CN101145027B - 一种磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统 - Google Patents

Abstract

一种高精度磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统，主要包括磁悬浮控制力矩陀螺框架、框架伺服力矩电机、框架伺服系统控制器、力矩电机电流检测电路、框架角速率检测电路、干扰抑制器。本发明通过电流检测电路、框架角速率检测电路实时检测力矩电机电流和框架角速率后，送入干扰抑制器，计算出相应的干扰补偿量，由框架伺服系统控制器调节输出电流大小，实现干扰的抑制。应用本发明克服了摩擦力矩对框架伺服系统角速率控制精度的影响，抑制了磁悬浮高速转子对框架伺服系统的扰动和其它未知扰动，提高了框架伺服系统的角速率输出精度和响应速度，改善了磁悬浮控制力矩陀螺输出力矩的精度和响应速度。

Description

一种磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统

技术领域

本发明涉及一种高精度磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统，用于克服摩擦和其它干扰力矩影响，实现框架伺服系统的高精度控制，提高磁悬浮控制力矩陀螺输出力矩的精度和响应速度。

背景技术

因具有输出力矩大、精度高、寿命长、体积小、重量轻的显著优点，磁悬浮控制力矩陀螺成为空间站、空间实验室等大型航天器和敏捷机动卫星、对地观测卫星等的理想的新一代姿态控制执行机构。磁悬浮控制力矩陀螺主要包括磁悬浮高速转子系统和框架伺服系统，其中磁悬浮高速转子系统提供角动量，框架伺服系统改变角动量的方向，从而使磁悬浮控制力矩陀螺输出力矩，这个力矩作用在航天器上就可以改变航天器的姿态。磁悬浮控制力矩陀螺输出力矩的精度决定于高速转子系统所提供的角动量的精度和框架伺服系统输出角速率的精度。为了提高磁悬浮控制力矩陀螺输出力矩的精度必须提高框架伺服系统的角速率输出精度。

除了控制系统本身的性能影响磁悬浮控制力矩陀螺框架输出角速度的精度以外，摩擦力矩、磁悬浮高速转子系统对框架力矩电机的扰动力矩、在地面时的重力产生的力矩等是影响其输出力矩精度的主要因素。一般情况下控制系统本身的性能可以做得比较高，可以不予考虑。在地面时的重力产生的力矩，可以通过配重的方法使之减至最小。而摩擦力矩、磁悬浮高速转子系统对框架力矩电机的扰动力矩的影响和抑制就比较复杂。目前对这两种干扰力矩的抑制主要是通过对干扰力矩进行精确建模或自适应建模，求得干扰力矩的模型再进行补偿的方法实现。主要存在以下两个问题：(1)干扰力矩的模型不可能很精确，总是存在建模误差，所以补偿的精度不高，而自适应建模一般算法比较复杂；(2)这种方法只能针对一类已知的干扰力矩进行补偿，对未知的干扰力矩不能进行有效的补偿。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种能够精确抑制干扰力矩的高精度磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统。

本发明的技术解决方案是：一种高精度磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统，其特征在于：主要包括框架伺服系统控制器、框架伺服力矩电机、磁悬浮控制力矩陀螺框架、力矩电机电流检测电路、框架角速率检测电路和干扰抑制器，其中框架伺服系统控制器由速度环控制器、电流环控制器和驱动电路组成，并采用速度环和电流环双闭环控制；框架角速率检测电路检测框架角速率后与给定角速率做差加至速度环控制器的输入上，构成速度环控制；电机电流检测电路检测电机绕组电流后加至电流环控制器的输入上，构成电流环控制；干扰抑制器由干扰力矩计算器和干扰补偿量计算器组成；电机电流检测电路、框架角速率检测电路实时检测框架力矩电机绕组电流和框架角速率后，分别送入干扰力矩计算器，由干扰力矩计算器实时计算出干扰力矩，再送入干扰补偿量计算器中计算出干扰补偿量，将此干扰补偿量加到速度环控制器的输出上，即电流环控制器的输入上，通过电流环控制器调整驱动电路输出电流的大小，由框架伺服力矩电机驱动磁悬浮控制力矩陀螺框架，抑制摩擦力矩和其它扰动力矩的干扰，实现框架伺服系统角速率的高精度输出。

