曹倩 石峰 王宇 徐彭梅

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空間高精度太陽跟蹤器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹倩 石峰 王宇 徐彭梅

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

文章通過對“高分五號”衛(wèi)星大氣環(huán)境紅外甚高光譜探測儀太陽跟蹤器的設(shè)計(jì)，探討了航天器高精度高穩(wěn)定度跟蹤指向技術(shù)，提出了一種撓性樞軸支撐、音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高精度跟蹤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。撓性樞軸傳動(dòng)環(huán)節(jié)無接觸摩擦，能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的軸系支撐；音圈電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、便于控制的優(yōu)點(diǎn)，適用于短行程快響應(yīng)的高精度閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，同時(shí)滿足航天產(chǎn)品輕質(zhì)、可靠的設(shè)計(jì)要求。跟蹤控制采用基于位置反饋的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)太陽粗跟蹤，結(jié)合圖像信息反饋的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)精跟蹤。通過仿真分析和試驗(yàn)測試，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)跟蹤精度可達(dá)0.065mrad、跟蹤穩(wěn)定度可達(dá)14.2μrad。該設(shè)計(jì)方法可為空間相似載荷的跟蹤、掃描系統(tǒng)提供借鑒。

跟蹤機(jī)構(gòu) 高精度 音圈電機(jī) 撓性樞軸 “高分五號”衛(wèi)星

0 引言

隨著航天遙感任務(wù)需求的不斷提升，航天器所攜帶的載荷設(shè)備越來越精密，相應(yīng)地對航天器指向精度、跟蹤穩(wěn)定度的要求也越來越高。國外現(xiàn)已有高精度、高穩(wěn)定度、高敏捷指向能力的天文衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、激光通信衛(wèi)星[1-2]；美國新一代“詹姆斯-韋伯空間望遠(yuǎn)鏡”（JWST），實(shí)現(xiàn)了指向精度優(yōu)于6.5″，0.1s內(nèi)指向穩(wěn)定度為1″[3-4]；NASA太陽系外行星探測計(jì)劃之一的主動(dòng)校正日冕儀（ACCESS）衛(wèi)星本體姿態(tài)控制指向精度要求優(yōu)于30″（偏航方向、俯仰方向、滾動(dòng)方向），穩(wěn)定度要求1 000s內(nèi)優(yōu)于0.1″[5]。中國“風(fēng)云三號”衛(wèi)星03星于2013年10月成功發(fā)射，太陽輻射監(jiān)測儀為其主要載荷之一，俯仰在軌跟蹤精度為0.029°，偏航在軌跟蹤精度為0.025°[6-7]。

大氣環(huán)境紅外甚高光譜探測儀是“高分五號”高光譜觀測衛(wèi)星的主載荷之一，采用太陽掩星的探測方式獲取經(jīng)大氣吸收的太陽輻射光，進(jìn)而對大氣進(jìn)行高光譜、高信噪比、寬波段范圍的精細(xì)探測，獲取不同高度大氣的成分和濃度分布。探測儀工作時(shí)需要對太陽質(zhì)心進(jìn)行非常精確的跟蹤，并將太陽入射光引入探測儀。

本文針對“高分五號”（GF-5）衛(wèi)星大氣環(huán)境紅外甚高光譜探測儀（以下簡稱紅外甚高探測儀）太陽跟蹤器，探討高精度太陽跟蹤器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，主要內(nèi)容包括機(jī)構(gòu)軸系支撐和驅(qū)動(dòng)、活動(dòng)部件鎖定、高精度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)等。

1 太陽跟蹤器系統(tǒng)概述

太陽相對于“高分五號”衛(wèi)星載荷為二維運(yùn)動(dòng)，因此太陽跟蹤器需要實(shí)現(xiàn)兩維擺動(dòng)，關(guān)鍵性能指標(biāo)要求如下：

