一种空间太阳能电站电池板角度控制结构的制作方法

本发明涉及空间太阳能电站技领域，特别涉及太阳能电站电池板角度控制结构和控制方法。

背景技术：

由于太空中太阳能的能量密度高、不受天气和昼夜的影响，在太空中建造太阳能发电站是未来进行大规模太阳能发电的重要手段。然而，由于空间太阳能电站超大、超柔、长时间运行、需要高精度指向等特点，使得其动力学与控制问题成为学术界和工程界共同面临的难题。

李庆军等在《“空间太阳能电站及其动力学与控制研究进展”，哈尔滨工业大学学报，2018年10月》中对空间太阳能电站的轨道、姿态和结构振动的研究进展进行了介绍，在第13页《4轨道、姿态与结构振动控制》中记载了由于太空中存在的多种摄动力和摄动力矩会使空间太阳能电站出现轨道和姿态偏差，影响其正常工作，所以必须对空间太阳能电站的轨道和姿态进行控制，在姿态方面，空间太阳能电站的姿态控制又分为发射天线的对地指向控制和太阳能电池阵列或聚光镜的对日指向控制。

在目前阶段对空间太阳能电站的电池板的姿态控制的研究较少，空间太阳能电站正在向发电、太空科研试验、太空物理参数监测等多功能、多用途、多任务、多目的方向发展，在太阳能电站的工作状态下，太阳能电站的主体结构的姿态调整会中断和影响太阳能电站的电池板结构的正常工作，例如产生能量波动等，如何在太阳能电站的主体结构的姿态调整中高效、稳定的控制电池板从而稳定其工作是目前该领域需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是：提出一种空间太阳能电站电池板角度控制结构和控制方法，来解决上述问题。

一种空间太阳能电站电池板角度控制结构，其连接空间太阳能电站的主体和太阳能电池板，其特征在于，太阳能电站的主体在姿态调整时，空间太阳能电站电池板角度控制结构驱动太阳能电池板同步旋转，从而太阳能电池板保持太阳光矢量方向截面积。

空间太阳能电站还包括遥感、命令天线和传送器，并将能量通过传送器无线的方式传回地球。

还包括驱动电机，驱动电机的电机轴通过齿型带与太阳能电池板的主轴相连，电机轴的端部连接有磁性转子，磁性转子与检测定子配合，检测电机轴的旋转相位；主轴圆周外侧还设有磁点，主体在磁点相应位置上设有霍尔开关，其用于在主轴位于相对于主体的预定的位置时提供指示信号；霍尔开关为永久磁铁，在检测到磁点的磁场时提供指示信号；预定义主轴相对于主体的旋转起始点，及预定义起始点对应的角度；每次激励霍尔开关，磁点的角位置与磁性转子的角位置相关联，磁点旋转周期与相位与磁性转子均不同，霍尔开关的位置指示信号和检测定子的位置检测信号的每个组合对应于主轴的唯一的角位置，每组组合数据预先存储在航天器控制处理器的随机访问存储器中。

检测定子用于确定磁性转子的旋转位置，磁性转子为条型磁铁，且其磁场n极和s极分别位于电机轴的两端，并且相对于旋转轴线产生可旋转地非对称磁场，检测定子与磁性转子相临表面设置多组霍尔传感器组，每一组霍尔传感器组包括两个霍尔传感器并相位相隔度，两个霍尔传感器的连线与磁性转子产生的磁场平行并与旋转轴线垂直，两个霍尔传感器同时产生的磁检测信号共同来确定磁性转子的位置。

霍尔开关被施加通过电压放大器放大后的电压，并对与主轴的旋转对应的磁点激发的磁场强度的进行检测，将具有与所检测的磁场强度对应的电压值的电压信号输出，电压信号再次进行放大，并将电压值输出给航天器控制处理器的信号处理机构，信号处理机构取得电压信号后进行a/d转换，信号处理后向航天器控制处理器输出主轴的角位置信号。

磁点为多个，相应的主轴上的霍尔开关也为多个，航天器控制处理器根据多个霍尔开关的信息综合处理主轴的角位置信号。

.一种空间太阳能电站电池板角度控制方法，具体为：

空间太阳能电站接收姿态调整命令；

计算主体偏转角度γ，获取当前偏移角β，并预定义主轴相对于主体的旋转起始点，及预定义起始点对应的角度；

根据偏转角度γ和偏移角β计算主体与太阳能电池板的主轴的相对转角；

在主体姿态调整的同时，驱动电机驱动主轴旋转，当检测定子和霍尔开关的信号组合符合预定相位组合时，完成角度控制操作

其中，偏移角β，太阳能电池板相对于地球最低点倾斜定义为偏移角β；偏转角度γ，主体相对于主体与地球地心连线的偏转角度γ。

优选的，当步骤s1)中空间太阳能电站接收姿态调整命令包括转移轨道命令时，步骤s2)中获取计算主体相对于主体与地球地心连线的偏转角度γ，获取当前偏移角β及空间太阳能电站转移轨后相对于地球绕太阳轨道的平面倾斜α度。

