● 摘要
小卫星具有体积小、重量轻、研制和发射成本低、研制周期短等优点，以及高新技术含量高、技术集成度高和功能密度大等特点，这些优点和特点日益得到重视，小卫星的发展已成为最活跃、最富于挑战性的空间技术领域。基于三轴稳定动量轮姿态控制技术是卫星平台姿态高精度控制的关键技术之一，其中的微小飞轮的研究也在日益发展。本文结合国家科研重点专项，以微小飞轮为主要研究对象，针对飞轮小型化和电机高精度控制关键技术开展研究，进行了相关理论分析，搭建了系统平台并进行了相关验证，主要的研究工作包括：1、进行了总体结构设计，通过模态的分析和研究，研制了一种小体积、轻质量、集成化的微小飞轮样机。2、针对机械轴承反作用飞轮摩擦力矩对输出力矩精度的影响，提出了一种基于速率补偿的力矩模式的控制方法，实现了正向加速、正向减速、反向加速、反向减速的四象限高精度稳定的转速跟踪控制，实验结果表明，飞轮力矩输出精度比补偿前提高了一个量级。3、针对满足微小飞轮在空间使用环境下高精度、高可靠性需求，以一片FPGA（FLEX10K40）作为控制器，完成了微小飞轮控制器的硬件实现，包括核心控制器、驱动模块和功率模块、取样电阻及运放模块、A/D模块、转速测量模块及串口模块等单元，该硬件电路满足微小飞轮集成化、小型化的要求。4、实现了微小飞轮控制系统软件算法，包括转速测量，电流环运算，A/D采样控制，力矩补偿器，异步串口，换相逻辑六个软件模块。首先给出了软件控制算法流程，并对控制算法模块作了着重介绍，该系统灵活地实现了各种时序逻辑功能，改善控制过程中的动态响应。试验结果表明，该系统运算速度快、控制精度高。5、最后测试了微小飞轮系统的性能，测试结果表明微小飞轮的各项性能指标满足设计要求。