1）通光口徑：≥168mm（長軸），≥136mm（短軸）；

2）跟蹤角度：–3.2°~3.2°（俯仰軸），–6.43°~6.43°（偏轉(zhuǎn)軸）；

3）鎖定狀態(tài)下機(jī)構(gòu)基頻：≥120Hz；

4）指向精度：優(yōu)于0.1mrad；

5）跟蹤穩(wěn)定度：100s內(nèi)優(yōu)于15μrad。

紅外甚高探測儀太陽跟蹤器的主要功能是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定精確的太陽質(zhì)心跟蹤，并將太陽光引入探測儀，是探測儀的關(guān)鍵組成。太陽跟蹤器由太陽跟蹤機(jī)構(gòu)、太陽跟蹤相機(jī)、太陽跟蹤控制器組成。太陽跟蹤相機(jī)的主要功能是為跟蹤控制器提供太陽圖像數(shù)據(jù)；太陽跟蹤機(jī)構(gòu)主要用于保證指向鏡的運(yùn)動(dòng)能力，并實(shí)現(xiàn)各零部件之間的位置保持功能；跟蹤控制器控制跟蹤機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)各種預(yù)定的動(dòng)作和功能，最終實(shí)現(xiàn)對日跟蹤。太陽跟蹤器組成如圖1所示，其工作原理為：首先跟蹤控制器根據(jù)給定的太陽矢量驅(qū)動(dòng)跟蹤機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)太陽粗跟蹤；然后太陽跟蹤相機(jī)獲取太陽圖像，并將圖像數(shù)據(jù)傳輸至跟蹤控制器；跟蹤控制器根據(jù)太陽圖像數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)太陽跟蹤機(jī)構(gòu)完成太陽精跟蹤，同時(shí)將太陽光線引入探測儀。

圖1 太陽跟蹤器系統(tǒng)組成

由上述關(guān)鍵性能指標(biāo)要求和系統(tǒng)工作原理可知，該太陽跟蹤器兩軸運(yùn)動(dòng)范圍要求均較小，但具有較高的指向精度和跟蹤穩(wěn)定度要求。太陽跟蹤相機(jī)自成體系，其輸出圖像數(shù)據(jù)作為太陽跟蹤控制器的輸入條件，由于篇幅有限，本文暫不討論太陽跟蹤相機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)理論和方法。重點(diǎn)圍繞機(jī)構(gòu)軸系精度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定度及指向控制精度展開分析，主要涉及機(jī)構(gòu)軸系支撐設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)器件選取、控制策略設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

2 跟蹤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

太陽跟蹤機(jī)構(gòu)是太陽跟蹤器的核心部分，用于保證指向鏡的運(yùn)動(dòng)能力和各零部件之間的位置保持，機(jī)構(gòu)的三維模型如圖2所示。指向鏡設(shè)計(jì)為四邊倒角的矩形，留出一定的加工塌邊量和裝調(diào)余量，最終長邊設(shè)計(jì)尺寸為178mm，短邊設(shè)計(jì)尺寸為146mm。太陽跟蹤機(jī)構(gòu)采用內(nèi)環(huán)俯仰和外環(huán)偏轉(zhuǎn)串聯(lián)的機(jī)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)形式可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)外環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的完全解耦，便于控制[8]。

2.1 支撐方式設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸系設(shè)計(jì)中多采用滾動(dòng)軸承作為結(jié)構(gòu)支撐部件，但滾動(dòng)軸承一般適用于軸系整周旋轉(zhuǎn)，或軸承中滾動(dòng)體整周旋轉(zhuǎn)且均勻受力的工況。當(dāng)軸系擺動(dòng)速度較低時(shí)滾動(dòng)軸承易產(chǎn)生爬移現(xiàn)象，將對系統(tǒng)精度產(chǎn)生較大影響[9-10]；且軸系運(yùn)動(dòng)范圍較小時(shí)，軸承中滾動(dòng)體在長期非整周受力情況下，壽命也會(huì)受到嚴(yán)重影響。

撓性樞軸是一種常用于航空、航天領(lǐng)域內(nèi)的高精密軸系支撐裝置[11]，其內(nèi)部由十字交叉片簧組成，片簧兩端分別連接在固定軸段和旋轉(zhuǎn)軸段，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。撓性樞軸工作時(shí)無接觸摩擦力或摩擦力矩，無需采用任何潤滑措施，軸系扭轉(zhuǎn)阻力矩僅與樞軸扭轉(zhuǎn)剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度相關(guān)，不受溫度、壓強(qiáng)等環(huán)境因素影響，特別適用于宇航環(huán)境中小擺角機(jī)構(gòu)的軸系支撐。

