CN109597438B - 一种控制力矩陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制力矩陀螺，包含：动量轮，外框架***、力矩电机以及光电编码器，所述动量轮用于提供恒定的角动量。所述外框架***用于支撑所述动量轮，并提供与卫星安装的固定接口，力矩电机用于驱动所述外框架***的大力矩输出和低速平稳转动。所述光电编码器用于测量所述外框架***的外框角度的绝对位置。在控制力矩陀螺机动情况下产生整星快速机动所需的高精度力矩，并通过角动量方向的精确控制实现与整星的高精度角动量交换。本发明的控制力矩陀螺采用绝对式光电编码器实现高精度的外框控制，提高了对所述控制力矩陀螺高力矩的控制精度，满足了敏捷卫星的高指向精度的需求。

Description

一种控制力矩陀螺

技术领域

本发明涉及航天执行机构技术领域，特别涉及一种控制力矩陀螺。

背景技术

控制力矩陀螺由动量轮和外框***组成，通过外框转动对大小恒定的角动量进行矢量指向控制，与卫星进行角动量快速交换，实现对卫星姿态机动和稳定控制的功能，具有输出力矩大、质量小、功耗低等优点。

由控制力矩陀螺工作原理可知，高精度的外框指向控制是实现控制力矩陀螺高力矩精度的关键，而高精度测角技术则是实现该技术的核心。目前，国内外常用的控制力矩外框测角传感器有旋转变压器和圆感应同步器，旋转变压器精度较低且重量较重，圆感应同步器精度高但重量重，无法满足多数敏捷卫星高指向精度和轻量化的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制力矩陀螺，通过采用绝对式光编码器作为外框测角传感器实现提高对所述控制力矩陀螺高力矩的精度，满足敏捷卫星的高指向精度和轻量化的需求的目的。

为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种控制力矩陀螺，包含：动量轮，外框架***、力矩电机以及光电编码器，所述外框架***包括外框、分别固定在所述外框两侧的驱动端支撑框架和传感端支撑框架，精密轴承、驱动端主轴以及传感端主轴；所述驱动端主轴通过所述精密轴承安装在所述驱动端支撑框架上；所述传感端主轴通过所述精密轴承安装在所述传感端支撑框架上；所述驱动端支撑框架和传感端支撑框架分别与卫星固定连接，用于将所述控制力矩陀螺固定在所述卫星上；所述动量轮位于所述外框中心处，所述动量轮的一端与所述驱动端轴固定连接，所述动量轮的另一端与所述传感端轴固定连接，所述动量轮用于产生恒定不变的角动量H并随所述外框旋转；所述力矩电机位于驱动端支撑框架内部，为所述外框架***提供驱动力；所述光电编码器安装于所述传感端主轴上，作为所述外框的测角传感器，采集所述外框的绝对位置测量信息，与所述力矩电机形成闭环控制，迫使角动量矢量方向指向角速度ω变化，产生输出力矩T＝H×ω，并通过所述驱动端支撑框架和传感端支撑框架刚性传递给所述卫星，实现对所述卫星进行敏捷机动和指向控制。

进一步的，所述力矩电机包括：力矩电机转子和力矩电机定子；所述力矩电机转子与所述驱动端主轴连接，所述力矩电机定子套置在所述力矩电机转子外侧，且所述力矩电机定子与所述驱动端支撑框架固定连接；所述力矩电机转子和力矩电机定子为所述外框的旋转提供平稳力矩。

进一步的，所述动量轮包括：上壳体、轮体、电机转子、轴承组件、下壳体以及电机定子；所述轮体、电机转子、电机定子与轴承组件同轴设置，所述轴承组件用于支撑轮体、电机转子和电机定子；所述轮体和电机转子与所述轴承组件固定连接；所述电机转子上设有定子容置槽，所述电机定子的一端位于所述定子容置槽内部，其另一端与所述下壳体固定连接；所述轮体通过电机定子和电机转子的相互作用高速旋转，产生所述恒定的角动量H；所述轴承组件的两端分别与所述上壳体和下壳体固定连接；所述上壳体与下壳体焊接密封，使得所述轮体、电机转子、电机定子与轴承组件处于真空运行环境中。

进一步的，所述轴承组件包括：外圈旋转部和内圈轴承部以及分别与所述上壳体连接的固定部和所述下壳体连接的固定法兰；所述上壳体与所述轴承组件的固定部通过螺纹固定；所述下壳体与所述轴承组件的固定法兰通过螺钉固定；所述轮体和电机转子与所述轴承组件的外圈旋转部固定连接。