优选的，步骤s2)中还计算空间太阳能电站姿态调整的时间，并在步骤s4)中在相应的姿态调整的时间内匀速或变速完成角度控制操作,从而太阳能电池板保持太阳光矢量方向截面积。

有益效果：

1)本发明在空间太阳能电站姿态调整的同时对太阳能电池板的进行旋转操作，从而保证电池板尽可能的保持太阳光矢量切面的面积，不产生能量接收的波动。

2)本发明提出了大角度范围的旋转控制机构，即空间太阳能电站电池板角度控制结构，其采用两轴关联性的传动，并单独记录每个轴的磁性转角，利用不同周期不同相位的两个轴的角位置，共同控制太阳能电站电池板旋转角度，这大大的扩大了太阳能电站电池板旋转角度的检测范围，可以实现空间太阳能电站姿态调整、变轨控制时主体与太阳能电站电池板大范围相对角度运动的检测。

3)本发明提出了条型磁性转子在成对使用的霍尔传感器组中的应用，单一传感器对条型磁性转子的检测受到的干扰多，误检测多，而且依赖于磁通量的大小；而成对使用的霍尔传感器同时产生磁信号，将条型磁性转子的检测变为是否有两个磁信号同时出现的检测，不依于磁信号的强弱判断，大大提高了检测可靠性和精度。对于主轴来说，成对使用的第一霍尔开关和第二霍尔开关同时产生磁信号，将单一的霍尔开关磁信号检测变为是否有两个磁信号同时出现的检测，不依赖于磁信号的强弱判断，同样大大提高了检测可靠性和精度。

4)本发明提出了空间太阳能电站电池板角度控制方法，其综合了多种位置和角度参数，通过计算给出主体与太阳能电池板的相对转角，在主体姿态调整的同时，完成角度控制操作，从而保证电池板尽可能的保持太阳光矢量切面的面积，不产生能量接收的波动。

附图说明

图1为本发明产品实施例空间太阳能电站结构示意图；

图2为本发明产品实施例空间太阳能电站的太空位置示意图；

图3为本发明产品实施例空间太阳能电站电池板角度控制结构示意图；

图4为本发明产品实施例磁性转子和检测定子配合示意图；

图5为本发明产品实施例检测定子上霍尔传感器组a和b的布置示意图；

图6为本发明产品另一实施例俯视示意图。

在图中：100-空间太阳能电站,1-主体，2-太阳能电池板，3-传送器，4-角度控制结构，5-主轴，6-磁点，7-霍尔开关，71-第一霍尔开关，72-第二霍尔开关，8-驱动电机，81-电机轴，82-磁性转子，83-旋转轴线，84-磁性定子，85-齿型带，86-传动齿轮，霍尔传感器组a，霍尔传感器a1，霍尔传感器a2，霍尔传感器组b，霍尔传感器b1和霍尔传感器b2。

具体实施方式

图1示出了在太空中三轴稳定状态下的空间太阳能电站100。空间太阳能电站100具有主体1，一个或多个太阳能电池板2，以及遥测和命令天线，其用于与控制地面站进行通信。太阳能电池板2在现有技中也可替代地称为“太阳能电池阵列”或“太阳能帆”。太阳能电站100还可以包括一个或多个传感器，以测量空间太阳能电站100的姿态。这些传感器可以包括太阳传感器，地球传感器和恒星传感器。

在所示的实施例中，空间太阳能电站100包括有传送器3，传送器3可以是传感器(ir，可见光)，收发器或其他设备，其安装在主体1的万向节组件上，从而能够根据实际的需要指向指定方向并引导主体1来定向，并将能量通过无线的方式传回地球。

空间太阳能电站100包括姿态控制系统，其包括航天器控制处理器(spacecraftcontrolprocessor，scp)来提供对空间太阳能电站100的控制。航天器控制处理器能够执行许多功能，这些功能可以包括后喷射、转移轨道处理、获取控制、站位控制、电池板旋转控制、故障保护等。航天器控制处理器的输入可以来自多个航天器组件和子系统的任意组合，例如转移轨道太阳传感器，太阳光获取传感器，惯性参考单元，转移轨道地球传感器，工作轨道地球传感器，正常模式广角太阳传感器，磁力计和一个或多个星系传感器。