本文設(shè)計(jì)的太陽跟蹤機(jī)構(gòu)內(nèi)外環(huán)采用了撓性樞軸支撐方式，為避免樞軸在衛(wèi)星發(fā)射振動(dòng)環(huán)境及在軌長期工作過程中松動(dòng)，安裝樞軸時(shí)應(yīng)實(shí)施放松措施，本設(shè)計(jì)采用預(yù)壓放松。預(yù)壓防松時(shí)預(yù)壓量視樞軸大小、型號及其負(fù)載確定，通常限制范圍為0.01mm~0.02mm。計(jì)算樞軸承載安全系數(shù)時(shí)，需將預(yù)壓（0.01~0.02mm）產(chǎn)生的預(yù)壓力作為樞軸的負(fù)載考慮；同時(shí)軸系結(jié)構(gòu)加工誤差、組件裝配誤差導(dǎo)致的強(qiáng)迫力也應(yīng)作為樞軸的負(fù)載考慮。

圖2 太陽跟蹤機(jī)構(gòu)三維模型

圖3 撓性樞軸內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意

2.2 驅(qū)動(dòng)部件選取

太陽跟蹤機(jī)構(gòu)需要驅(qū)動(dòng)指向鏡在一定角度范圍內(nèi)有規(guī)律的擺動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)形式特點(diǎn)在于：首先指向鏡運(yùn)動(dòng)限定為有限角度（–7o~+7o）范圍內(nèi)的往復(fù)擺動(dòng)；其次軸系負(fù)載不是傳統(tǒng)軸系中的軸承摩擦力矩，而是與擺角正相關(guān)的彈性扭矩；且由于指向鏡轉(zhuǎn)速很低，使其兩軸慣性負(fù)載極小。因此要求驅(qū)動(dòng)部件工作時(shí)輸出力矩大小可調(diào)節(jié)，且對驅(qū)動(dòng)部件輸出力矩的波動(dòng)有極其嚴(yán)格的要求，否則軸系的運(yùn)動(dòng)精度將受到直接影響[12-14]。

旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)是一種結(jié)構(gòu)特殊的有限轉(zhuǎn)角電機(jī)，兼具力矩電機(jī)的特點(diǎn)，同時(shí)滿足航天產(chǎn)品小型輕量的要求[15]，其外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。因其工作原理與揚(yáng)聲器類似而得名，其工作原理即是安培原理，通電線圈（導(dǎo)體）放在磁場內(nèi)產(chǎn)生力，力的大小與線圈內(nèi)的電流成正比。音圈電機(jī)將電能直接轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，省去了中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，具有體積小、質(zhì)量輕、響應(yīng)快等一系列優(yōu)點(diǎn)[16]，在地面一些精密定位系統(tǒng)、高加速領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，如磁盤定位、光學(xué)透鏡定位等[17]。

圖4 旋轉(zhuǎn)式音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)示意

由上所述，太陽跟蹤機(jī)構(gòu)兩軸均選用音圈電機(jī)作為有限擺角往復(fù)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)部件，無需換向裝置，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高；自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，加速度大、響應(yīng)快；無齒槽效應(yīng)，控制定位精度高；特別適用于短行程快響應(yīng)的高精度閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。

2.3 軸系力矩裕度設(shè)計(jì)

軸系力矩裕度包括靜力矩裕度和動(dòng)力矩裕度，前者保證軸系由靜止?fàn)顟B(tài)變化到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，后者保證軸系運(yùn)動(dòng)參數(shù)滿足工況要求。

機(jī)構(gòu)軸系靜力矩裕度j可表示為

機(jī)構(gòu)軸系動(dòng)力矩裕度d可表示為

式中o為驅(qū)動(dòng)部件大輸出扭矩；q為軸系動(dòng)慣性力矩；f為軸系的最大阻力矩。

對于滾動(dòng)軸承支撐的軸系設(shè)計(jì)，軸系負(fù)載源于滾動(dòng)軸承產(chǎn)生的摩擦力矩，此摩擦力矩受安裝方式、軸承預(yù)緊量、環(huán)境溫度、潤滑方式等諸多因素影響，導(dǎo)致其實(shí)際摩擦力矩與設(shè)計(jì)值偏差較大。因此對于滾動(dòng)軸承支撐的軸系，一般要求靜力矩裕度不小于3。

