一种通用化动量轮的制作方法

1.本发明属于航天技术领域，具体涉及一种通用化动量轮。


背景技术：

2.动量轮是卫星在轨姿态控制系统的重要执行机构，它接收星上计算机的控制指令，通过驱动电机对动量轮轮体加、减速产生反作用力矩，与卫星本体进行角动量交换，从而达到控制卫星姿态的目的。
3.随着我国航天事业的快速发展，对动量轮等核心单机高性能、高可靠、长寿命、快速研制的需求愈发强烈。而现有的动量轮产品带有浓厚型号任务定制化色彩，虽然该模式能够针对性的解决型号需求，但也直接导致了产品规格多、产量小、技术状态复杂、适用性差、研制周期长、生产成本高等诸多问题。
4.且随着在轨应用需求的增加，现有单一模式的动量轮已经不能满足控制系统的需求。而以往通过设计不同功能的动量轮产品实现在轨多模式要求的方式也会导致卫星配套产品过多、配套方案复杂。
5.此外，现有的动量轮还其他诸多问题，例如光电编码器测速方案易受到空间电离辐照和位移损伤的双重影响而失效；霍尔测速方案精度不足，无法在低速进行高精度控制；快速机动工况下，热量产生速度快，散热难度大；控制器组件调试过程会导致轴系所在环境真空度频繁变化，影响轴系性能等。


