架动量轮角动量分析中的适用性。明确本方法与传统角动量包络分析遍历法的参数维度，证明框架等效法的快速性。本发明为磁悬浮控制敏感陀螺角动量包络分析提供了更简便快捷的方法途径。

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮控制敏感陀螺角动量包络框架等效分析方法，适用于磁悬浮控制敏感陀螺角动量包络分析。

背景技术

我国航天器三轴姿态控制系统大多采用动量交换技术。经过长时间发展，已经拥有了控制力矩陀螺、偏置动量轮、框架动量轮与反作用飞轮等一系列成熟的产品。由于控制力矩陀螺由框架驱动改变转子角动量方向，旋转角度不存在限制。卫星大多采用控制力矩陀螺实现大角度快速机动。但控制力矩陀螺结构复杂，框架控制精度受限，输出力矩精度有待提高。动量轮虽然转子偏转角度受限，但是其控制精度高，在高精度高稳定度姿态机动任务中有广泛应用。磁悬浮控制敏感陀螺是一种新型的磁悬浮惯性执行机构，其融合了动量轮的力矩输出功能以及转子式陀螺仪的姿态测量功能，可同时作为航天器姿态控制系统中的执行机构以及敏感器。由于转子使用轴向磁轴承支承，因而具有无摩擦、高精度、寿命长的优点。利用磁悬浮转子微框架效应，磁悬浮控制敏感陀螺在径向可以输出高精度、高带宽的陀螺力矩。

单框架控制力矩陀螺结构简单，只能在一个自由度上进行旋转，角动量包络分析方法属于几何运算。而双框架控制力矩陀螺以及双框架动量交换装置角动量包络分析方法主要采用遍历的方法，在框架动量轮构型角动量分析中会出现参数过多计算量大的问题。所以传统遍历方法在框架动量轮的角动量分析中有较大的局限性。

发明内容

本发明的目的是：提供一种磁悬浮控制敏感陀螺角动量包络框架等效分析方法，解决传统角动量包络分析遍历方法计算量随着角动量交换装置数量增加而增大的缺点，为分析磁悬浮控制敏感陀螺基于构型框架式动量轮角动量包络提供了更简便快捷的方式。

本发明的技术解决方案是：对比基于实体框架的单框架控制力矩陀螺与微框架的磁悬浮控制敏感陀螺角动量交换原理，利用两个框架指向与框架式角动量交换装置框架指向相同的单框架控制力矩陀螺等效框架式角动量交换装置，通过几何运算得出框架式角动量交换装置的角动量包络。该方法的步骤包括如下

(1)建立磁悬浮控制敏感陀螺角动量计算模型

磁悬浮控制敏感陀螺并不存在实体框架，利用高速转子绕虚拟框架轴偏转可实现与两自由度动量交换，磁悬浮转子通过转速变化改变角动量的大小，输出轴向飞轮力矩，属于框架动量轮，框架式动量交换装置三自由度动量交换包络模型通常在定子坐标系以及转子坐标系中描述

定义定子坐标系o_fx_fy_fz_f：与陀螺房固连，坐标原点与陀螺房质心重合，o_fx_f指向框架旋转方向，o_fz_f为框架处在零位时转子旋转方向，o_fy_f符合右手螺旋定则；定义转子坐标系o_rx_ry_rz_r：与转子固连，但不随转子绕o_rz_r高速旋转，转子初始静浮未偏转时，转子坐标系与定子坐标系重合，设α代表磁悬浮转子绕x_f轴旋转的角度，β代表磁悬浮转子绕y_f轴旋转的角度