衛(wèi)星姿態(tài)控制用永磁球形電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制

《衛(wèi)星姿態(tài)控制用永磁球形電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線(xiàn)閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫(kù)。

1、衛(wèi)星姿態(tài)控制用永磁球形電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制MotionControlofPermanentMagnetSphericalMotorforAttitudeControlofSatellite工程領(lǐng)域：電氣工程作者姓名：鄒志強(qiáng)指導(dǎo)教師：李桂丹副教授企業(yè)導(dǎo)師：李斌副教授天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院二零一七年十一月摘要傳統(tǒng)微小衛(wèi)星慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由多個(gè)慣性動(dòng)量輪組成，這種控制方法一方面限制了衛(wèi)星的體積和重量，另一方面由于各軸輸出轉(zhuǎn)矩間存在耦合，增加了姿態(tài)控制算法的難度。永磁球形電機(jī)轉(zhuǎn)子不受機(jī)械約束，通過(guò)設(shè)定轉(zhuǎn)

2、子旋轉(zhuǎn)軸的朝向及旋轉(zhuǎn)角速度，可以提供任意方向的轉(zhuǎn)矩用于控制衛(wèi)星姿態(tài)，因此可看作是一種萬(wàn)向動(dòng)量輪，在航天領(lǐng)域有較為廣泛的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)球形電機(jī)控制策略主要采用歐拉角作為姿態(tài)描述量，在電機(jī)轉(zhuǎn)子大角度運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)不可避免地出現(xiàn)奇異。針對(duì)這一問(wèn)題，本文采用四元數(shù)描述球形電機(jī)姿態(tài)，并根據(jù)四元數(shù)特性及歐拉剛體旋轉(zhuǎn)定理，建立球形電機(jī)四元數(shù)形式的包含運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程在內(nèi)的運(yùn)動(dòng)模型。此外本文利用有限元仿真和非線(xiàn)性擬合，構(gòu)造球形電機(jī)轉(zhuǎn)矩模型和反電動(dòng)勢(shì)模型。由于永磁球形電機(jī)整體運(yùn)動(dòng)模型具有高耦合非線(xiàn)性的特點(diǎn)，因此本文

3、采用滑?？刂扑惴?gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)軌跡跟蹤這一目標(biāo)設(shè)計(jì)滑模切換函數(shù)，通過(guò)選擇趨近律推導(dǎo)出滑模控制律的表達(dá)式，并證明在此控制律作用下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上，本文引入模糊控制算法，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整滑模控制律不連續(xù)項(xiàng)的系數(shù)，用于平滑控制信號(hào)，優(yōu)化球形電機(jī)滑模控制效果。此外，本文對(duì)球形電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行反饋線(xiàn)性化解耦，并利用擴(kuò)張PD控制構(gòu)建閉環(huán)控制系統(tǒng)?？紤]到參數(shù)漂移、模型誤差及外部擾動(dòng)對(duì)反饋線(xiàn)性化控制效果影響較大，本文引入基于巴特沃茲濾波器的干擾觀測(cè)器用于補(bǔ)償上述干擾。仿真結(jié)果表明兩種算法對(duì)球形

4、電機(jī)均有良好控制效果。在此基礎(chǔ)上，以DSP和FPGA作為控制核心、九軸傳感器MPU-9250作為位置檢測(cè)裝置，搭建永磁球形電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。關(guān)鍵詞：永磁球形電機(jī)，四元數(shù)，模糊滑模控制，反饋線(xiàn)性化，干擾觀測(cè)器ABSTRACTTraditionalinertialactuatorforsmallsatelliteconsistsofseveralreactionwheels.Thiscontrolmethodlimitsthesizeandweightofthesatellite,andincreases

5、thedifficultyoftheattitudecontrolalgorithm.Therotorofpermanentmagnetsphericalmotor(PMSM)isnotmechanicallyrestrained.Byassigningthedirectionoftheaxisandangularvelocityoftherotation,itispossibletoprovidetorqueinanydirectionforcontrollingtheattitudeofthe

6、satellite.Thus,itcanberegardedasauniversalreactionwheelandhasawiderangeofapplicationprospectsinaerospacearea.ThetraditionalcontrolstrategiesofsphericalmotormainlyusetheEulerangleastheattitudedescriptionquantity,whichleadstoinevitablysingularitiesinthe

7、largeanglemovement.Toconquertheproblem,thispaperusesthequaterniontodescribethesphericalmotorattitude,andestablishesthemotionmodelwhichconsistsofdynamicequationsandkineticequationsbasedonthecharacteristicofquaternionandEulerrotationtheoremforrigidbody.

8、Inaddition,thefiniteelementandnonlinearfittingareappliedtobuildthetorquemodelandthebackelectromotiveforce(backEMF)modelofsphericalmotor.SincenonlinearityandhighcouplingexistinthemotionsystemofPMSM,aclosed-loopcontrolsystemisconstructedbyutiliz