X构型储能式变速控制力矩陀螺机构及其控制方法技术

本发明专利技术公开的X构型储能式变速控制力矩陀螺机构及其控制方法，属于航空航天技术领域。X构型储能式变速控制力矩陀螺机构主要由真空室、封闭式外框架、立柱、和四个呈X构型分布的储能式变速控制力矩陀螺构成。四个力矩陀螺分成两两成对安装。储能式变速控制力矩陀螺之间的夹角范围为0～180°。本发明专利技术还公开一种用于柔性航天器振动能量一体化控制方法，用于控制所述力矩陀螺机构。本发明专利技术无需专门轮速平衡控制算法，仅需简单控制指令即能够实现柔性航天器振动能量一体化控制，并实现飞轮轮速平衡，进而不会因长期转速不均匀带来硬件寿命差异，提高硬件整体寿命；所述的X构型储能式变速控制力矩陀螺机构能够维持机构输出力矩在恒定方向，提高系统控制性能。

【技术实现步骤摘要】
X构型储能式变速控制力矩陀螺机构及其控制方法
本专利技术涉及一种用于振动能量一体化控制的X构型储能式变速控制力矩陀螺机构及其控制方法，尤其涉及一种用于柔性航天器振动能量一体化控制的X构型储能式变速控制力矩陀螺机构及其控制方法，属于航空航天

技术介绍
随着航天任务精度和能力要求的提高，航天器的太阳帆板和天线尺寸已经由十米量级向百米量级发展，系统成为大尺度柔性航天器。大尺度柔性航天器中的柔性结构为系统主体，控制量必须分布式施加在柔性结构上，才能实现高精度主动控制以满足任务要求。在柔性结构上分布角动量，能够施加分布式模态力实现结构振动抑制。然而，在柔性结构分布角动量交换装置会增加系统质量和惯性，这与柔性航天器的轻量化设计目标相冲突。一方面，可以使用具有更小尺寸、更轻质量的角动量交换装置。另一方面，可以充分利用角动量交换装置，使其具有更多的功能，从而减少其他子系统的质量。基于分布式角动量的柔性结构振动/能量一体化控制，可以充分利用角动量交换装置中高速旋转的飞轮，利用飞轮进行能量存储，使得储能系统和振动抑制系统集成为一个系统。这种方案可以减少储本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.X构型储能式变速控制力矩陀螺机构，其特征在于：主要由真空室(1)、封闭式外框架(3)、立柱(4)、和四个呈X构型分布的储能式变速控制力矩陀螺(2)构成；四个呈X构型分布的储能式变速控制力矩陀螺(2)分成两对，两两成对安装；储能式变速控制力矩陀螺(2)之间的夹角范围为0～180°；四个储能式变速控制力矩陀螺(2)完全相同，均主要由储能飞轮(2.1)、用于驱动飞轮的可逆式电动/发电机(2.2)、内框架(2.3)、内框架驱动电机(2.4)组成；储能式变速控制力矩陀螺(2)一端通过轴承与封闭式外框架封闭式外框架，另一端通过轴承与立柱连接；为了便于描述，沿顺时针方向将四个呈X构型分布的储能式变速控制...

【技术特征摘要】
1.X构型储能式变速控制力矩陀螺机构，其特征在于：主要由真空室(1)、封闭式外框架(3)、立柱(4)、和四个呈X构型分布的储能式变速控制力矩陀螺(2)构成；四个呈X构型分布的储能式变速控制力矩陀螺(2)分成两对，两两成对安装；储能式变速控制力矩陀螺(2)之间的夹角范围为0～180°；四个储能式变速控制力矩陀螺(2)完全相同，均主要由储能飞轮(2.1)、用于驱动飞轮的可逆式电动/发电机(2.2)、内框架(2.3)、内框架驱动电机(2.4)组成；储能式变速控制力矩陀螺(2)一端通过轴承与封闭式外框架封闭式外框架，另一端通过轴承与立柱连接；为了便于描述，沿顺时针方向将四个呈X构型分布的储能式变速控制力矩陀螺(2)定义为第一储能式变速控制力矩陀螺、第二储能式变速控制力矩陀螺、第三储能式变速控制力矩陀螺、第四储能式变速控制力矩陀螺；对应的内框架定义为第一框架、第二框架、第三框架、第四框架；对应的储能飞轮定义为第一飞轮、第二飞轮、第三飞轮、第四飞轮；飞轮旋转定义方向为：第二飞轮和第四飞轮由立柱向外转、第一飞轮和第三飞轮由外向立柱转；或第二飞轮和第四飞轮由外向立柱转、第一飞轮和第三飞轮由立柱向外转；
当X构型储能式变速控制力矩陀螺机构进行储能或放能时，四个储能飞轮(2.1)以相同的加速度同时加速或减速，储能飞轮(2.1)角速度所产生的力矩相互抵消，即能够在储能飞轮(2.1)不输出扰动力矩的同时，实现储能飞轮(2.1)轮速平衡，进而不会因长期转速不均匀带来硬件寿命差异，提高硬件整体寿命；当X构型储能式变速控制力矩陀螺机构中左右两侧的变速控制力矩陀螺框架轴以相同角速率相对旋转，则输出的力矩方向恒定在立柱(4)方向，进而提高X构型储能式变速控制力矩陀螺机构控制性能；所述变速控制力矩陀螺框架轴以相同角速度相对旋转包括同时向中心旋转或同时向两侧旋转两种工作方式；根据平行四边形法则，所述的X构型储能式变速控制力矩陀螺机构能够维持机构输出力矩在恒定方向，提高系统控制性能。


2.一种用于柔性航天器振动能量一体化控制方法，用于控制如权利要求1所述的X构型储能式变速控制力矩陀螺机构，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：在柔性航天器上分布式安装n个X构型储能式变速控制力矩陀螺机构和m个敏感器；
所述单个X构型储能式变速控制力矩陀螺机构主要由真空室(1)、封闭式外框架(3)、立柱(4)、和四个呈X构型分布的储能式变速控制力矩陀螺(2)构成，单个X构型储能式变速控制力矩陀螺机构按照上述X构型储能式变速控制力矩陀螺机构连接关系构建；
步骤二：建立柔性航天器系统的振动方程及量测矩阵；
步骤三：为满足其他子系统功率需求，根据其他子系统的功率需求Pd，单个X构型储能式变速控制力矩陀螺机构中转子加速度均选择为满足如下关系式，即能够实现飞轮轮速平衡，进而不会因长期转速不均匀带来硬件寿命差异，提高硬件整体寿命；



其中：为转子转动惯量，Ω为转子转速；
所述指满足其他子系统功率需求指：当其他子系统功率供过于求时，控制系统能够吸收其他子系统多余的能量，而当其他子系统功率供不应求时，控制系统能够释放能量补充其他子系统的需求；
步骤四：当柔性航天器振动时，转动框架轴输出力矩进行振动抑制；当柔性航天器不振动时，将框架轴转回原位；
步骤五：按照步骤一至步骤四方法实现用于柔性航天器振动能量一体化控制。


3.如权利要求2所述的一种用于柔性航天器振动能量一体化控制方法，其特征在于：所述转动框架轴输出力矩的具体实现方法为，变速控制力矩陀螺框架轴以相同角速率相对旋转，包括同时向中心旋转或同时向两侧旋转两种工作方式，所述X构型储能式变速控制力矩陀螺机构中各框架轴转速率满足如...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭川东，胡权，刘菲，陈宇岑，张尧，张军，李晓辉，刘维惠，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11