技术实现要素：

6.为了解决现有的动量轮产品定制化特点明显、通用性不足，机电一体式飞轮高速调试困难、频繁抽气影响产品可靠性，分体式飞轮存在整星占位多、整星布局困难等问题，本发明提供了一种通用化动量轮。
7.本发明提供的通用化动量轮，包含：
8.壳体组件，包含外壳体和分舱板；所述外壳体围成有舱室，所述分舱板设置于所述舱室、将该舱室分割形成真空舱和非真空舱；
9.轴承组件，设置于所述真空舱内，用于驱动轮体转动；所述轴承组件包含轴套和承载台，所述承载台设置于所述轴套外缘；
10.电机组件，设置于所述承载台，用于驱动所述轴承组件，使所述轴套转动；
11.轮体组件，包含若干具有不同转动惯量的轮体；所述轮体设置于所述轴套；
12.光电编码器组件，设置于所述承载台，用于测量所述轴承组件的转速，并将转速信息传输给控制器组件；
13.控制器组件，设置于所述非真空舱；所述控制器组件根据接收的转速信息来调整电机组件、对轴承组件的转速进行控制。
14.可选地，所述通用化动量轮还包含穿墙接插件；
15.所述穿墙接插件密封穿过所述分舱板，通过穿墙接插件在真空舱和非真空舱之间
进行供电和通信。
16.可选地，所述通用化动量轮还包含托架；
17.所述托架在真空舱、且设置于所述分舱板上；
18.所述轴承组件安装设置于所述托架。
19.可选地，所述轮体在所述轴套上可拆装；
20.所述通用化动量轮通过更换不同转动惯量的轮体，可输出不同角动量。
21.可选地，所述光电编码器组件狭缝座上上设置有屏蔽罩，用于对对光电编码器提供背面以及侧面的保护；
22.所述屏蔽罩采用高密度的不锈钢材料制备。
23.可选地，所述非真空舱的外壳体上安装设置有若干机械接口和电接口，用于与整星对接。
24.与现有技术相比，本发明提供的通用化动量轮具有以下优点或有益效果：
25.所述通用化动量轮结构整体布局采用机电一体、分舱放置的方案；其中，电机组件、壳体组件、控制器组件和轴承组件进行模块化通用化设计，各部件之间相对独立，生产过程无交叉耦合现象；轮体组件、轴承组件和电机组件等高速转动部件置于焊接密封的真空舱内，可以长期保持真空状态，并减少反复抽真空带来的性能影响；控制器组件置于壳体组件的非真空舱内，方便控制器调试和测试等；真空舱内的部件与非真空舱内部件之间通过密封式穿墙接插件进行供电和通信；通过更换不同转动惯量的轮体，可以实现10nms～50nms(可覆盖飞轮的角动量需求)的角动量输出，其他部组件通用。各部组件齐套后，简单组装即可，提高产能和可靠性。
26.本发明控制方案采用力矩模式、速度模式和滑行模式等多模式共存方式，能实现各模式之间快速切换，以满足不同用户对不同模式的需要。同时各模式可以联合耦合控制，实现高精度力矩输出，提高产品性能。通过在光电编码器上增加屏蔽罩，提升其对空间粒子的防护能力，延长在轨使用寿命，同时改进电机设计与优化算法，提升霍尔测速精度，使其能够替代光电编码器，降低对光电编码器的依赖程度，提升飞轮产品的测速与控制可靠性。此外采用反接制动和能耗制动方式自动切换方式，即高速采用能耗制动方式，低速时直接切换为反接制动方式，大幅减少飞轮减速过程中产生的热量，减轻在轨散热压力，有效提高产品性能。
附图说明
27.图1为本发明所述通用化动量轮的结构示意图；
28.图2为设置于所述光电编码器组件上的屏蔽罩的示意图；
29.图3为本发明所述通用化动量轮的能耗控制电路原理图；
30.图4为本发明所述通用化动量轮的高精度力矩闭环控制原理图。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员
在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”、“具有”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括
……”
或“包含
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。
33.需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明一实施例的目的。
34.图1为本发明所述通用化动量轮的结构示意图；图2为设置于所述光电编码器组件上的屏蔽罩的示意图；图3为本发明所述通用化动量轮的能耗控制电路原理图；图4为本发明所述通用化动量轮的高精度力矩闭环控制原理图。
35.配合参见图1-4，本发明提供的通用化动量轮包含轴承组件100、光电编码器组件200、壳体组件、轮体组件、穿墙接插件500、控制器组件600、电机组件700以及托架800、屏蔽罩900等。其中，所述壳体组件包含外壳体300和分舱板310；所述外壳体300围成有舱室，所述分舱板310设置于该舱室内、将该舱室分割形成真空舱10和非真空舱20；所述分舱板310的中间位置具有凹槽结构，用于设置电机组件100。所述电机组件100设置于所述真空舱10内，用于驱动轮体400转动。所述轴承组件100包含轴套110和承载台120，所述承载台120设置于所述轴套110的外缘。所述轮体组件包含若干具有不同转动惯量的轮体400，所述轮体400设置于所述轴套110上。所述光电编码器组件200设置于所述承载台120，用于测量所述轴承组件100的转速，并将转速信息传输给控制器组件600。所述控制器组件600设置于所述非真空舱20内；所述控制器组件600根据接收的转速信息来调整电机组件的相关参数，从而对轴承组件的转速进行控制。所述穿墙接插件500密封穿过所述分舱板310，真空舱内的部件与非真空舱内部件之间通过密封式穿墙接插件进行供电和通信。所述托架800位于真空舱10内、且设置于所述分舱板310上，所述轴承组件100安装设置于所述托架800上。所述轮体400在所述轴套120上可拆装；所述通用化动量轮通过更换不同转动惯量的轮体400，可输出不同角动量。所述光电编码器组件200狭缝座上增加屏蔽罩900，所述屏蔽罩900选用高密度的不锈钢，安装固定在狭缝座上，对光电编码器提供背面以及侧面的保护。所述非真空舱20的外壳体上安装设置有若干机械接口和电接口(图中未显示)，用于与整星对接。
36.如图1所示，通用化动量轮结构布局采用一体化设计、分舱放置的方案，主要由电机组件、轴承组件、轮体组件、壳体组件、光电编码器组件(可选装)和控制器组件组成。旋转部件等主要结构部分置于真空舱内，控制器电路置于非真空舱内，将飞轮结构部分与控制电路部分的制造、测试过程完全分离，总装过程采用简单的插接与螺钉固定连接方式，从而实现了多线并行制造与快速总装的能力，大幅减少产品制造周期；同时，采用分舱结构既保证了机电一体化的设计，又可在不改变轴系所处真空环境的前提下实现对控制线路调试和检验的便捷性，即提高了测试效率，又保护了轴系不经受频繁的真空环境变化，提高了产品的可靠性。
37.如图2所示，一方面在光电编码器组件狭缝座上增加屏蔽罩，屏蔽罩材料选用高密度的不锈钢，安装固定在狭缝座上，位于接收板安装位置，对光电编码器提供背面以及侧面
的保护，结合地面抗辐照试验数据，增加的屏蔽罩可以将光电编码器寿命提高到15年以上。另一方面，通过提高电机极对数和增加霍尔个数，大幅增加每转可采集的脉冲信号数。同时，采用“m法”+“t法”联合测速，保证动量轮在全转速段范围内实现纯霍尔测速≤1rpm的能力，使产品可靠性大幅提升。
38.如图3所示，本产品采用通过能耗制动与反接制动切换的控制方式，在高速段使用能耗制动方式，利用电机自身反电势维持电机力矩输出，星上供电仅用于控制电路供电；在执行机构低速段，由于反电势无法保证力矩输出，开启反接制动控制模式，仅有少量动能通过能耗电阻消耗，极大地降低飞轮能量损耗。传统反接制动模式下，上下桥臂同时导通，使得供电电源接入电机，由于高速时反电势较大，会导致供电端电压升高，泵升抑制电路s7开启，能耗电阻rm1、rm2开始工作。能耗制动模式下，上桥臂s1，s2，s3全部关闭，电流仅在下桥臂内循环。通过转速闭环控制下桥臂内mosfet通断，从而保证力矩高精度输出。当mosfet开通时，以s4开通为例，电流流经d5、d6,此时飞轮动能一部分通过三相电阻ra，rb，rc消耗，另一部分转换为电感电磁能量，维持飞轮转速值变换；当mosfet关断时，电流流经d1，d5、d6,向电容c1,c2充能，当反电势过高时，泵升抑制电路s7开启，动能通过能耗电阻rm1、rm2消耗。通过转速闭环方式，即可柔性控制电流和制动电磁转矩的大小，同时实现能量回馈，降低产品能耗。采用分转速段制动方式，不仅解决了执行机构高速制动时器件烧毁的风险，又降低了飞轮功耗，大大提升了执行机构可靠性。
39.如图4所示，通过当前力矩指令值计算每个控制周期内的转速增量值，根据转速增量值计算理论转速值，从而达到引入转速闭环的目的，保证力矩输出精度。仅引入转速闭环，会导致在飞轮在初始响应力矩指令时出现无法控制的大电流，为消除此电流对卫星姿态造成的影响，在飞轮响应力矩指令的第一个控制周期内，不引入转速闭环，仍使用传统电流闭环控制，第二个控制周期开始时加入转速闭环控制，从而消除大电流干扰，保证高精度力矩输出。
40.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

