论文从发展现代小卫星(重量小于500Kg)的要求出发,引用了利用动量飞轮组成的集成化储能与姿态控制系统来代替卫星现有的蓄电池储能+飞轮姿态控制系统,从而提高了卫星的使用寿命、减轻了卫星的质量、减小了卫星的体积并降低了发射成本。 系统地论述了利用飞轮同时完成储能与姿态控制方案的可行性、研究意义、国内外的发展现状和趋势。综述了飞轮储能与姿态控制系统的基本概念和工作原理,给出了能量与姿态同时可控的充要条件,以及三种基本的飞轮储能/姿态控制系统配置(三轴成对反转飞轮配置、“三正交—斜装”四飞轮配置和双“V型”四斜装飞轮配置)方案。 建立了由两反转飞轮组成的单轴飞轮储能/姿态控制的原理实验装置模型(包括:电动/发电机及其控制器、飞轮、DC总线、电载荷、单轴转台、充电时的电流控制器、放电时的电压控制器、姿态控制器和飞轮储能/姿态解耦控制器)。根据控制精度要求改进了飞轮转速检测电路;在两飞轮放电过程中,试制了可控恒流源电路来控制飞轮的放电速度及调节气浮转台姿态。 对飞轮支架进行了共振模态分析,对真空装置进行了静力学分析:对钛合会和碳纤维两种飞轮负载下的电机系统进行了极限转速实验:测试了飞轮系统分别在真空与空气环境下的转速与驱动电流的关系:对碳纤维飞轮进行了动平衡实验。试制了两反转飞轮(碳纤维飞轮)组成的单轴飞轮储能/姿态控制系统的实验装置,测试了两飞轮在真空环境下的极限转速、转速和控制电压的关系以及系统的频率响应特性。 对单轴飞轮储能与姿态控制进行了解耦,设计了姿态控制器和DC总线控制器,建立了系统的计算机仿真模型。利用Matlab软件下的SIMULINK对其进行了仿真研究,仿真结果表明可以利用两个飞轮集成储能和单轴转台姿态控制,即:系统在充电模式下,对飞轮储能的同时能够实现转台姿态的控制:系统在放电模式下,完成DC总线电压调节的同时能够实现转台姿态的控制。在系统仿真模型的基础上,在充、放电模式下,利用SIMULINK对转台姿态和DC总线电压在单位阶跃输入和单位斜坡输入信号作用下的误差响应进行了仿真,通过仿真结果发现了提高系统控制精度的方法(如在允许范围内提高系统的增益)。 通过实验和仿真结果分析了系统存在的不足之处,提出了改进措施。本文认为磁轴承的应用和高速电动/发电机的研制是提高系统性能的关键技术,并建立了基于磁轴承支撑的永磁同步电动/发电机组成的新的系统的计算机仿真模型,对系统在充、