[发明专利]一种低成本高精度微小卫星反作用飞轮及其控制实现方法

说明书

本发明公开了一种低成本高精度微小卫星反作用飞轮及其控制实现方法，属于微小卫星反作用飞轮控制领域。一种低成本高精度微小卫星反作用飞轮，包括9个线性霍尔传感器、3个轮体和控制板，每3个线性霍尔传感器彼此互为空间120°对称地安装在1个轮体的定子上，3个轮体分别设置于卫星的X、Y、Z轴上，3个轮体均双向信号连接控制板。本发明提出针对高低转速不同的速度解算方法，控制算法简单，解算速度快，可实现反作用飞轮全转速段高精度的实时控制。实测结果表明，目前0转速段精度可达0.3rpm，全转速段精度可控制在1rpm以内，而且飞轮转速控制系统的相应时间、稳定时间、超调量稳态误差等指标均可以达到较好的控制效果。

技术领域

本发明涉及一种低成本高精度微小卫星反作用飞轮及其控制实现方法，属于微小卫星反作用飞轮控制领域。

背景技术

目前，反作用飞轮测速及换向控制主要使用编码器和霍尔传感器，编码器成本高且需占据较大的安装空间，不适用于对成本和体积要求苛刻的微小卫星反作用飞轮。霍尔传感器依据工作原理不同，分为开关型霍尔传感器和线性霍尔传感器，开关型霍尔传感器输出只有0和1电平，但在低转速段状态更新慢，不能实时反应电机转子位置，因此在低转速段速度解算精度差。线性霍尔传感器可以依据磁场强度不同，连续输出不同的电压信号，适合于需要连续测试电机转子位置的反作用飞轮。基于线性霍尔传感器测速原理的飞轮控制方法已可以有效解决低转速段速度解算精度差的问题，但是现有的基于常规的线性霍尔传感器测速原理的飞轮控制方法仍受制于线性霍尔传感器的安装误差及幅值的微小变化对高转速段速度解算精度的影响，不能够满足对高转速段速度解算精度的需求，因此，如何在保证低转速段速度解算精度的同时提高高转速段速度解算精度，仍是亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种低成本高精度微小卫星反作用飞轮及其控制实现方法，以解决现有技术中存在的问题。

一种低成本高精度微小卫星反作用飞轮，包括9个线性霍尔传感器、3个轮体和控制板，每3个线性霍尔传感器彼此互为空间120°对称地安装在1个轮体的定子上，3个轮体分别设置于卫星的X、Y、Z轴上，3个轮体均双向信号连接控制板。

进一步的，控制板包括核心处理器DSP、3组集成驱动器、3个电流传感器和3组线性霍尔信号调理电路，核心处理器DSP至少集成有3组独立ADC、9路PWM输出口和18个GPIO信号接口，每个轮体分别对应1组集成驱动器、1个电流传感器和1组独立ADC，且3个轮体的对应关系独立，其中，

每组集成驱动器，用于执行电压控制命令，从而实现对与其对应的飞轮的速度和电流的实时控制；当每组集成驱动器异常时，每组集成驱动器通过GPIO信号接口向控制板反馈状态异常信息；

每个电流传感器，用于串联在其所对应的集成驱动器和轮体间的主回路中，从而获得采样电流模拟信号，采样电流模拟信号经运放放大后输出给对应的1组ADC；

每组线性霍尔信号调理电路，用于接收其所对应的轮体上的3个线性霍尔传感器发出的三组线性霍尔模拟信号，将三组线性霍尔模拟信号进行滤波射随处理后获得转速测量信息模拟信号，并发送至对应的1组独立ADC中；

每组独立ADC，用于采集3路线性霍尔模拟信号和电流模拟信号，进而解算出转速测量信息数字信号和采样电流数字信号；

核心处理器DSP，用于将转速测量信息与中心机下达的指令信息做差后转化为转矩电流指令，将转矩电流指令与采样电流做差后转化为电压控制命令，并将电压控制命令通过对应的PWM输出口输出至与PWM输出口对应的一组集成驱动器中。

进一步的，每组ADC中与对应的线性霍尔信号调理电路和电流传感器连接的通道均为非相邻通道。

一种低成本高精度微小卫星反作用飞轮的控制实现方法，基于上述的一种低成本高精度微小卫星反作用飞轮，方法包括以下步骤：