[发明专利]一种感应式反作用动量球系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于卫星姿态调节的反作用动量球系统。 

背景技术

目前，反作用飞轮动量交换系统是航天器姿态控制，特别是航天器三轴精密姿态控制的主要方式。然而为完成航天器三轴的姿态控制，需要至少三套飞轮按正交方式安装，在此基础上如果希望增加冗余度，那么还需要配合使用更多的飞轮，由此带来系统的质量、功耗及效率等方面的局限。此外，各轴飞轮之间还需要发生频繁的动量交换，由于轴与轴承之间存在摩擦，系统的控制精度和寿命受到了很大限制。 

公开号为WO2010117819A1，名称为Reaction sphere for spacecraft attitude control(航天器姿态控制反作用球)的专利公开了一种反作用球，其反作用球的电磁极笼由20个电极按切去顶点的正20面体的空间位置布置，通过感应电机的原理驱动球形转子，可实现任意方向上的角动量交换，完成航天器的任意姿态角的控制。但是，该发明采用的20面体的电极布置方式，在实施动量交换的控制时需要经过较为复杂的解算过程，占用较大的计算资源，不利于航天器姿态控制的时间性要求。同时，该反作用球的球形转子采用单一的铜材料制作，易被氧化影响导电性，使得感应电流微弱，驱动效率低。另外，为了监测球形转子的位移和转速，需要额外的位移传感器及转速传感器，使得系统的体积、质量和功耗显著增加，降低了功能密度比，不利于用在微小卫星上。 

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种结构简单、体积小、高功能密度比、驱动性能稳定、驱动与检测一体化、解耦控制简便的反作用球系统。 

本发明的技术解决方案是：一种感应式反作用动量球系统，包括反作用动量球模块、位移检测与驱动电路、转速检测模块以及控制系统，其中： 

反作用动量球模块：包括球形转子以及布置在球形转子周围的线圈电极笼；所述的线圈电极笼由12个圆柱形的线圈构成，12个线圈均匀分布于球形转子的周围，12个线圈每四个一组构成相互正交的三组； 

转速检测模块：用于对球形转子的转速进行检测，得到用于表征球形转子的全角速度的电压信号； 

位移检测与驱动电路：将控制系统输出的正弦控制信号进行放大后作为球形转子的驱动电压送至各线圈；利用所述的驱动电压作为位移检测的激励电压，采用电涡流传感器原理检测获取球形转子的球心偏离线圈电极笼中心的位移； 

控制系统：从转速检测模块获取用于表征球形转子的全角速度的电压信号，从位移检测与驱动电路获取球形转子的球心偏离线圈电极笼中心的位移，根据控制目标形成正弦控制信号并对正弦控制信号的频率、幅值和相位进行调整，从而对球形转子的转速和位移形成反馈控制。 

所述的球形转子为实心球体或者空心球壳，球体或者球壳的表面为抗磁性材料，而球体或者球壳内部为软磁性材料。所述的抗磁性材料的表面上镀金。 

所述的转速检测模块包括转速检测探头和转速检测电路，其中转速检测探头又包括发光二极管、光学镜片及COMS相机；光学镜片的光轴过球形转子的中心，发光二极管通过光学镜片照亮球形转子的表面，COMS相机获取球形转子的表面影像并送入转速检测电路；转速检测电路采用图像相关算法比对前后两个时刻的影像信息，得出球形转子的表面切向的位移，以及沿光学镜片光轴的转动角度，结合图像的采样频率以及球形转子的半径得到球形转子的全角速度，并输出电压信号作为球形转子的全角速度的表征。 

所述的位移检测与驱动电路至少三路检测通道，每一路检测通道又包括一对关于球形转子的中心对称布置的两个线圈，与球形转子构成差动位移检测方式，每一路检测通道中的一个线圈配置有电感检测电路，获取球形转子的位移 信号。 

所述的线圈电极笼的12个线圈均配置有备份线圈，12个备份线圈也均匀分布于球形转子的周围，12个备份线圈每四个一组构成相互正交的三组，且同一组线圈中的每两个相邻的线圈之间布置一个备份线圈。12个线圈同时通电工作，或者12个备份线圈同时通电工作，或者12个线圈和12个备份线圈同时通电工作。 

本发明与现有技术相比的优点在于： 

1)本发明中的状态检测装置简单、驱动方式灵活精确，控制简便高效，具有高功能密度比且便于轻小型化的特点，尤其适用于立方星、微小卫星等星体上作为姿态控制系统； 

2)本发明的线圈电极笼中，均匀分布于球形转子周围的12个线圈每四个一组构成相互正交的三组，相比于20面体的拓扑结构，本发明中的线圈组组间无耦合，控制简便；