一种感应式驱动的气浮动量球系统技术方案

一种感应式驱动的气浮动量球系统。包括：气浮动量球模块、传感器测量组件、上位机控制器及驱动模块。气浮动量球模块包括定子阵列、球形动子和气浮组件。球形动子由气浮组件支承悬浮，由定子阵列驱动旋转。传感器测量组件包括力/力矩测量组件和转速测量组件。转速测量组件包括测量框架与鼠标传感器，通过测量框架准确测量传感器空间位置，结合鼠标传感器的线速度测量，解算出球形动子的转速，用于反馈控制。上位机控制器根据解算得到的转速信号，通过驱动器对各定子线圈进行电流分配，从而实现对气浮动量球绕任意轴转动控制。

【技术实现步骤摘要】
一种感应式驱动的气浮动量球系统
本专利技术为一种感应式驱动气浮动量球系统。具体地，为航天器姿态控制系统地面试验中所应用的感应式驱动气浮动量球系统。
技术介绍
目前广泛使用动量轮与控制力矩陀螺等飞轮三轴稳定机构对人造卫星进行有效地姿态控制。飞轮多采用机械式滚珠轴承支承，摩擦损耗极大地限制卫星的使用寿命，而且轴承转动引起的机械振动削弱了卫星的定向精度。此外，至少使用3个动量飞轮才能完全实现卫星姿态的三轴稳定控制，出于安全可靠性的冗余考虑，则需要安装4～6个动量飞轮，占用较多的空间资源。而且动量轮复杂的结构也使得其制造成本较高。进入21世纪，重量轻、体积小、成本低的小卫星技术引起世界各国的重视。从缩小卫星体积、提高卫星有效载荷、降低成本的角度，现有动量轮方案极大地阻碍了卫星的小型化和低成本化趋势。公开号为CN104753273A，名称为一种磁悬浮动量球的专利公开了一种用于航天器姿态调整的反作用球，包含一个球壳形动子和三组定子。三组定子正交布置，每组定子围绕动子相对布置。每个定子铁心可提供沿定子轴线方向的推力和转矩，六个定子协同工作实现球形动子的稳定悬浮与旋转驱动。然而，该专利技术在地面试验过程中，底部定子需产生较大的推力以补偿球形动子自身的重力，而位于顶部的定子产生的推力较小。此种由重力引起的电机出力不均匀极大制约了任意轴旋转驱动控制算法的设计，同时导致整个磁悬浮动量球系统各定子发热不均匀。此种磁浮动量球在进行地面试验与正常太空工作时的工作点间存在较大差异，不利于控制算法的验证。此外，根据矢量合成法则，最少三个定子不共面布置即可实现对球形动子绕任意轴旋转的驱动，但由于该磁悬浮动量球系统的每个定子对球形动子仅能施加推力，因而在每个方向上不得不成对布置6个定子来实现球形动子的悬浮支承控制，存在不可避免的原理性结构冗余。公开号为CN103514792A，名称为空间六自由度气浮随动运动平台的专利公开了一种可模拟空间微重力环境下航天器姿态运动的空间六自由度气浮随动运动物理仿真平台，该专利采用气浮和重力平衡技术使得整个运动平台具有多个自由度。然而，该项专利是一种随动运物理动仿真平台，并且由于气浮球轴承与被支承部件固连，受底部液压系统机械结构限制，被支承部件在竖直面内的转动角度受限。本文中所提出的感应式驱动的气浮动量球系统则是一种新型电磁驱动器，通过定子对球形动子施加驱动转矩，实现球形动子围绕其任意轴线高转速旋转驱动。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种感应式驱动气浮动量球系统，用于航天器姿态控制系统地面试验。该系统结构简单紧凑，集测量控制驱动于一体，可用于动量球任意轴驱动解耦控制算法的设计与验证。本专利技术的技术解决方案是：一种气浮动量球系统，包括气浮动量球模块，所述气浮动量球模块包括：定子阵列、球形动子2和气浮组件3，其特征在于：所述球形动子2位于所述定子阵列与所述气浮组件3之间，其中，所述定子阵列围绕布置于所述球形动子2上部，所述气浮组件3位于所述球形动子2下部。进一步的，所述定子阵列包含3-5个定子1，每个定子1的中心轴线相互正交，并交于所述球形动子2的球心。进一步的，每个定子1具有定子铁心7，所述定子铁心7内嵌线圈阵列8，所述线圈阵列8能够在三相对称交流电激励下产生旋转磁场；所述定子铁心7具有上、下端面，所述上端面为平面；所述下端面大致为球面且开槽，且与所述球形动子2表面形成均匀气隙。进一步的，所述定子铁心7采用圆柱型结构铁心16，或者圆台型结构铁心17,或者围绕所述球形动子2并依据所述定子阵列中定子1的个数及其空间分布变动而形成的其他拓扑构型。进一步的，所述气浮组件3包括：气浮底座9和气浮底座外壳10；所述气浮底座9具有内部气路通道和球窝表面，所述球窝表面开有气浮阵列，与所述球形动子2相配合形成气浮间隙。进一步的，所述气浮底座外壳10与所述气浮底座9形成缓冲腔室，使所述气路通道内气体分布均匀，形成稳定气体悬浮。进一步的，所述气浮底座9采用小孔节流式的气体悬浮方式，或者采用狭缝节流式的气体悬浮方式，或者采用多孔材料形成的气体悬浮方式。进一步的，所述球形动子2为非铁磁性导电材料制成的实心结构或者空心球壳型结构，或者由铁磁性材料填充非铁磁性导电材料球壳内部形成的复合结构，或者由非铁磁性材料填充非铁磁性导电材料球壳内部形成的复合结构，或者由铁磁性材料填充非铁磁性材料球壳内部形成的复合结构。进一步的，所述气浮动量球系统还包括传感器测量组件，所述传感器测量组件包括转速测量组件4和力/力矩测量组件；所述转速测量组件4包括鼠标传感器13与转速测速框架；所述鼠标传感器13用于被测点线速度的测量；所述转速测量框架包括：底部刻度盘14、竖直刻度盘11以及第一测量杆12和第二测量杆15，所述转速测量框架用于所述鼠标传感器13测量方向的精确测量；所述转速测量组件4围绕所述球形动子2，阵列布置多个所述鼠标传感器13，测量所述球形动子2表面不同位置点的线速度，从而可解算出所述球形动子2转速大小与转轴方向；所述力/力矩测量组件包括力传感器18，所述力传感器18用于精确测量所述定子1施加给所述球形动子2的电磁力与力矩。进一步的，所述气浮动量球系统还包括上位机控制器5及驱动模块6；所述气浮动量球系统能够根据设定的参考转速以及转轴方向，结合转速反馈与力反馈，通过所述上位机控制器5进行闭环控制，通过所述驱动模块6对所述定子阵列中各定子1中内嵌的线圈阵列8进行电流分配，实现气浮球任意轴转动控制。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术由气体支承实现悬浮，通过给各定子通入不同频率与幅值的电流，产生方向沿各定子轴向分布的大小不同的转矩，通过控制各定子产生转矩的大小，进而控制合成转矩的大小与方向，最终驱动球形动子绕任意轴旋转。由气浮结构配合定子阵列实现球形动子的稳定悬浮。整套系统结构简单，驱动方式灵活高效，便于任意轴旋转驱动控制算法的地面试验验证。(2)本专利技术中采用多个鼠标传感器阵列布置，分别测量球形动子表面不同点处的转动线速度，进而根据特定的算法解算出球形动子的转速大小以及转轴的空间指向。测速模块结构简单紧凑，解算算法准确高效。(3)本专利技术中气浮组件通过简易扩展即可构成闭式气浮系统，则不仅可用于航天器姿态控制系统地面试验，而且可作为一种气浮电磁混合驱动的新型动量球，直接应用于航天器姿态控制系统。该混合驱动的新型动量球实现了悬浮与驱动完全分离控制，仅需三个定子即可实现球形动子绕任意轴的旋转驱动，结构更加紧凑。(4)本专利技术中可对驱动器输出电流的频率和幅值进行实时精确控制，保障了该气浮动量球优良的动态调速性能，大大提高航天器本体姿态控制的机动性能。附图说明图1为本专利技术一种感应式驱动气浮动量球系统组成示意图。图2为本专利技术感应式气浮动量球模块中定子结构及旋转驱动原理示意图。图3为本专利技术感应式气浮动量球模块中气浮组件结构及气浮原理示意图。图4a-4b为本专利技术球形动子转速测量结构与原理示意图。图5为本专利技术电磁力和转矩测量示意图。图6a-6c为本专利技术球形动子与定子铁心结构示意图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气浮动量球系统，包括气浮动量球模块，所述气浮动量球模块包括：定子阵列、球形动子(2)和气浮组件(3)，其特征在于：所述球形动子(2)位于所述定子阵列与所述气浮组件(3)之间，其中，所述定子阵列围绕布置于所述球形动子(2)上部，所述气浮组件(3)位于所述球形动子(2)下部。

