一种星载大惯量旋转载荷角动量和力矩补偿方法及系统与流程

本发明属于星载载荷应用技术领域，具体涉及一种星载大惯量旋转载荷角动量和力矩补偿方法及系统。

背景技术：

卫星的有效载荷承担着整个卫星的任务与使命，卫星有效载荷涉及光学、无线电、微波等多个领域，承担着包括对地成像、通信、资源勘察，气象观测等多种任务。常见的有效载荷包括红外扫描仪、合成孔径雷达、可见光电荷耦合器件等，卫星的有效载荷因不同的任务而有所差异。

随着卫星技术的快速发展以及对卫星功能的需求，卫星载荷的种类呈现出多样性的趋势。部分卫星携带了大惯量旋转载荷，大惯量旋转载荷一般搭载在转台上，转台驱动大惯量旋转载荷旋转的过程中会有反作用力作用到卫星上。由于卫星工作在空间自由空间中，会使卫星产生相对运动，影响卫星姿态，严重时会影响卫星正常工作。

一般可以利用卫星的动量轮来补偿旋转载荷产生的角动量和力矩，但是动量轮的输出角动量和响应能力有限，在某些场合，无法满足大惯量高转速的载荷补偿要求。

技术实现要素：

为了解决现有补偿方式无法满足大惯量高转速的载荷补偿要求的问题，本发明提供星载大惯量旋转载荷角动量和力矩补偿方法及系统。

本发明的技术解决方案是提供一种星载大惯量旋转载荷角动量和力矩补偿方法，包括以下步骤：

步骤1、引入平衡轮，所述平衡轮搭载小惯量旋转部件，将卫星给定的期望转台工作转速转换为平衡轮的目标转速ωp*；

步骤2、驱动平衡轮向目标转速加速；

步骤3、实时采集平衡轮位置信号并根据位置信号计算平衡轮的实时转速；

步骤4、将平衡轮的实时转速转换为搭载大惯量载荷的转台实时目标转速ωz^**；计算公式如下：

其中，jz为转台的负载惯量；jp为平衡轮的负载惯量；ωp为步骤3获取的平衡轮的实时转速；

步骤5、驱动转台按照步骤4转换后的转台实时目标转速旋转且旋转方向与平衡轮旋转方向相反。

进一步地，为了保证运行速度的准确性，步骤3与步骤4之间还包括平衡轮速度闭环控制的步骤，即检测并判断平衡轮的实时转速，当平衡轮的实时转速不等于当前目标实时转速时，返回步骤2，通过控制使得平衡轮在当前目标实时转速下旋转。

步骤5之后还包括转台速度闭环控制的步骤，即检测并判断转台实时转速，当转台实时转速不等于步骤4转换后的当前转台实时目标转速时，返回步骤5，通过控制使得转台在转换后当前实时目标转速下旋转。

进一步地，步骤1中，转化后平衡轮的目标转速为其中jz为转台的负载惯量；jp为平衡轮的负载惯量；ωz*为卫星给定的期望转台工作转速。

进一步地，步骤3中，平衡轮转速为1/δt(rpm),其中δt为平衡轮旋转一周，采集平衡轮位置信号所需要的时间。

本发明还提供一种星载大惯量旋转载荷角动量和力矩补偿系统，其特殊之处在于：包括第一速度转换单元、平衡轮系统、第二速度转换单元及转台系统；

上述第一速度转换单元用于将卫星给定的期望转台工作转速转换为平衡轮的目标转速，并反馈至平衡轮系统；

上述平衡轮系统包括平衡轮驱动电路、平衡轮单元及平衡轮速度计算单元；所述平衡轮单元包括平衡轮、用于驱动平衡轮旋转的高速电机及用于采集平衡轮速度信息的霍尔传感器；

上述平衡轮驱动电路的输入端与第一速度转换单元的输出端连接，平衡轮驱动电路的输出端接平衡轮单元，用于控制高速电机驱动平衡轮向目标转速加速；上述平衡轮速度计算单元用于根据霍尔传感器的输出计算平衡轮的实时转速并将速度数据反馈至第二速度转换单元；

上述第二速度转换单元用于将平衡轮的实时转速转化为转台实时目标转速ωz^**，并反馈至转台系统，计算公式如下：

其中，jz为转台的负载惯量；jp为平衡轮的负载惯量；ωp为获取的平衡轮的实时转速；

上述转台系统包括转台驱动电路、转台单元及转台速度计算单元；上述转台单元包括转台、用于驱动转台旋转的力矩电机和用于实时测量转台位置数据的位置测量部件；

上述转台驱动电路的输入端与第二速度转换单元的输出端连接，转台驱动电路的输出端与转台单元连接，用于驱动力矩电机以与平衡轮相反的旋转方向驱动转台按照转换后的转台实时目标转速旋转；上述转台速度计算单元用于根据位置测量部件的输出计算转台速度。

进一步地，上述平衡轮系统还包括连接在第一速度转换单元与平衡轮驱动电路之间的第一pid控制器，用于实现平衡轮转速的闭环控制；当平衡轮的实时速度不等于当前目标实时转速时，通过控制使得平衡轮在当前目标实时转速下旋转。

上述转台系统还包括连接在第二速度转换单元与转台驱动电路之间的第二pid控制器，用于实现转台转速的闭环控制；当转台实时转速不等于转换后的转台实时目标转速时，通过控制使得转台在转换后的实时目标转速下旋转。保证了运行时速度的准确性和快速性。