太陽跟蹤機(jī)構(gòu)其內(nèi)外環(huán)均采用撓性樞軸支撐方式，不同于滾動(dòng)軸承支撐軸系設(shè)計(jì)，無摩擦力或摩擦力矩，無任何潤滑措施，軸系負(fù)載僅與樞軸扭轉(zhuǎn)剛度和轉(zhuǎn)動(dòng)角度正相關(guān)，不受溫度、壓強(qiáng)等環(huán)境因素影響。因此軸系的驅(qū)動(dòng)電機(jī)僅需克服樞軸產(chǎn)生的阻扭矩，此阻扭矩可以通過實(shí)測準(zhǔn)確獲得。

同時(shí)太陽跟蹤器要滿足指向精度優(yōu)于0.1mrad，100s跟蹤穩(wěn)定度優(yōu)于15μrad的指標(biāo)要求。跟蹤控制器采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的方式控制兩軸電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)控制細(xì)分量一定的情況下，軸系力矩裕度越大，可達(dá)的指向精度和跟蹤穩(wěn)定度越低[18-19]。根據(jù)系統(tǒng)精度誤差分析，當(dāng)軸系靜力矩裕度大于2時(shí)，控制系統(tǒng)已無法保證跟蹤精度指標(biāo)要求。因此綜合考慮系統(tǒng)指向精度、跟蹤穩(wěn)定度和活動(dòng)部件可靠性，太陽跟蹤機(jī)構(gòu)兩軸軸系靜力矩裕度均設(shè)計(jì)為1.5。

2.4 軸系設(shè)計(jì)

太陽跟蹤機(jī)構(gòu)由內(nèi)環(huán)組件、外環(huán)組件組成，內(nèi)環(huán)組件和外環(huán)組件實(shí)現(xiàn)原理相同，組成類似，均主要由負(fù)載組件、音圈電機(jī)、旋變等部件組成。內(nèi)環(huán)組件結(jié)構(gòu)、外環(huán)組件結(jié)構(gòu)如圖5所示。負(fù)載組件通過撓性樞軸與固定框相連；電機(jī)轉(zhuǎn)子和旋變轉(zhuǎn)子等通過轉(zhuǎn)軸與負(fù)載組件連接；電機(jī)定子和旋變定子通過轉(zhuǎn)接件安裝在固定結(jié)構(gòu)上，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)變壓器具有反饋角位置信息的功能。其中內(nèi)環(huán)組件的負(fù)載為指向鏡，外環(huán)組件的負(fù)載為內(nèi)環(huán)組件；內(nèi)環(huán)組件的固定結(jié)構(gòu)為鏡框，外環(huán)組件的固定結(jié)構(gòu)為機(jī)構(gòu)基座。

圖5 內(nèi)外環(huán)組件結(jié)構(gòu)示意

2.5 鎖定組件設(shè)計(jì)

由于撓性樞軸承載能力有限，在發(fā)射階段的振動(dòng)環(huán)境下容易造成破壞，因此針對太陽跟蹤機(jī)構(gòu)內(nèi)外環(huán)的運(yùn)動(dòng)部件，設(shè)計(jì)了鎖定組件，如圖6所示。其工作原理為：鎖定時(shí)步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)大錐齒輪，小錐齒輪與大錐齒輪嚙合傳動(dòng)，直線單元轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)錐尖頂桿平移前進(jìn)，直至頂桿錐尖插入活動(dòng)部件的錐窩，到位后步進(jìn)電機(jī)斷電完成鎖定動(dòng)作。解鎖時(shí)步進(jìn)電機(jī)加電反轉(zhuǎn)，傳動(dòng)過程與加鎖時(shí)一致，帶動(dòng)頂桿錐尖后退拔出錐窩，到位后即完成解鎖。

圖6 鎖定組件結(jié)構(gòu)示意

鎖定組件中電機(jī)的扭矩負(fù)荷主要包括兩部分：1）由鎖定組件負(fù)荷引起的摩擦扭矩1；2）電機(jī)機(jī)構(gòu)加速啟動(dòng)時(shí)所需的扭矩2；

