[发明专利]一种基于磁悬浮控制敏感陀螺构型的姿态角速度测量方法

摘要

本发明涉及一种基于磁悬浮控制敏感陀螺构型的姿态角速度测量方法，根据磁悬浮转子跟随航天器姿态运动的动力学模型，高速转子运动状态的改变取决于它所受到的外部力矩，外部力矩包括磁轴承力矩以及干扰力矩，而干扰力矩与航天器的姿态角速度相关联；磁轴承力矩可以通过检测磁轴承电流和转子位移得到，进而通过磁轴承力矩与干扰力矩之间的平衡关系实现对航天器角速度的估计；利用金字塔构型中的四个磁悬浮控制敏感陀螺，能够提供有关磁力矩的八个测量信息，实现对姿态角速度以及角加速度的高精度解算。本发明在实现高精度角速度估计的同时还能确保磁悬浮控制敏感陀螺构型的姿态控制功能，实现高精度高稳定度的姿态控制。

主权项

1.一种基于磁悬浮控制敏感陀螺构型的姿态角速度测量方法，其特征在于：根据磁悬浮转子动力学模型，建立了磁轴承力矩与干扰力矩之间的关联关系，通过磁轴承电流和转子位移的检测间接得到干扰力矩；建立了单个陀螺所受干扰力矩与航天器姿态角速度的关系，给出了多个陀螺所受干扰力矩与航天器姿态角速度、姿态角加速度的解析关系，利用金字塔构型中四个磁悬浮控制敏感陀螺所得的八个干扰力矩信息，实现对姿态角速度以及角加速度的高精度解算；四个磁悬浮控制敏感陀螺采用整星动量矩为零的金字塔构型安装方式，以偏置动量轮的工作模式实现航天器姿态的高精度控制，具体包括以下步骤：(1)建立磁悬浮转子动力学模型为：其中，式中，H^r表示在转子系下转子的角动量，I表示转子绕磁悬浮控制敏感陀螺参考坐标系旋转的转动惯量，I_r表示转子径向转动惯量，I_z表示转子轴向转动惯量，Ωⁱ表示转子的绝对角速度，表示转子坐标系的绝对角速度，即相对于惯性空间的转速，表示转子相对磁轴承的偏转速度，为安装系相对于惯性空间的速度，为磁轴承坐标系到转子坐标系的变换矩阵，为安装系到磁轴承坐标系的变换矩阵，和为安装系相对于惯性空间的角速度，α、β分别为磁悬浮转子绕径向x和y自由度的偏转角；(2)建立转子所受力矩的表达式根据转子动力学方程，转子所受电磁力矩Mr可分解为两部分：又转子径向所受电磁力矩也可以表示为：磁悬浮转子所受磁力可表示成如下线性形式：fλ＝kiλiλ+khλhλ λ＝ax,ay,bx,by转子偏转力矩的表达式为：α＝(hay‑hby)/(2lm)，β＝(hax‑hbx)/(2lm)式中，k_iλ和k_hλ分别表示磁悬浮转子的径向ax、ay、bx和by通道的电流刚度和位移刚度；i_ax、i_bx、i_ay和i_by是四个径向通道的绕组电流，h_ax、h_bx、h_ay和h_by是磁悬浮转子分别在ax、bx、ay和by方向上的线性位移量，l_m表示从磁悬浮转子中心到径向磁轴承中心的距离，表示转子偏转力矩，表示航天器转动引起的等效干扰力矩；需要特别说明的是h_ax、h_bx、h_ay、h_by可以通过电涡流位移传感器测量，可以计算得到转子偏转力矩在M^r的表达式中减去并经过简化，可得出航天器转动情况下等效干扰力矩的表达式为：(3)建立单个转子所受力矩与航天器角速度关系磁悬浮转子干扰力矩的径向分量表达式为：把安装系下的角速度和角加速度替换为航天器体系下的姿态角速度和角加速度，磁悬浮转子干扰力矩的径向分量表达式为：式中，Hn1＝IzQ，σ为安装角，Q为磁悬浮转子角速率；(4)基于金字塔构型得到航天器角速度的解析解通过四棱锥金字塔构型中的四个磁悬浮控制敏感陀螺，可以得到关于干扰力矩的八个分量信息，分别为：转子1：转子2：转子3：转子4：上述表达式建立了干扰力矩和航天器角速度、角加速度的联系，写成矩阵的形式为：进而通过F的伪逆乘以干扰力矩可得航天器角速度、角加速度；由上述表达式可见，由于未知量有六个，实际上只需三个转子的测量数据即可实现航天器角速度的解算。