太阳帆板驱动装置建模及其驱动控制研究
第36卷第2期
2010年4月
空间控制技术与应用
AerospaceControlandApplication-13?
太阳帆板驱动装置建模及其驱动控制研究
斯祝华，刘一武，黎康
非常好听的音乐(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.空间智能控制技术国家级重点实验室，北京100190)
摘要：综述了国内外太阳帆板驱动装置(SADA,solararraydriveassembly)建模
波动力矩，数学仿真和实验测试结果表明，模型具有一定的准确性和精确性.为
提高帆板驱动性能，给出了两种可行的电流补偿方法，数学仿真结果表明两种补偿方法能大大改善帆板驱动平稳度.
关键词:SADA；建模；电流补偿
中图分类号:V448文献标识码:A
文章编号:1674.1579(2Ol0)O2-0013-07 ResearchonModelingandDriverDesignofSolarArrayDriveAssembly
SIZhuhua一,LIUYiwu一,LIKang'
(J.BeringInstituteofControlEngineering,BeOing100190,China;
2.NationalICe)LaboratoryofScienceandTechnologyonSpaceIntelligentControl,Beifing 100190,China)
Abstract:Domesticandoverseascorrespondingmodelingresearchonsolararraydriveasse mbly(SADA)
aresummarizedinthispaper.Uponthisworkaquitesystemicmodelisestablished,takingsuch issuesas
motordriver,motormodel,mechanismandloadcharacteristicsintoaccountwiththeemphasi sonfriction
andmotorrippletorquemodeling.Simulationandexperimenttestresultsvalidaterealityand accuracyof
thismode1.Inordertoimprovethesolararraydrivingperformance,twokindsoffeasiblecurre ntcompen—
sationmethodsaredesigned,andsimulationresultsdemonstratethatthetwostrategiescangr eatlyim—
provethespeedstabilit.
vofsolararray.
Keywords:SADA;modeling;currentcompensation
卫星在轨运行期间，为保证星上能源供应，太阳
电池帆板需在SADA作用下相对星体转动跟踪太
阳.南于步进电机定位精度高，无累计误差，长期运
行时平均速率稳定度高，再加上驱动线路简单，易开
环控制，因而在SADA中得到广泛应用.
国际上SADA的开发和应用起步早，很多国家
都研制了自己的驱动机构，主要生产厂商有：美国
MOOG，法国SEP,CNES，德法DORNIER，德国TEL—
DIX，英国BAe，加拿大SPAR，印度ISRO,13本东芝
和俄罗斯萨马拉专门设计局等.中国从20世纪80
年代开展太阳帆板驱动机构的基础研究，目前国内
研制单位有北京控制工程研究所和上海宇航系统]二
程研究所.
尽管国内外SADA研制厂商较多，但有关SA—
DA驱动建模的研究文献较少，不过大量文献都指
出了影响SADA驱动性能的两个重要因素——摩擦
力矩和电机谐波力矩.CNES在设计SPOT卫星SA—
有什么好看的三级片DA时曾指出，帆板转速波动是由滚珠轴承，导
电滑环组件的摩擦力矩噪声以及电机的不完美引起
的干扰力矩造成的.SPAR公司通过实验测试表
收稿日期:201O_ol_l8
作者简介：斯祝华(1986一)，男，安徽人，硕士研究生，研究方向为航天器姿态控制(e —mail:******************)
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明SADA驱动速度的变化，电机摩擦都影响到电机
的平稳性，甚至是帆板的不连续运动.ISRO则花了
大量精力研究高性能低谐波力矩步进电机，以改
善驱动平稳性.
现已公开发表的SADA模型多是从某一方面来
描述帆板驱动.DORNIER公司曾采用SADA简化
模型来分析驱动特性，该模型没有考虑电机工作方
式及动态过程，认为电机驱动力矩只有基频分量，对斯斯与帆
摩擦力矩描述也极为简化.MOOG公司则完全从
机构运动角度建立了SADA模型，用4个微分方程
来描述卫星本体俯仰角，电机转子转角，谐波齿轮输
出轴转角和帆板转角间的动力学方程.巴西空间研
究院所建模型考虑了较为复杂的步进电机方程,
用3个自由度描述SADA机构运动，但是模型没有
介绍电机控制，对摩擦描述也不够深入，而且太阳帆
闽南语板为刚性结构.文献[9]引述的中国某卫星帆板驱
动模型则是在DORNIER模型基础上，稍加了对摩
擦的详细描述.文献[10]则是用神经网络优化方
法，跳过物理建模过程，通过反复训练测试网络以达希腊女星
到建模目的.北京控制工程研究所对SADA数学建
模缺乏深入研究，当前采用的SADA模型只考虑电
中秋节高速公路免费吗2022机基频输出力矩,4次谐波定位力矩以及库仑摩擦
力矩，没有考虑与负载的耦合作用.
由于步进电机模型复杂,SADA处于低速运转
状态，加上步进电机受脉冲控制，动态响应差，通常
在帆板驱动的同时，帆板转速存在明显的波动，直接影响着卫星姿态.另外，卫星帆板多为挠性结构，帆
板驱动波动的同时，其挠性振动也会受激励，从而也给星体姿态造成影响.当前高分辨率成像卫星的
研制已提上了日程，这类卫星一般要求优于1×
10(.)/s的稳定度，因此有必要从模型角度研究
卫星姿态稳定度的重要干扰因素之一——SADA. 本文综合分析了现有模型的不足，从机电系统
角度建立了相对全面的SADA模型.该模型对影响SADA驱动平稳性的两个重要因素做了详细描述, 考虑了电机工作方式和电机控制.数学仿真和实验测试结果表明了模型的准确性和精确性.最后，针对现有SADA开环驱动不足，在电流补偿方面做了初步探索，数学仿真结果表明帆板驱动平稳性得到较大的改善.
1SADA建模
SADA可分为直接驱动型和间接驱动型，这里
只针对直接驱动型，但建模思想可推广应用于间接驱动型.直接驱动型SADA包括驱动电机，导电环, 角位置传感器，机构结构本体以及驱动线路等.驱动电机为300齿两相混合式步进电机，按双四拍方式运转，功率放大器为PWM，采用正余弦电流细分电路驱动.采取转角转速开环，电流闭环控制方式驱动, 指令脉冲数控制帆板转角，脉冲频率控制帆板转速. 本文建模旨在重点描述SADA驱动的几个重要
环节，包括步进电机，摩擦力矩，波动力矩和机构动
力学.
1.1步进电机模型
步进电机发展至今已有近一个世纪，也涌现了
各种模型，不考虑电机绕组磁滞，磁饱和等现象，两相混合式步进电机模型包括电压平衡方程，电机力矩方程和机械运动方程¨，描述如下:
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(1a)
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Zi∑nLartSin(nZ)一
.
z∑nsin(一)一
2N
z∑4nLbnSin(4nZ)(2)
0=tO(3a)
:
÷(—一一Td)(3b)
式中:0,∞分别为电机输出轴转角和转速(即帆板转角和转速);L为绕组自感;M为绕组问互感;Z, 为电机转子齿数;R为绕组电阻;i,u为i相绕组
电流，电压(i=1,2);n为谐波阶次;T,T,T和
分别为电机电磁力矩，摩擦力矩，负载力矩和干
扰力矩;J为电机转轴转动惯量;i为假定的转子
励磁电流，它为一常值;L,L为相应阶次项
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