航天器控制处理器生成控制信号命令，该命令被引导至命令解码器单元解码后，其用于部署太阳能电池板2并在部署之后控制太阳能电池板2的定向，定向操作包括角度旋转调整。太阳能电池板2的工作状态参数(例如位置和/或转速)由测量装置测量并提供给航天器控制处理器。

航天器控制处理器包括或可以访问存储器，例如随机访问存储器(ram)并在预先存储在随机访问存储器中的操作系统的控制下操作，并且与其他系统组件接口以接受输入并生成命令的方式输出。航天器控制处理器中运行的应用程序访问并操纵存储在随机访问存储器中的数据。空间太阳能电站100还可以包括外部通信设备，例如通信链路，用于与其他设备(例如，地面站)进行通信。如有必要，可以从地面站上传新应用程序的操作说明。

图2是示出了空间太阳能电站100的阵列式太阳能电池板2在工作中的应用，空间太阳能电站100以相对于水平轴表示的地球绕太阳轨道的平面倾斜α度的轨道绕地球302旋转，太阳能电池板2垂直于太阳光的矢量而被定向，从而最大化太阳能的收集，此时，太阳能电池板2相对于地球最低点倾斜定义为偏移角β。

空间太阳能电站100被布置成使得传送器3指向地球地心，同时太阳能电池板2是相对轨道倾斜的，它们垂直于太阳光的矢量，从而使所收集的太阳能最大化。随着空间太阳能电站100绕地球运行，传送器3始终指向地球最低点。经过轨道运行，空间太阳能电站100仍然被布置成使得传送器3指向地球地心。然而，太阳能电池板2需要根据太阳光矢量不断调整角度，否则将收集很少或无法收集能量。

另外，根据来自地球的命令指示，空间太阳能电站100需要自身的姿态调整从而满足科学实验需要，而此时，太阳能电池板2被希望仍能稳定的保持垂直于太阳光的矢量。因此，空间太阳能电站100的主体与太阳能电池板2之间的旋转的角度控制是复杂的，还会出现两者之间旋转超过360度情况，传统的旋转角传感器大多只能记录360度内的角度，例如，当旋转超过360度时，传感器无法区分361度与1度之间的区别。

空间太阳能电站100的主体1与至少一个太阳能电池板2之间通过角度控制结构4联接，角度控制结构4包括驱动电机8，驱动电机8的电机轴81通过齿型带85与太阳能电池板2的主轴5相连，电机轴81的端部连接有磁性转子82，磁性转子82与检测定子84配合，检测电机轴81的旋转相位。

航天器控制处理器根求至少一个到达位置命令或输入的信号操控角度控制结构4，其中输入的信号指示至少包括一个位置参数。当前太阳能电池板2位置信号由测量装置测量并被馈送到控制器航天器控制处理器，该信置信号为指示太阳能电池板2的位置并且可以由航天器控制处理器读取的任何信号(模拟和数字)。

本实施方案中，角度控制结构4的磁性转子82在电机轴81的驱动下同轴同相位同时旋转，磁性转子82产生磁场n极和s极，磁性转子82可以例如是产生磁场的磁性材料的永久磁铁，也可以实施为电磁铁，检测定子84相对于电机轴81位置固定，并且根据电机轴81端部的磁性转子82提供的位置信号来指示电机轴81相对于检测定子84的角位置提供至少一个电机轴81位置信号，检测定子84为能够测量磁性转子82产生的磁场的方向的任何设备。

可优选的，检测定子84用于确定磁性转子82的旋转位置，磁性转子82为条型磁铁，且其磁场n极和s极分别位于电机轴81的两端，并且相对于旋转轴线83产生可旋转地非对称磁场，检测定子84与磁性转子82相临表面设置多组霍尔传感器组，每一组霍尔传感器组包括两个霍尔传感器并相位相隔180度，两个霍尔传感器的连线与磁性转子82产生的磁场平行并与旋转轴线83垂直，以霍尔传感器组a中的霍尔传感器a1和霍尔传感器a2为例，其测得的信号与其所在位置磁通量大小成正比，以霍尔传感器a1和霍尔传感器a2同时产生的磁检测信号共同来确定磁性转子82的位置，由于磁性转子82安装在轴端部，其体积微小，现有技术中的传感器均无法提供如此小的高精度磁性角度检测，而以此方式可以消除现有技术中，磁通量微弱，相邻霍尔元件误检测等缺陷，提高检测稳定性。