【技术特征摘要】
1.一种气浮动量球系统，包括气浮动量球模块，所述气浮动量球模块包括：定子阵列、球形动子(2)和气浮组件(3)，其特征在于：所述球形动子(2)位于所述定子阵列与所述气浮组件(3)之间，其中，所述定子阵列围绕布置于所述球形动子(2)上部，所述气浮组件(3)位于所述球形动子(2)下部。2.根据权利要求1所述的气浮动量球系统，其中，所述定子阵列包含3-5个定子(1)，每个定子(1)的中心轴线相互正交，并交于所述球形动子(2)的球心。3.根据权利要求2所述的气浮动量球系统，其中，每个定子(1)具有定子铁心(7)，所述定子铁心(7)内嵌线圈阵列(8)，所述线圈阵列(8)能够在三相对称交流电激励下产生旋转磁场；所述定子铁心(7)具有上、下端面，所述上端面为平面且开槽；所述下端面为球面，且与所述球形动子(2)表面形成均匀气隙。4.根据权利要求3所述的气浮动量球系统，其中，所述定子铁心(7)采用圆柱型结构铁心(16)，或者圆台型结构铁心(17),或者围绕所述球形动子(2)并依据所述定子阵列中定子(1)的个数及其空间分布变动而形成的其他拓扑构型。5.根据权利要求1所述的气浮动量球系统，其中，所述气浮组件(3)包括：气浮底座(9)和气浮底座外壳(10)；所述气浮底座(9)具有内部气路通道和球窝表面，所述球窝表面开有气浮阵列，与所述球形动子(2)相配合形成气浮间隙。6.根据权利要求5所述的气浮动量球系统，其中，所述气浮底座外壳(10)与所述气浮底座(9)形成缓冲腔室，使所述气路通道内气体分布均匀，形成稳定气体悬浮。7.根据权利要求5或6中任一所述的气浮动量球系统，其中，所述气浮底座(9)采用小孔节流式的气体悬浮方式，或者采用狭缝节流式...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱煜，张鸣，怀周玉，杨开明，成荣，陈安林，胡金春，胡楚雄，徐登峰，穆海华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11