进一步地，上述平衡轮驱动电路及转台驱动电路均包括三相桥电路。

本发明的有益效果是：

1、本发明，为了达到更好的补偿效果，先将卫星给定的期望转速转换为平衡轮的目标转速，平衡轮开始向目标转速加速，利用平衡轮输出的霍尔信号实时计算平衡轮的转速，将实时平衡轮转速转换为转台转速给定，并反向旋转，从而保证在加速、匀速、减速各过程中转台转速均实时与平衡轮转速进行匹配和跟踪，保证残余角动量和残余力矩补偿效果。

2、本发明转台和平衡轮均利用闭环控制很好的保证速度控制精度及响应速度；提高软件算法的控制频率，保证补偿的快速性，针对星载大惯量旋转载荷角动量和力矩有很好的补偿效果。

附图说明

图1为本发明星载大惯量旋转载荷角动量和力矩补偿系统框图；

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。

本发明为了更好的补偿旋转载荷产生的角动量和力矩，利用平衡轮实现补偿。为了减小平衡轮的体积和重量，其搭载小惯量旋转部件，工作在高转速。转台搭载大惯量载荷工作在低转速，机动能力强，可以更好的在运行过程中精确快速的跟踪匹配平衡轮转速。

本发明先将卫星给定的期望转台工作转速转换为平衡轮的目标转速；具体的转化公式如下：其中jz为转台负载惯量；jp为平衡轮负载惯量；ωz*为卫星给定的期望转台工作转速。然后驱动平衡轮开始向目标转速加速；实时采集平衡轮位置信号并根据位置信号计算平衡轮的实时转速；将实时平衡轮转速转换为转台转速给定，其旋转方向与平衡轮旋转方向相反。从而保证在加速、匀速、减速各过程中转台转速均实时与平衡轮转速进行匹配和跟踪，保证残余角动量和残余力矩补偿效果。

具体将平衡轮转速转换为转台实时目标转速ωz^**的公式如下：

其中，jz为转台的负载惯量；jp为平衡轮的负载惯量；ωp为获取的平衡轮的实时转速；提高计算频率，保证计算控制过程的快速性，进一步提高补偿效果。

对平衡轮及转台均进行速度闭环控制，针对平衡轮，即检测并判断平衡轮的实时速度，当平衡轮的实时速度不等于当前目标转速时，通过控制使得平衡轮在当前目标转速下旋转。对于转台，即检测并判断转台的实时速度，当转台的实时速度不等于转换后的转台实时目标转速时，通过控制使得转台在转换后的实时目标转速下旋转。从而保证运行时速度的准确性和快速性。

如图1所示，本实施例星载大惯量旋转载荷角动量和力矩补偿系统，包括第一速度转换单元、平衡轮系统、第二速度转换单元及转台系统。第一速度转换单元用于将卫星给定的期望转台工作转速转换为平衡轮的目标转速，并反馈至平衡轮系统；其中，转台转速至平衡轮转速的转换系数，其中，jz为转台的负载惯量；jp为平衡轮的负载惯量；卫星给定的期望转台工作转速为ωz*；因此，转化后平衡轮的目标转速为

平衡轮系统包括依次连接的第一pid控制器、平衡轮驱动电路、平衡轮单元及平衡轮速度计算单元；平衡轮速度计算单元的输出分别与第一pid控制器的输入及第二速度转换单元的输入连接。补偿用的平衡轮单元，其内部包含了平衡轮、高速电机及霍尔传感器，其中高速电机用于驱动平衡轮高速旋转，霍尔传感器用于采集平衡轮速度信息。第一pid控制器接收第一速度转换单元输出的平衡轮的目标转速，并通过平衡轮驱动电路控制高速电机驱动平衡轮向目标转速加速，平衡轮速度计算单元根据霍尔传感器的输出计算平衡轮的实时速度并将速度数据反馈至第一pid控制器及第二速度转换单元。第一pid控制器检测并判断平衡轮的实时速度，当平衡轮的实时速度不等于当前目标转速时，通过控制使得平衡轮在当前目标转速下旋转，保证控制的精确性。本实施例平衡轮速度计算单元根据如下过程计算平衡轮转速：平衡轮内部安装了6个霍尔传感器，高速电机每旋转360度电角度产生6个脉冲，电机共有8对极，因此平衡轮每旋转一周共旋转8*360度电角度，因此平衡轮每旋转一周产生48个脉冲信号，采集产生48个脉冲所需要的时间δt(min)，则平衡轮转速为1/δt(rpm),进行单位换算为从而得到平衡轮实时转速。

第二速度转换单元将平衡轮的实时速度转化为转台实时目标转速ωz^**，并反馈至转台系统，计算公式如下：

其中，jz为转台的负载惯量；jp为平衡轮的负载惯量；ωp为获取的平衡轮的实时转速；

转台系统包括依次连接的第二pid控制器、转台驱动电路、转台单元及转台速度计算单元。转台速度计算单元的输出与第二pid控制器的输入连接。转台单元包括搭载大惯量载荷的转台，用于实时测量转台位置数据的位置测量部件及用于驱动转台旋转的力矩电机。

第二pid控制器接收第二速度转换单元输出的转换后转台的目标转速，并控制通过转台驱动电路控制力矩电机驱动转台与平衡轮相反的旋转方向驱动转台按照转换后的转台实时目标转速旋转；保证转台和平衡轮旋转方向相反，转速大小满足上述的关系式，就可以很好的补偿运行过程中产生的角动量和力矩。转台速度计算单元根据位置测量部件的输出计算转台转速，并将转台的实时转速反馈至第二pid控制器，当转台的实时速度不等于转换后的转台实时目标转速时，通过控制使得转台在转换后的实时目标转速下旋转。保证控制精度，避免转台运行时转速存在误差，提高转台转速的响应能力。