进一步的，所述下壳体径向两端各有一凸耳，所述凸耳与所述下壳体为一体化结构；所述凸耳通过螺钉分别与所述驱动端主轴和传感端主轴固定连接。

进一步的，所述光电编码器包括：线路板、动光栅和静光栅；所述动光栅安装于所述静光栅上方，与所述传感端主轴端部连接；所述静光栅与传感端支撑框架连接；所述线路板通过支撑螺柱安装于所述动光栅上方，并与传感端支撑框架连接；所述动光栅位于所述线路板和静光栅之间。

进一步的，所述动光栅采用玻璃材质制成，具有9级粗、精不同交错栅道，其中所述精栅道精度为21位。

进一步的，所述静光栅包括内置光源、基座和玻璃光栅，调整所述基座与所述动光栅的轴向间隙；所述静光栅通过所述内置光源照射出平行光，通过所述动光栅不同栅道照射到所述线路板上的光敏器件上，通过解算粗、精栅道信息从而得到所述外框的绝对角度位置。

进一步的，所述力矩电机为永磁交流伺服同步电机。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明中采用高精度绝对式光电编码器作为外框测角传感器，精码21位，角度测量精度优于10角秒，精度分辨率可达0.6角秒，精度较高；本发明中采用的高精度绝对式光电编码器采用玻璃材质作为光栅可以有效的避免控制力矩陀螺内部电机等磁干扰，实现高精度位置输出。同时绝对式光电编码器重量不超过200g，含线路重量不超过350g，包络尺寸不超过φ110mm×15mm，具有重量轻体积小的优点，有益于控制力矩陀螺产品的轻量化设计。本发明中控制力矩陀螺动量轮两端凸耳和支撑框架采用一体加工的方式保证同轴度，从而保证外框轴系的装配精度，并采用高精度带预载的角接触球轴承支撑旋转，保证产品高精度旋转。本发明中支撑框架采用新型轻质合金材料，并在结构设计上优化添加柱面构造加强筋，在保证产品刚度的前提下，实现大包络结构零件的轻量化设计。本发明中控制力矩陀螺采用框架式外框支撑形式，整机固频较高，能够适应更恶劣的力学环境使用需求。本发明中高精度外框轴系采用一体加工保证精度，同时采用销钉保证装配精度。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种控制力矩陀螺的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种控制力矩陀螺的动量轮的剖面立体结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的一种控制力矩陀螺的绝对式光电编码器的剖面结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，本实施例提供的一种控制力矩陀螺，包含：动量轮10，外框架***20、力矩电机30以及光电编码器40，在本实施例中，所述光电编码器40为绝对式光电编码器。

所述外框架***20包括外框200，分别固定在所述外框200两侧的驱动端支撑框架201和传感端支撑框架201’，精密轴承202，驱动端主轴203以及传感端主轴204，所述驱动端主轴203通过所述精密轴承202安装在所述驱动端支撑框架201上，所述传感端主轴204通过所述精密轴承202安装在所述传感端支撑框架201’上。所述驱动端支撑框架201和传感端支撑框架201’分别与卫星固定连接，用于将所述控制力矩陀螺固定在所述卫星上。

所述动量轮10位于所述外框200中心处，所述动量轮10的一端与所述驱动端轴203固定连接，所述动量轮10的另一端与所述传感端轴204固定连接，所述动量轮10用于产生恒定不变的角动量H并随所述外框200旋转。

所述力矩电机30位于驱动端支撑框架201内部，为所述外框架***20提供驱动力。所述力矩电机30包括力矩电机转子301和力矩电机定子302；所述力矩电机转子301与所述驱动端主轴203连接，所述力矩电机定子302套置在所述力矩电机转子301外侧，且所述力矩电机定子302与所述驱动端支撑框架201固定连接。所述力矩电机转子301和力矩电机定子302为外框200旋转提供所需高精度平稳力矩。所述力矩电机30为永磁交流伺服同步电机。

所述光电编码器40安装于所述传感端主轴204上，用于作为外框200的测角传感器，采集所述外框200的绝对位置测量信息，与所述力矩电机30形成闭环控制，迫使角动量矢量方向指向快速(角速度ω)变化，产生输出力矩T＝H×ω，并通过所述驱动端支撑框架201和传感端支撑框架201’刚性传递给所述卫星，从而实现对所述卫星进行敏捷机动和高精度指向控制。

