CN107515631A - 一种由超声电机驱动控制的单框架控制力矩陀螺 - Google Patents

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潘松
唐洪权
陈雷
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Abstract

本发明公开了一种由超声电机驱动控制的单框架控制力矩陀螺，该陀螺是由超声电机驱动实现小型高精度，高响应变速控制力矩陀螺，特别是一种可以以超高精确输出变力矩的单框架控制力矩陀螺，属于控制力矩陀螺技术领域；其包括高速组件，连接支架，滑环组件，低速组件。高速组件提供角动量所需的转动惯量，并通过滑环组件为其提供电力支持和转速控制信号。本发明通过使用高精度，高响应的超声电机，产品体积小，重量轻，控制精度高，响应快。特别适合对小型航天器的姿态和快速机动精确控制。

Description

一种由超声电机驱动控制的单框架控制力矩陀螺
技术领域
本发明属于一种空间机动平台实现快速机动任务的航天执行机构，具体涉及一种能够满足卫星力学环境试验条件的超声电机控制力矩陀螺。
技术背景
控制力矩陀螺具有输出力矩大，功耗低等优点，是空间机动平台实现快速机动任务的理想航天执行机构。从结构形式上分为单框架，二框架和三框架控制力矩陀螺。
超声电机控制力矩陀螺的优点是控制精度高，响应快，基本无延迟，结构简单可靠，重量轻，带自锁等特性。动量轮与高速电机一体化，结构紧凑，可靠度高。超声电机具有结构简单、小型轻量、响应速度快，噪声低、低速大转矩、控制特点好、断电自锁、不受磁场干扰，运动准确等优点，另外还具有耐低温、真空等适应太空环境的特点。首先由于质量轻，低速且大转矩从而不需要附加齿轮等变速结构，避免了使用齿轮变速而产生的震动、冲击与噪声、低效率、难控制等一系列问题；其次它突破了传统电机的概念，没有电磁绕组和磁路，不用电磁相互作用来转换能力，而是利用压电陶瓷的逆压电效应、超声振动和摩擦耦合来转换能量。从而实现了安静、稳定，高定位精度，不受电磁干扰等特点。相对与传统控制力矩陀螺，重量减轻可以为寸土寸金的航天器赢得装备其他设备的质量空间；高分辨率可以让航天器实现清晰的对地观测；高精度则为航天器对准观测目标提供了可靠保证；快响应使得航天器得以快速机动，避免错过转瞬即逝的瞬间，赢得对目标的观测时间；结构简单提高可靠性。在转瞬即逝的战场环境下，只有高响应，高分辨率，高精度定位相互配合实现航天器的快速机动，快速定位，快速侦测目标，具有重大的国防意义。
而普通控制力矩陀螺需单独设计自锁装置，减速机构等，导致整体质量大，结构复杂，同时由于伺服电机控制精度低，响应慢，无法适应航空航天领域对高精度，高响应，重量轻，结构简单可靠的需求。
发明内容：
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提供一种精度高，结构紧凑，抗电磁干扰能力强的超声电机控制力矩陀螺，该控制力矩陀螺能够满足小型空间机动平台的需要。
实现本发明的技术方案：一种超声电机控制力矩陀螺，它包括高速组件，基体，低速组件，其中，低速组件由超声电机驱动控制。
所述高速组件设有动量轮保护壳，通过螺栓固结在低速框架上。动量轮与高速电机一体，通过螺栓将高速电机的定子与低速框架固连。
所述低速框架设有加强筋，加强筋设于与高速组件固连的部分。
所述低速组件通过滑环为高速组件提供驱动和控制信号。
所述低速组件安装有A、B两轴承，A、B两轴承外圈与中间基体相连。
所述低速组件与光电编码器转子部分固连，光电编码器定子部分通过薄板与中间基体固连，同时，薄板压住B轴承。
所述高速组件包括动量轮及其高速电机。