主轴5圆周外侧还设有磁点6，主体1在磁点6相应位置上设有霍尔开关7，其用于在主轴5位于相对于主体1的预定的位置时提供指示信号。在示出的实施方案中，霍尔开关7其在检测到磁点6的磁场时提供指示信号。磁点6为永久磁铁，每次旋转到霍尔开关7处将激励霍尔开关7一次。

因此，出于记录主轴5相对于主体1旋转角度的需要，需预定义主轴5相对于主体1的旋转起始点，及预定义起始点对应的角度。优选择，主轴5可以相对于主体1旋转800度，并且预定义的0度的角位置对应于主轴5的起点位置，之后每次激励霍尔开关7，磁点6的角位置与磁性转子82的角位置相关联，因此，霍尔开关7的位置指示信号和检测定子84的位置检测信号的每个组合对应于主轴5的唯一的角位置，每组组合数据预先存储在航天器控制处理器的随机访问存储器中。

霍尔开关7被施加通过电压放大器放大后的电压，并对与主轴5的旋转对应的磁点6激发的磁场强度的进行检测，将具有与所检测的磁场强度对应的电压值的电压信号输出，电压信号再次进行放大，并将电压值输出给航天器控制处理器的信号处理机构，信号处理机构取得电压信号后进行a/d转换，并将电压信号的周期进行变换，然后向航天器控制处理器8输出主轴5的角位置信号。

优先的，磁点6可以为多个，相应的主轴5上的霍尔开关7也为多个。航天器控制处理器根据多个霍尔开关7的信息综合处理主轴5的角位置信号。参见图6，一种较优的实施例为，驱动电机8的电机轴81通过传动齿轮86与太阳能电池板2的主轴5传动相连，主轴5外周面上、并位于同一垂直于主轴轴线的安装平面上设有第一霍尔开关71和第二霍尔开关72，且第一霍尔开关71和第二霍尔开关72相对于主轴轴线相距22.5度，16个磁点6被均匀布置在安装平面上与第一霍尔开关71和第二霍尔开关72相匹配，每两上磁点6的角间隔也相距22.5度，当第一霍尔开关71和第二霍尔开关72第一次同时被磁点6激励时，航天器控制处理器计为起点角度，之后每次第一霍尔开关71和第二霍尔开关72同时被磁点6激励计主轴5旋转22.5度。因此，成对使用的第一霍尔开关71和第二霍尔开关72同时产生磁信号，将单一的霍尔开关磁性检测变为是否有两个磁信号同时出现的检测，不依赖于磁信号的强弱判断，大大提高了检测精度和可靠性。

检测定子84的霍尔传感器检测方式与之类似，不再赘述。

在空间太阳能电站100的姿态调整时，主轴5相对于主体1旋转超过360度，每次主轴5相对于主体1经历一转，霍尔开关7将提供一次指示信号。而磁性转子82的旋转相位与磁点6的旋转相位和周期均不同，因此，在齿型带85的关联下，主轴5被驱动电机8驱动旋转的过程中，磁点6的相位与磁性转子82的相位的匹配是唯一的。这太阳能电站的主体结构和太阳能电站的电池板结构会因不同的需要同步进行姿态调整的实现提供了可能。

在此，提出一种空间太阳能电站电池板角度控制方法，其使用前文所述的空间太阳能电站电池板角度控制结构，具体为：

s1)空间太阳能电站100接收姿态调整命令；

s2)获取计算主体1相对于主体1与地球地心连线的偏转角度γ，获取当前偏移角β，预定义主轴5相对于主体1的旋转起始点，及预定义起始点对应的角度；

s3)根据偏转角度γ和偏移角β计算主体1与太阳能电池板2的主轴5的相对转角；

s4)在主体1姿态调整的同时，驱动电机8驱动主轴5旋转，当检测定子84和霍尔开关7的信号组合符合预定相位组合时，完成角度控制操作。

优选的，当步骤s1)中空间太阳能电站100接收姿态调整命令包括转移轨道命令时，步骤s2)中获取计算主体1相对于主体1与地球地心连线的偏转角度γ，获取当前偏移角β及空间太阳能电站100转移轨后相对于地球绕太阳轨道的平面倾斜α度。

优选的，步骤s2)中还计算空间太阳能电站100姿态调整的时间，并在步骤s4)中在相应的姿态调整的时间内匀速或变速完成角度控制操作,从而太阳能电池板2保持太阳光矢量方向截面积。

以上对本发明所提供的空间太阳能电站电池板角度控制结构和方法进行了详细介绍，该介绍中应用了具体优选实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，这些实施例只是用于帮助理解本发明的原理及核心思想，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明设计思想的前提下，上述实施例中的实施方案可以进一步组合或替换，可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。