[发明专利]一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺，特别是一种可以变速的小型单框架控制力矩陀螺，属于控制力矩陀螺技术领域。

背景技术

随着中小型航天器对姿态控制敏捷性的要求越来越迫切，小型单框架控制力矩陀螺应运而生。目前，对单框架控制力矩陀螺的大小还没有严格的划分，一般将角动量小于5Nms的称为微型控制力矩陀螺，将角动量在5Nms～50Nms之间的称为小型控制力矩陀螺，将角动量在50Nms～500Nms之间的称为中型控制力矩陀螺，将角动量大于500Nms的称为大型控制力矩陀螺。文献《CONTROLMOMENT GYRO FOR ATTITUDE CONTROL OF A SPACECRAFT》(Pub.No.：US2005/0109135A1)和《一种悬臂式控制力矩陀螺》(ZL201020154382.0)公开的单框架控制力矩陀螺是典型的小型控制力矩陀螺，但其高速转子不具有变速功能，且机械结构本体内未集成线路。虽然美国、英国和日本研发了微型变速控制力矩陀螺的原理样机，但都不具有机电一体化设计技术，且因其角动量偏小，难以在中小型航天器上得以应用。由于控制力矩陀螺群具有奇异问题使得其控制率较为复杂，而变速控制力矩陀螺在奇异规避方面具有优势，从而降低了控制率的复杂程度，且提高了控制系统的冗余度和可靠度。由于小型控制力矩陀螺应用于中小型航天器，对体积和重量要求苛刻，需要进行机电一体化设计，将机械结构本体和线路高度集成。因此，有必要设计研发一种机电一体化的小型变速控制力矩陀螺，以满足中小型航天器对姿态控制和快速机动的需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺，在不增加结构体积的情况下实现了机电一体化设计，产品体积小、重量轻、散热好，适合中小型航天器的姿态控制和快速机动应用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种机电一体化小型变速控制力矩陀螺，包括高速组件、高速驱动线路组件、连接支架和低速组件。高速组件提供角动量所需的转动惯量；高速驱动线路组件安装于高速组件背面，在控制力矩陀螺模式下驱动高速组件内的高速电机转子、轴承组件转子和轮体以指令转速旋转从而产生控制力矩陀螺所需的恒定角动量，在动量轮模式下驱动高速组件内的高速电机转子、轴承组件转子和轮体升降速从而输出沿转子轴方向的力矩；连接支架连接高速组件和低速组件，并保证转子轴方向和框架轴方向的正交；低速组件主要包括框架轴系和低速驱动及控制线路板，在控制力矩陀螺模式下低速驱动及控制线路板驱动框架轴系和高速组件按指令转速绕框架轴旋转，从而输出同时正交于转子轴方向和框架轴方向的陀螺力矩，在动量轮模式下低速驱动及控制线路板将框架轴系、高速驱动线路组件、连接支架和高速组件锁定在指令位置。

所述高速驱动线路组件是月牙形的，在不增加结构体积的情况下实现了机电一体化，即高速驱动线路组件位于高速组件回转包络空间内。高速驱动线路组件包括高速驱动线路壳、高速驱动线路盖、高速驱动线路板、左接插件和右接插件，通过左接插件连接到高速组件的密封接插件上，实现与高速组件的电气连接，通过右接插件连接到导电环上，并通过导电环实现与低速驱动及控制线路板的电气连接。

所述高速驱动线路壳具有高速组件安装孔、高速驱动线路盖安装孔、高速驱动线路板安装孔、大功率器件安装孔、左接插件安装孔和右接插件安装孔，壳壁可以贴大功率器件，便于散热。

所述低速驱动及控制线路板位于低速组件内部，在不增加结构体积的情况下实现了机电一体化。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明实现了小型单框架控制力矩陀螺的机电一体化设计，且转子角动量可以变化。从目前掌握的公开资料看，还没有机电一体化的小型变速控制力矩陀螺产品。

(2)本发明将高速驱动线路以组件形式安装于高速组件背面，在不增加结构体积的情况下实现了机电一体化设计。这是根据控制力矩陀螺的工作原理和安装环境设计的，产品在控制力矩陀螺模式下工作时，高速组件、连接支架和框架轴系需要回转，因此产品在航天器上安装时需要留出高速组件的回转包络空间。本发明充分利用这个回转包络空间，设计了月牙形的高速驱动线路组件，节约空间且外形美观。

(3)本发明将低速驱动及控制线路以单板形式集成于低速组件内部，在不增加结构体积的情况下实现了机电一体化设计。传统的设计思路是将低速驱动及控制线路以线路盒形式贴于低速组件外壁，这样增加了体积和重量，不适合中小型航天器应用。

附图说明