所述低速组件包括动量轮保护壳，低速框架。
所述超声电机与低速框架连接通过花键—槽配合。
所述中间基体与基座通过定位槽定位，螺栓连接。
所述轴承与低速框架连接是微过盈配合。
所述超声电机与基座连接时通过定位销定位，螺栓连接。
所述低速框架和中间基体设有迷宫环。
所述低速框架包含高速组件基座，低速转轴，低速框架结构于一体。
所述力矩陀螺整体分为三段式结构：上端部分高速组件，高速组件基座，低速框架平台，低速转轴；中间部分包括A、B轴承，光电编码器，中间基体，轴承间隔套；下面部分包括超声电机，滑环，基座和底板，驱动板。
本发明有益的效果在于：(1)发明使用超声电机控制力矩陀螺，从而去掉减速机构，自锁机构等复杂机构，在提高控制力矩陀螺的响应速度和精度的同时，还具有抗电磁干扰的能力。(2)发明将动量轮与高速电机转子一体化，将高速组件基座，低速框架，低速转轴一体化，结构简单可靠，一次装夹加工成型，便于提高零部件质量，同轴度高。(3)低速框架平台做成圆形以及和中间基体间的迷宫环，便于密封粉尘。将整体结构分为三段式设计，便于安装双轴承，消减震动和提高控制精度，并且安装，维护方便。(4)中间基体与基座设有定位槽，用于限位，既提高了安装精度，又避免了中间基体与基座的相对滑动。超声电机与基座的连接设有定位销，保证安装精度。同时驱动电路位于基座腔内，结构紧凑，同时也保护了驱动板。
附图说明：
图1为本发明的后视图；
图2为本发明的侧面视图；
图3为本发明的内部结构视图；
图4为本发明的正视图；
图5为本发明的侧视图。
具体实施方法：
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
本发明提供的一种由超声电机驱动控制的单框架控制力矩陀螺，如图5所示，包括由动量轮1和高速电机2组成的高速组件，所述高速电机2安装在动量轮1外部；所述陀螺还包括由动量轮保护壳体3、低速框架4、滑环9组成的低速组件，所述保护壳体3安装在高速组件外部，其底部与所述低速框架4连接，所述低速框架4内设有中空腔室，在中空腔室中部设有低速转轴，在所述低速转轴的底端设有滑环9；
所述陀螺还包括由中间基体6、角度编码器7、超声电机8、基座10组成的固定组件；所述中间基体6、角度编码器7、超声电机8自上而下依次套装在低速转轴上。
具体的说，高速组件由动量轮1连接在高速电机2上组成或由动量轮2作为高速电机1的外转子，构成一体式高速组件；高速组件的定子部分通过螺栓与低速框架4相连。
作为本发明的改进之处，为了增加高速组件的强度，陀螺还设置了加强筋11，所述加强筋11设置在所述保护壳体3的背面，竖直安装，并且与所述低速框架4固接。
低速组件部分具体是：低速框架4与角度编码器7的转子部分固连，低速框架4与超声电机8的定子部分固连，角度编码器7的定子部分与中间基体6固连，中间基体6与基座10固连；超声电机8定子部分与10基座固连。
所述滑环9的转子部分与低速框架4固连；所述低速框架4台面上表面加工有小孔14。
在所述基座10的侧面设有电路接口13。
所述中间基体6与低速转轴的连接处设有轴承，所述轴承分为两层。A轴承的外圈，B轴承15的外圈固连。低速框架4的低速转轴12与A轴承5的内圈，B轴承15的内圈固连。
如图1所示，本发明低速框架使用两根加强筋使高速组件基座强化和低速主轴固连。
如图2所示，本发明使用动量轮保护壳与高速组件基座相连保护高速组件。并且高速组件基座，低速组件，低速框架以及加强筋使用一体设计，结构简单，可靠度高。
