阅读说明：本技术 一种动量轮低转速下融合控制电压的高精度转速测量方法 (High-precision rotation speed measurement method for fusion control voltage of momentum wheel at low rotation speed ) 是由 王晋鹏 赵江涛 陈超 关宏 陆栋宁 雷拥军 施海燕 黄碳钢 于 2020-04-24 设计创作，主要内容包括：一种动量轮低转速下融合控制电压的高精度转速测量方法,通过动量轮控制电压信号和动量轮模型来预估动量轮的转速,并将预估转速与实际采集动量轮转速进行融合处理,同时通过优化算法,以提高动量轮低转速区的转速采集精度,解决了传统光电码盘测量动量轮转速在低转速情况下有较大误差和时延、容易导致动量轮摩擦力矩前馈补偿不准确的问题,方法流程清晰,测量精度高。(A high-precision rotation speed measuring method for fusion control voltage of a momentum wheel at low rotation speed includes predicting rotation speed of the momentum wheel through a momentum wheel control voltage signal and a momentum wheel model, fusing the predicted rotation speed and actual collected rotation speed of the momentum wheel, and improving rotation speed collection precision of a low rotation speed area of the momentum wheel through an optimization algorithm.)

一种动量轮低转速下融合控制电压的高精度转速测量方法

技术领域

本发明涉及一种动量轮低转速下融合控制电压的高精度转速测量方法，属于航天器姿态控制领域。

背景技术

动量轮是卫星姿态控制系统的关键执行元件。目前国内外的动量轮多数采用电磁力矩控制或称电流控制模式,即根据动量轮的电压-力矩特性，输入特定的控制电压来获取控制力矩。采用电磁力矩控制的动量轮无法克服摩擦干扰力矩,实质上将飞轮内部的干扰力矩引入卫星姿态控制系统，直接导致卫星姿态控制精度下降。为此可进行方案优化，通过采集动量轮当前的转速，再利用动量轮转速与摩擦力矩的关系，通过前馈方式对摩擦力矩进行补偿，以降低对卫星姿态控制的影响。

动量轮通常采用光电码盘输出转速脉冲供星载计算机采集，动量轮转动一圈产生多个脉冲，若动量轮转速及星载计算机采集频率固定，则每个周期内星载计算机采集的动量轮脉冲数可求，通过同时采集转速脉冲的上升/下降沿的情况下，可以得到星载计算机一个周期内脉冲数误差，由此确定采集的动量轮转速与实际转速误差，若改变动量轮转速采集频率，计算得到的转速脉冲频率会发生变化，容易导致每个转动周期采集的动量轮转速为0，也可能为接近的准确值，波动范围过大，会导致力矩补偿不准确。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统光电码盘测量动量轮转速在低转速情况下有较大误差和时延、容易导致动量轮摩擦力矩前馈补偿不准确的问题，提出了一种动量轮低转速下融合控制电压的高精度转速测量方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种动量轮低转速下融合控制电压的高精度转速测量方法，步骤如下：

(1)获取动量轮初始参数，所述动量轮初始参数包括：动量轮电压-力矩特性参数C_{V_T}、动量轮转速-摩擦力矩特性参数T_fric、动量轮初始转速ω_init、动量轮转动惯量J_mw；

(2)动量轮开始转动后，实时采集当前转动周期内动量轮转速；

(3)对步骤(2)所得动量轮转速进行加权处理，获取当前转动周期加权后动量轮转速；

(4)根据当前转动周期加权后动量轮转速及动量轮控制电压预估下一转动周期动量轮预估转速。

所述步骤(1)中，动量轮转速-摩擦力矩特性参数T_fric表述方法具体为：

式中，T_c为库伦摩擦力矩，T_s为最大静摩擦力矩，ω_s为边界润滑临界转速，σ₂为粘滞摩擦系数。

所述步骤(2)中，当前转动周期内动量轮转速采集受采集脉冲数影响，具体为：

式中，M为动量轮转动一圈产生的脉冲数，ω_collect为当前转动周期内动量轮转速，ΔT为星载计算机控制转动周期时长。

所述步骤(3)中，当前转动周期加权后动量轮转速的获取方法如下：

ω_weighting＝k(ω_collect)ω_collect+[1-k(ω_collect)]ω_est

式中，ω_weighting是当前转动周期加权后动量轮转速，ω_est是上个转动周期预估的当前转动周期动量轮预估转速，k(ω_collect)为当前转动周期动量轮转速加权系数，ω_{low_lim}为加权系数下限转速，当采集的转速低于该转速时ω_weighting直接等于ω_est，ω_{high_lim}为加权系数上限转速，当采集的转速高于该转速时ω_weighting直接等于ω_collect。

所述步骤(4)中，下一转动周期动量轮预估转速ω_est'的预估方法如下：

ω_est'＝ω_weighting+(V_outputC_{V_T}-T_fric)ΔT/J_mw

式中，V_output为星载计算机给动量轮的控制电压，其中，计算完毕后，利用当前转动周期的下一转动周期动量轮预估转速ω_est'对ω_est进行更新以获取下一转动周期内的当前转动周期动量轮预估转速。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种动量轮低转速下融合控制电压的高精度转速测量方法，通过动量轮控制电压信号和动量轮模型来预估动量轮的转速，并将预估转速与实际采集动量轮转速进行融合处理，以提高动量轮低转速区的转速采集精度，解决了传统光电码盘测量动量轮转速在低转速情况下有较大误差和时延、容易导致动量轮摩擦力矩前馈补偿不准确的问题；

(2)本发明采用的动量轮低转速下融合控制电压的高精度转速测量方法，可以降低动量轮低转速下的转速测量误差，同时通过优化后的算法，能够提高卫星前馈力矩补偿的精度，降低动量轮过零时的干扰力矩，提高卫星的稳定性。

