文档介绍：工学硕士学位论文

控制力矩陀螺系统伺服控制研究

STUDY ON THE SERVO-CONTROL OF CONTROL
MOMENT GYRO SYSTEM

张佳为

哈尔滨工业大学

2010年6月
国内图书分类号:TM351 学校代码:10213
国际图书分类号: 密级:公开

工学硕士学位论文

控制力矩陀螺系统伺服控制研究

硕士研究生: 张佳为
导师: 赵辉副教授
申请学位: 工学硕士
学科、专业: 控制科学与工程
所在单位: 控制与仿真中心
答辩日期: 2010年6月
授予学位单位: 哈尔滨工业大学
Classified Index: TM351
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Dissertation for the Master Degree in Engineering

STUDY ON THE SERVO-CONTROL OF
CONTROL MOMENT GYRO SYSTEM

Candidate: Zhang Jiawei
Supervisor: Associate Prof. Zhao Hui
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Control Science and Engineering
Affiliation: Control and Simulation Center
Date of Defence: June,2010
Degree Conferring Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要

本论文以航天器姿态控制应用为课题背景,分析了控制力矩陀螺(CMG)
伺服系统中,飞轮子系统高转速下稳速精度要求高,框架低转速下速率精度
和平稳性要求高的特点,对 CMG 伺服系统中飞轮子系统与框架伺服系统进
行了相应的控制分析,并设计实现了锁相环稳速系统。
首先,本论文建立了 CMG 飞轮子系统数学模型,分析对比了 PID、积
分分离法与锁相环(PLL)控制方法,结合 PLL 稳速系统的实现,进行了系统
设计与仿真。仿真分析表明锁相环控制采用 10 状态鉴频检相器的控制性能
显著优于 3 状态鉴频检相器锁相环。
其次,基于 Stribeck 摩擦模型,分析了摩擦力矩对 CMG 系统框架控制
的影响,对于两种低速性能的补偿方法——高频振颤补偿方法与锁相环低速
调速控制方法进行了可行性与有效性分析。
随后,本文设计实现了锁相环控制系统,以 10 状态流的专用锁相环芯
片 UC3633 为核心,以 TL494 芯片实现 PWM 信号生成与限流,以 CPLD—
EPM7064S 实现换向等逻辑控制。实际系统的运行实验验证了所设计的系统
功能均良好实现。
最后,依据飞轮稳速系统的设计参数,进行了飞轮系统的稳速实验,在
试验的两个转速设置点,锁相环电路稳速精度优于 %。同时根据实验现
象,提出了锁相环飞轮稳速控制系统实现的改进建议。

关键词控制力矩陀螺;飞轮;框架;锁相环;振颤补偿;
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哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract

Taking the background of the applications of spacecraft attitude control, the
control moment gyro (CMG) servo system was analyzed in this thesis. For the
features that the flywheel subsystem need high steady, high-precision speed
control; frame run in low speed, require for high steady, high-precision speed
control, corresponding control method was presented to control the flywheel and
frame servo system. The traditional PID a