技术特征：
1.一种通用化动量轮，其特征在于，包含：壳体组件，包含外壳体和分舱板；所述外壳体围成有舱室，所述分舱板设置于所述舱室、将该舱室分割形成真空舱和非真空舱；轴承组件，设置于所述真空舱内，用于驱动轮体转动；所述轴承组件包含轴套和承载台，所述承载台设置于所述轴套外缘；电机组件，设置于所述承载台，用于驱动所述轴承组件，使所述轴套转动；轮体组件，包含若干具有不同转动惯量的轮体；所述轮体设置于所述轴套；光电编码器组件，设置于所述承载台，用于测量所述轴承组件的转速，并将转速信息传输给控制器组件；控制器组件，设置于所述非真空舱；所述控制器组件根据接收的转速信息来调整电机组件、对轴承组件的转速进行控制。2.如权利要求1所述的通用化动量轮，其特征在于，所述通用化动量轮还包含穿墙接插件；所述穿墙接插件密封穿过所述分舱板，通过穿墙接插件在真空舱和非真空舱之间进行供电和通信。3.如权利要求1所述的通用化动量轮，其特征在于，所述通用化动量轮还包含托架；所述托架在真空舱、且设置于所述分舱板上；所述轴承组件安装设置于所述托架。4.如权利要求1所述的通用化动量轮，其特征在于，所述轮体在所述轴套上可拆装；所述通用化动量轮通过更换不同转动惯量的轮体，可输出不同角动量。5.如权利要求1所述的通用化动量轮，其特征在于，所述光电编码器组件的狭缝座上设置有屏蔽罩，用于对对光电编码器提供背面以及侧面的保护；所述屏蔽罩采用高密度的不锈钢材料制备。6.如权利要求1所述的通用化动量轮，其特征在于，所述非真空舱的外壳体上安装设置有若干机械接口和电接口，用于与整星对接。

技术总结
本发明公开了一种通用化动量轮，包含轴承组件、光电编码器组件、壳体组件、轮体组件、穿墙接插件、控制器组件、电机组件、托架以及屏蔽罩等。本发明所述通用化动量轮结构整体布局采用机电一体、分舱放置的方案：轮体组件、轴承组件和电机组件等高速转动部件设置于壳体组件形成的真空舱内，控制器组件置于壳体组件形成的非真空舱内；真空舱内的部件与非真空舱内部件之间通过密封式穿墙接插件进行供电和通信。本发明所述通用化动量轮通过更换不同转动惯量的轮体，可以输出不同的角动量。本发明提供的通用化动量轮具有良好的应用前景。的通用化动量轮具有良好的应用前景。的通用化动量轮具有良好的应用前景。


技术研发人员：王森 刘忠国 曹震宇 王洁 尤磊 聂周 季文玮 熊美 王勇 魏新生 孙丹
受保护的技术使用者：上海航天控制技术研究所
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/6/7