附图说明

图1为发明提供的动量轮摩擦力矩与转速关系曲线图；

图2为发明提供的转速测量方法流程示意图；

图3为发明提供的动量轮转速与转速误差示意图；

具体实施方式

一种动量轮低转速下融合控制电压的高精度转速测量方法，首先通过获取动量轮初始参数，再对当前周期动量轮转速进行实测，对实测后的转速进行加权计算并预估下一转动周期的预估转速，已达到对每个转动周期动量轮转速进行预测的效果，如图2所示，具体步骤如下：

(1)获取包括量轮电压-力矩特性参数C_{V_T}、动量轮转速-摩擦力矩特性参数T_fric、动量轮初始转速ω_init、动量轮转动惯量J_mw在内的动量轮初始参数，其中：

其中动量轮转速-摩擦力矩特性可以用精细的LuGre模型来描述，也可用简化的分段线性拟合描述。在精度允许的情况下，星上为实现方便可以若采用分段拟合描述，此时仅需用4个静态参数，包括库伦摩擦力矩T_c、最大静摩擦力矩T_s、边界润滑临界转速ω_s、粘滞摩擦系数σ₂进行描述即可；

动量轮转速-摩擦力矩特性参数T_fric表述方法具体为：

式中，T_c为库伦摩擦力矩，T_s为最大静摩擦力矩，ω_s为边界润滑临界转速，σ₂为粘滞摩擦系数；

(2)动量轮开始转动后，实时采集当前转动周期内动量轮转速，当前转动周期内动量轮转速采集受采集脉冲数影响，具体关系为：

式中，M为动量轮转动一圈产生的脉冲数，ω_collect为当前转动周期内动量轮转速，ΔT为星载计算机控制转动周期时长；

(3)对步骤(2)所得动量轮转速进行加权处理，获取当前转动周期加权后动量轮转速；

当前转动周期加权后动量轮转速的获取方法如下：

ω_weighting＝k(ω_collect)ω_collect+[1-k(ω_collect)]ω_est

式中，ω_weighting是当前转动周期加权后动量轮转速，ω_est是上个转动周期预估的当前转动周期动量轮预估转速，k(ω_collect)为当前转动周期动量轮转速加权系数，ω_{low_lim}为加权系数下限转速，当采集的转速低于该转速时ω_weighting直接等于ω_est，ω_{high_lim}为加权系数上限转速，当采集的转速高于该转速时ω_weighting直接等于ω_collect。，其中：

考虑动量轮转速采集误差具有如下特性：高转速时误差小，低转速时误差大，因此上式中k(ω_collect)可设计与动量轮转速为正比例关系，即动量轮转速越高，ω_collect占比越高，ω_theory占比越低；反之ω_collect占比越低，ω_est占比越高。k(ω_collect)可以设计为与动量轮转速采集误差相关的函数；

(4)根据当前转动周期加权后动量轮转速及动量轮控制电压预估下一转动周期动量轮预估转速，其中：

下一转动周期动量轮预估转速ω_est'的预估方法如下：

ω_est'＝ω_weighting+(V_outputC_{V_T}-T_fric)ΔT/J_mw

式中，V_output为星载计算机给动量轮的控制电压，其中，计算完毕后，利用当前转动周期的下一转动周期动量轮预估转速ω_est'对ω_est进行更新以获取下一转动周期内的当前转动周期动量轮预估转速；

当步骤(3)已经通过计算得到ω_est后，通过对下个周期的ω_est'进行计算，可以在下个周期内，用ω_est'替代更新ω_est，使每个转动周期中的ω_est都可以计算控制。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

如图1所示，动量轮的摩擦力矩并非线性且在低转速时变化更大，尤其当动量轮转速过零时摩擦力矩更是发生了符号的变化。因此要求对动量轮转速测量必须准确，否则转速测量不准确时前馈补偿反倒会引入新的干扰。尤其在动量轮转速过零时若转速测量有延迟或不准确，由于摩擦力矩存在符号切换，可能引起2次的干扰。

动量轮通常采用光电码盘输出转速脉冲供星载计算机采集，动量轮转动一圈产生n个脉冲(n通常为24或36)。因此，若动量轮转速为xRPM，星载计算机采集频率为yHz，则每个周期内星载计算机采集的动量轮脉冲数为：

通过同时采集转速脉冲的上升/下降沿的情况下，星载计算机一个控制周期内脉冲数误差最大可视为±1/2脉冲，即采集的动量轮转速脉冲数为因此采集的动量轮转速与实际转速x

且若动量轮转速采集频率为8Hz，容易计算得到转速为10RPM时转速脉冲频率为4Hz，此时每个采集周期采集得动量轮转速可能为0RPM，也可能为8RPM，存在较大的波动与实际有较大波动，因此力矩补偿必定不准确。

而在本实施例中，选取了1600个转动控制周期时间长度内的动量轮进行测量计算，任一周期的测量数据如下表：

如图3所示，图中共有3条曲线，从上往下依次是动量轮理论转速、加权后转速误差和采集转速误差。加权后转速误差＝加权转速-理论转速，采集转速误差＝采集转速-理论转速。图中动量轮理论转速一开始0开始向正向增加，到2500RPM后逐步减速到0后再反向加速，到-2500RPM后又减速。从图中可以看出，当动量轮处于高转速时，加权后转速误差与采集转速误差相当；但当动量轮处于低转速时，加权后采集误差明显小于采集转速误差。

由此可见，采取本发明所述方法进行测量时，可以降低动量轮低转速下的转速测量误差，提高卫星前馈力矩补偿的精度，降低动量轮过零时的干扰力矩，提高卫星的姿态稳定性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。