式中a為軸向負(fù)荷，即滾珠絲杠的摩擦力；為滾珠絲杠及錐齒輪副導(dǎo)程；為滾珠絲杠及錐齒輪傳動(dòng)效率。

式中為鎖定組件的負(fù)載慣性矩；為鎖定組件的負(fù)載質(zhì)量；s為絲杠的慣性矩；A為齒輪的慣性距；為轉(zhuǎn)動(dòng)加速度。

由上述公式求得鎖定組件的總扭矩負(fù)荷=1+2。

根據(jù)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)一步求得鎖定組件的鎖定安全系數(shù)為25.8，解鎖安全系數(shù)為85.8，滿足可靠性設(shè)計(jì)要求。

3 跟蹤控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

太陽跟蹤器的最終任務(wù)是通過接收太陽圖像實(shí)現(xiàn)對日精確、穩(wěn)定地跟蹤，但在日出前沒有太陽圖像時(shí)，需要跟蹤器實(shí)時(shí)響應(yīng)太陽矢量的方向，保證在日出后能夠及時(shí)實(shí)現(xiàn)對日跟蹤。因此入軌后的對日跟蹤過程可以分為粗跟蹤（矢量跟蹤）和精跟蹤（圖像跟蹤）兩個(gè)過程，如圖7所示，圖中0表示衛(wèi)星出陰影的時(shí)刻。

圖7 控制系統(tǒng)工作流程

太陽跟蹤控制器采用基于位置反饋的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)太陽粗跟蹤，結(jié)合基于圖像信息反饋的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)太陽精跟蹤。高精度旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)時(shí)反饋兩軸位置信息，其電氣誤差為±15″。太陽跟蹤相機(jī)捕獲太陽圖像數(shù)據(jù)，用于系統(tǒng)精跟蹤閉環(huán)控制輸入。太陽跟蹤器功能實(shí)現(xiàn)原理如圖8所示。

圖8 太陽跟蹤器功能實(shí)現(xiàn)原理示意

3.1 粗跟蹤工作流程

為實(shí)現(xiàn)探測儀入軌后的掩星探測，太陽跟蹤系統(tǒng)需在衛(wèi)星出陰影前開機(jī)工作。此時(shí)太陽在地平面以下，跟蹤相機(jī)無法獲取太陽圖像。跟蹤系統(tǒng)利用衛(wèi)星發(fā)送的太陽矢量，實(shí)時(shí)計(jì)算跟蹤機(jī)構(gòu)兩軸轉(zhuǎn)角信息，控制跟蹤機(jī)構(gòu)指向日出方向，隨時(shí)準(zhǔn)備日出后的精跟蹤。為了減少力矩波動(dòng)，提高定位控制精度，跟蹤控制器選擇PWM控制方法，控制電路將旋轉(zhuǎn)變壓器給出的位置信號轉(zhuǎn)換為角位置信息和角速度信息，在位置回路校正網(wǎng)絡(luò)和速度回路校正網(wǎng)絡(luò)中對控制量進(jìn)行校正。校正結(jié)果利用PWM驅(qū)動(dòng)器件完成電機(jī)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確控制。粗跟蹤工作流程如圖9所示。

圖9 粗跟蹤控制工作流程

3.2 精跟蹤工作流程

日出后，跟蹤相機(jī)采集到太陽圖像，并將數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送到跟蹤控制器。跟蹤控制器根據(jù)實(shí)時(shí)接收的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)認(rèn)為圖像中出現(xiàn)太陽信息時(shí)，開始進(jìn)入基于圖像閉環(huán)控制的精跟蹤。為保證精跟蹤的精度和穩(wěn)定度，跟蹤相機(jī)需要提供25幀/s的太陽圖像，跟蹤控制器根據(jù)太陽圖像對太陽輪廓進(jìn)行辨識并計(jì)算太陽質(zhì)心位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對太陽質(zhì)心的精確、穩(wěn)定跟蹤。精跟蹤工作流程如圖10所示。

圖10 精跟蹤控制工作流程

4 有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 機(jī)構(gòu)有限元分析

太陽跟蹤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)總質(zhì)量為8.8kg，內(nèi)外的主要結(jié)構(gòu)物理特性、負(fù)載扭矩及電機(jī)主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 軸系結(jié)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)

Tab.1 Key parameters of sun-tracking mechanism

對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了有限元建模，如圖11所示，各部件之間的螺栓連接采用Rbe2單元來實(shí)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為228 878。圖12為機(jī)構(gòu)約束狀態(tài)下的第1~6階模態(tài)，機(jī)構(gòu)的第1階頻率為135Hz，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。圖11、圖12中向?yàn)闄C(jī)構(gòu)俯仰軸線方向，向?yàn)闄C(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)軸線方向，向垂直于、向。