如图3所示，本发明高速组件使用动量轮与外转子高速电机一体化设计，结构可靠度高；高速组件的高速电机定子部分与低速框架的高速组件基座部分固连；高速组件基座，低速框架，低速主轴为一体化设计，高速组件包括动量轮及其高速电机。高速电机的驱动控制线路经由低速主轴与低速框架的轴心孔，滑环与外部电路相连；整体上采用三段式设计，上端部分高速组件，高速组件基座，低速框架平台，低速转轴；中间部分包括A、B轴承，光电编码器，中间基体，轴承间隔套；下面部分包括超声电机，滑环，基座和底板，驱动板。低速组件安装有A、B两轴承，A、B两轴承外圈与中间基体相连。低速组件与光电编码器转子部分固连，光电编码器定子部分通过薄板与中间基体固连，同时，薄板压住B轴承。超声电机与低速框架连接通过花键—槽配合；中间基体与基座通过定位槽定位，螺栓连接；轴承与低速框架连接是微过盈配合；超声电机与基座连接时通过定位销定位，螺栓连接；低速框架和中间基体设有迷宫环。
在控制力矩陀螺模式下，通过控制电路驱动由高速电机转子，轴承组件以及飞轮组成的高速组件，从而产生控制力矩陀螺所需的角动量。通过低速组件中的超声电机精确控制角动量的旋转速度，从而实现精确控制输出力矩的大小和方向；在动量轮模式下，通过控制电路驱动控制由高速电机转子，轴承组件以及飞轮组成的高速组件的转速变化，改变高速组件动量，从而输出沿转子轴向的力矩。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，如不使用一体式低速框架等，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种由超声电机驱动控制的单框架控制力矩陀螺，其特征在于：所述陀螺包括由动量轮(1)和高速电机(2)组成的高速组件，所述高速电机(2)安装在动量轮(1)外部；所述陀螺还包括由动量轮保护壳体(3)、低速框架(4)、滑环(9)组成的低速组件，所述保护壳体(3)安装在高速组件外部，其底部与所述低速框架(4)连接，所述低速框架(4)内设有中空腔室，在中空腔室中部设有低速转轴，在所述低速转轴的底端设有滑环(9)；所述陀螺还包括由中间基体(6)、角度编码器(7)、超声电机(8)、基座(10)组成的固定组件；所述中间基体(6)、角度编码器(7)、超声电机(8)自上而下依次套装在低速转轴上。
2.根据权利要求1所述的一种由超声电机驱动控制的单框架控制力矩陀螺，其特点在于：高速组件由动量轮(1)连接在高速电机(2)上组成或由动量轮(2)作为高速电机(1)的外转子，构成一体式高速组件。
3.根据权利要求1或2所述的一种由超声电机驱动控制的单框架控制力矩陀螺，其特点在于：所述高速组件的定子部分通过螺栓与低速框架(4)相连。
4.根据权利要求1所述的一种由超声电机驱动控制的单框架控制力矩陀螺，其特点在于：所述陀螺还包括加强筋(11)，所述加强筋(11)设置在所述保护壳体(3)的背面，竖直安装，并且与所述低速框架(4)固接。
5.根据权利要求1所述的一种由超声电机驱动控制的单框架控制力矩陀螺，其特点在于：所述低速框架(4)与角度编码器(7)的转子部分固连，低速框架(4)与超声电机(8)的定子部分固连，角度编码器(7)的定子部分与中间基体(6)固连，中间基体(6)与基座(10)固连；超声电机(8)定子部分与(10)基座固连。
6.根据权利要求1所述的一种由超声电机驱动控制的单框架控制力矩陀螺，其特点在于：所述滑环(9)的转子部分与低速框架(4)固连，所述低速框架(4)上表面加工有小孔(14)。
根据权利要求1所述的一种由超声电机驱动控制的单框架控制力矩陀螺，其特点在于：在所述基座(10)的外表面设有电路接口(13)。
7.根据权利要求1所述的一种由超声电机驱动控制的单框架控制力矩陀螺，其特点在于：所述中间基体(6)与低速转轴的连接处设有轴承，所述轴承分为两层。
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