具体的，如图2所示，所述动量轮10进一步包括：上壳体101、轮体102、电机转子103、轴承组件104、下壳体105、电机定子106以及凸耳107。

所述轴承组件104设有外圈旋转部和内圈轴承部以及分别与所述上壳体101连接的固定部和所述下壳体105连接的固定法兰(图2中未标出)；所述轮体102、电机转子103、电机定子106与轴承组件104同轴设置；所述轮体102和电机转子103通过螺钉与所述轴承组件104的外圈旋转部固定连接，所述电机转子103上设有定子容置槽，所述电机定子106的一端位于所述定子容置槽内部，其另一端与所述下壳体105固定连接。

所述轮体102通过电机定子106和电机转子103的相互作用高速旋转，产生角动量H。其中，所述轴承组件104的固定法兰通过螺钉与所述下壳体105固定连接，所述上壳体101与所述轴承组件104的固定部螺纹固定，所述上壳体101与下壳体105焊接，将所述轮体102、电机转子103、电机定子106与轴承组件104密封，使得所述轮体102、电机转子103、电机定子106与轴承组件104处于真空运行环境中，电机转子103、电机定子106为恒定高速转动的动量轮的执行部件；轮体102用于提供角动量所需的转动惯量；所述轴承组件104用于支撑轮体102。所述下壳体105径向两端各有一凸耳107，凸耳107通过一体加工来保证同轴度和垂直度，保证控制力矩陀螺的外框200的装配精度。下壳体105外部和上壳体101内部设计加强筋，保证产品刚度。

具体的，下壳体105的凸耳107通过螺钉分别与外框架***20的驱动端主轴203和传感端主轴204固定在一起。其中，驱动端主轴203和传感端主轴204具有较高的加工精度，驱动端支撑框架201和传感端支撑框架201’通过一体加工保证同轴度等加工精度，从而保证控制力矩陀螺外框200的装配精度。

如图3所示，所述光电编码器40包括：线路板401、动光栅402和静光栅403；所述动光栅402安装于所述静光栅403上方，与所述传感端主轴204端部连接，具体的，所述动光栅402通过螺钉和胶剂与传感端主轴204固定连接；所述动光栅402采用光学性能良好的玻璃，并在其上刻粗精栅道，所述动光栅402具有9级粗、精不同交错栅道，其中精栅道精度可达21位。

所述静光栅403与传感端支撑框架201’连接，所述动光栅402位于所述线路板401和静光栅403之间，所述静光栅403由基座和玻璃光栅组成，并通过研磨基座调整与动光栅402的轴向间隙；线路板401通过支撑螺柱安装于动光栅402上方，并与传感端支撑框架201’连接。静光栅403通过内置光源照射出平行光，通过动光栅402不同栅道照射到线路板401上的光敏器件上，由粗、精栅道信息解算从而精确测量外框的绝对角度位置，角度测量精度优于10角秒、精度分辨率可达0.6角秒。高精度绝对式光电编码器40为外框架***20的高精度传感器部件，是实现控制力矩陀螺高精度转速及位置控制的保障。

综上所述，本发明的所述动量轮用于提供恒定的角动量。所述外框架***用于支撑所述动量轮，并提供与卫星安装的固定接口，力矩电机用于驱动所述外框架***的大力矩输出和低速平稳转动。所述光电编码器用于测量所述外框架***的外框角度的绝对位置。在控制力矩陀螺机动情况下产生整星快速机动所需的高精度力矩，并通过角动量方向的精确控制实现与整星的高精度角动量交换。本发明的控制力矩陀螺采用绝对式光电编码器实现高精度的外框控制，提高了对所述控制力矩陀螺高力矩的控制精度，满足了敏捷卫星的高指向精度的需求。

具体的，采用的高精度绝对式光电编码器作为外框测角传感器，精码21位，角度测量精度优于10角秒，精度分辨率可达0.6角秒，精度较高；本发明中采用的高精度绝对式光电编码器采用玻璃材质作为光栅可以有效的避免控制力矩陀螺内部电机等磁干扰，实现高精度位置输出，实现外框最低转速0.01°/s、转速稳定度优于0.005°/s的低速高精度控制，适合于敏捷卫星的应用。同时绝对式光电编码器重量不超过200g，含线路重量不超过350g，包络尺寸不超过φ110mm×15mm，具有重量轻体积小的优点，有益于控制力矩陀螺产品的轻量化设计。本发明中控制力矩陀螺动量轮两端凸耳和支撑框架采用一体加工的方式保证同轴度，从而保证外框轴系的装配精度，并采用高精度带预载的角接触球轴承支撑旋转，保证产品高精度旋转。本发明中支撑框架采用新型轻质合金材料，并在结构设计上优化添加柱面构造加强筋，在保证产品刚度的前提下，实现大包络结构零件的轻量化设计。本发明中控制力矩陀螺采用框架式外框支撑形式，整机固频较高，能够适应更恶劣的力学环境使用需求。本发明中高精度外框轴系采用一体加工保证精度，同时采用销钉保证装配精度。