圖11 機(jī)構(gòu)有限元模型

圖12 機(jī)構(gòu)約束狀態(tài)下第1~6階模態(tài)

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

對太陽跟蹤機(jī)構(gòu)進(jìn)行鑒定級振動(dòng)試驗(yàn)，對振動(dòng)前后的結(jié)構(gòu)基頻進(jìn)行了對比，對比數(shù)據(jù)如表2所示?？梢姡駝?dòng)試驗(yàn)前后機(jī)構(gòu)、、Z方向頻率漂移分別為0.96%、2.37%和0.48%，均滿足要求。振動(dòng)試驗(yàn)1階頻率與仿真分析結(jié)果相符，滿足基頻≥120Hz的指標(biāo)要求，驗(yàn)證了太陽跟蹤機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

表2 機(jī)構(gòu)振動(dòng)前后的基頻對比結(jié)果

Tab.2 Comparison of fundamental frequencies

同時(shí)振動(dòng)試驗(yàn)前后對太陽跟蹤器指向精度和跟蹤穩(wěn)定度進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見表3。由表中數(shù)據(jù)可知，振動(dòng)試驗(yàn)前后指向精度最大值為0.065mrad，跟蹤穩(wěn)定度最大值為14.2μrad，均滿足技術(shù)要求。

表3 指向精度和跟蹤穩(wěn)定度測試結(jié)果

Tab.3 Test results of tracking accuracy and stability

5 結(jié)論

本文針對“高分五號”衛(wèi)星大氣環(huán)境紅外甚高光譜探測儀太陽跟蹤器，探討航天器高精度高穩(wěn)定度跟蹤指向技術(shù)，對其高精度軸系支撐、軸系驅(qū)動(dòng)、活動(dòng)部件鎖定、跟蹤控制等技術(shù)進(jìn)行了研究，并得出以下結(jié)論：

1）設(shè)計(jì)了撓性樞軸支撐、音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)的二維太陽跟蹤機(jī)構(gòu)；撓性樞軸無接觸摩擦、無需潤滑措施，負(fù)載不受溫度、壓強(qiáng)等環(huán)境因素影響；音圈電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、響應(yīng)快；并設(shè)計(jì)了鎖定組件，實(shí)現(xiàn)了高精度小擺角空間二維機(jī)構(gòu)；

2）設(shè)計(jì)了高精度跟蹤伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于位置反饋的閉環(huán)粗跟蹤和基于圖像信息反饋的閉環(huán)精跟蹤；

3）通過仿真分析和試驗(yàn)測試，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)指向精度達(dá)0.065mrad，跟蹤穩(wěn)定度達(dá)14.2μrad，滿足技術(shù)要求；

4）上述技術(shù)適用于航天產(chǎn)品中運(yùn)動(dòng)范圍要求（–7o~+7o）的高精度跟蹤設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

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Design and Implementation of Space High Precision Sun-tracking System

CAO Qian SHI Feng WANG Yu XU Pengmei

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

Key technologies of space high precision sun-tracking system applied in GF-5 satellite are researched in this paper. A tracking mechanism supported by two flexural pivots and driven by a voice coil motor is designed. Flexural pivot is one kind of frictionless, stiction-free bearing, ideally suited for high precision tracking mechanism. Voice coil motor has a simple structure without any structure for reversing, and is easy to be controlled. In the system control strategy, an initial tracking is combined with a final tracking, that is, a closed-loop control based on position feedback does the initial sun tracking, and then a closed-loop control based on image information feedback accomplishes the final sun tracking. The system can reach the tracking accuracy of up to 0.065mrad, and the tracking stability of up to 14.2μrad, which is proved by some tests in the end. This method is suitable for many similar tracking and scanning system in space products.

tracking mechanism; high precision; voice coil motor; flexural pivot; GF-5 satellite

V476.4

A

1009-8518(2018)03-0070-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2018.03.008

曹倩，女，1984年生，2010年獲北京郵電大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)碩士學(xué)位，高級工程師。研究方向?yàn)榭臻g光學(xué)遙感機(jī)構(gòu)。E-mail：271673978@qq.com。

2018-04-08

國家重大科技專項(xiàng)工程

（編輯：王麗霞）