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。

Claims (6)

1.一种控制力矩陀螺，其特征在于，包含：动量轮，外框架***、力矩电机以及光电编码器，

所述外框架***包括外框、分别固定在所述外框两侧的驱动端支撑框架和传感端支撑框架、精密轴承、驱动端主轴以及传感端主轴；

所述驱动端主轴通过所述精密轴承安装在所述驱动端支撑框架上；

所述传感端主轴通过所述精密轴承安装在所述传感端支撑框架上；

所述驱动端支撑框架和传感端支撑框架分别与卫星固定连接，用于将所述控制力矩陀螺固定在所述卫星上；

所述动量轮位于所述外框中心处，所述动量轮的一端与所述驱动端轴固定连接，所述动量轮的另一端与所述传感端轴固定连接，所述动量轮用于产生恒定不变的角动量H并随所述外框旋转；

所述力矩电机位于驱动端支撑框架内部，为所述外框架***提供驱动力；

所述光电编码器安装于所述传感端主轴上，作为所述外框的测角传感器，采集所述外框的绝对位置测量信息，与所述力矩电机形成闭环控制，迫使角动量矢量方向指向角速度ω变化，产生输出力矩T＝H×ω，并通过所述驱动端支撑框架和传感端支撑框架刚性传递给所述卫星，实现对所述卫星进行敏捷机动和指向控制；

所述力矩电机包括：力矩电机转子和力矩电机定子；所述力矩电机转子与所述驱动端主轴连接，所述力矩电机定子套置在所述力矩电机转子外侧，且所述力矩电机定子与所述驱动端支撑框架固定连接；所述力矩电机转子和力矩电机定子为所述外框的旋转提供平稳力矩；

所述光电编码器包括：线路板、动光栅和静光栅；所述动光栅安装于所述静光栅上方，与所述传感端主轴端部连接；所述静光栅与传感端支撑框架连接；所述线路板通过支撑螺柱安装于所述动光栅上方，并与传感端支撑框架连接；所述动光栅位于所述线路板和静光栅之间；

所述静光栅包括内置光源、基座和玻璃光栅，调整所述基座与所述动光栅的轴向间隙；所述静光栅通过所述内置光源照射出平行光，通过所述动光栅不同栅道照射到所述线路板上的光敏器件上，通过解算粗、精栅道信息从而得到所述外框的绝对角度位置。

2.如权利要求1所述的控制力矩陀螺，其特征在于，

所述动量轮包括：上壳体、轮体、电机转子、轴承组件、下壳体以及电机定子；

所述轮体、电机转子、电机定子与轴承组件同轴设置，所述轴承组件用于支撑轮体、电机转子和电机定子；

所述轮体和电机转子与所述轴承组件固定连接；

所述电机转子上设有定子容置槽，所述电机定子的一端位于所述定子容置槽内部，其另一端与所述下壳体固定连接；

所述轮体通过电机定子和电机转子的相互作用高速旋转，产生所述恒定的角动量H；

所述轴承组件的两端分别与所述上壳体和下壳体固定连接；

所述上壳体与下壳体焊接密封，使得所述轮体、电机转子、电机定子与轴承组件处于真空运行环境中。

3.如权利要求2所述的控制力矩陀螺，其特征在于，

所述轴承组件包括：外圈旋转部和内圈轴承部以及分别与所述上壳体连接的固定部和所述下壳体连接的固定法兰；所述上壳体与所述轴承组件的固定部通过螺纹固定；所述下壳体与所述轴承组件的固定法兰通过螺钉固定；所述轮体和电机转子与所述轴承组件的外圈旋转部固定连接。

4.如权利要求3所述的控制力矩陀螺，其特征在于，

所述下壳体径向两端各有一凸耳，所述凸耳与所述下壳体为一体化结构；

所述凸耳通过螺钉分别与所述驱动端主轴和传感端主轴固定连接。

5.如权利要求1所述的控制力矩陀螺，其特征在于，

所述动光栅采用玻璃材质制成，具有9级粗、精不同交错栅道，其中所述精栅道精度为21位。

6.如权利要求1所述的控制力矩陀螺，其特征在于，所述力矩电机为永磁交流伺服同步电机。

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