本发明的原理是：如图1所示的控制系统，r是系统输入信号，d是干扰信号，W₁、W₂、W₃、W₄、W₅、W₆、W₇、W₈、W₉是通道上的传递函数，x、y、z是三个节点，于是可以列出节点x、y、z处的方程：

$\left\{\begin{array}{c}x=[(r-W_{9}z)W_1-W_{8}d-W_{7}y]W_2\\ y=(x-W_{6}z)\frac{1}{W_3}\\ z=(W_{4}y+d)W_5\end{array}\right.$

上式整理可得： $A\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=B\left[\begin{array}{c}r\\ d\end{array}\right],$ 其中 $A=\left[\begin{array}{ccc}1& W_2{W}_7& W_1{W}_2{W}_9\\ 1& -W_3& -W_6\\ 0& W_4{W}_5& -1\end{array}\right],$ $B=\left[\begin{array}{cc}{W}_1{W}_2& -W_2{W}_8\\ 0& 0\\ 0& -W_5\end{array}\right]$

当|A|≠0时，有 $z=\frac{W_1{W}_2{W}_4{W}_{5}r+[(W_3+W_2{W}_7)W_5-W_2{W}_4{W}_5{W}_8]d}{W_3+W_2{W}_7+W_4{W}_5{W}_6+W_1{W}_2{W}_4{W}_5{W}_9},$

当

时，干扰信号d对系统的输出z没有影响。在磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服电机控制系统中，取r是框架伺服系统的给定角速率，z是框架伺服系统的角速率输出；W₁是速度环PI调节器的传递函数；W₂是电流环前馈通道传递函数，W₂具有以下的形式：W₂＝K_{p_i}+K_{i_i}/s，其中K_{p_i}是比例系数，K_{i_i}是积分时间常数(K_{i_i}≥0)；W₃＝L_as+R_a，L_a是框架伺服力矩电机单相绕组的电感(单位：H)，R_a是框架伺服力矩电机单相绕组的电阻(单位：Ω)；W₄＝K_m是框架伺服力矩电机的力矩系数(单位：N·m/A)；W₅＝1/(Js+B)，J是框架伺服力矩电机所带负载的转动惯量(单位：Kg·m²)，B是角速率阻尼系数；W₆＝K_e，是由电机决定的常数(单位：V·s)；W₇是电机电流检测电路的传递函数，W₇具有以下的形式：W₇＝K_ip/(T_iis+1)，其中K_ip是比例系数，T_ii是时间常数，其大小由电流检测电路决定(T_ii≥0，单位：秒)；W₈＝B(s)是干扰抑制器的传递函数，W₉是框架角速率检测电路的传递函数。则当

时，干扰力矩d对系统的角速率输出z没有影响，这是框架角速率对干扰力矩的不变性。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)只需要对框架伺服力矩电机建模，而不需要对摩擦力矩和其它的干扰力矩建模，大大降低了建模的难度，具有很强的可操作性。

(2)只要干扰抑制器的传递函数满足对框架角速率输出的不变性条件，理论上任何形式的干扰信号都不会对框架角速率产生影响，对干扰信号的适应性强，可以有效抑制摩擦及其它各种形式的干扰力矩。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的结构组成框图；

图3为本发明的电机电流检测电路原理框图；

图4为本发明的框架角速率检测电路原理框图；

图5为本发明的框架伺服控制系统原理框图；

图6为对没有使用本发明所述的干扰抑制器的磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统加入频率为500Hz的干扰力矩时，框架角速率的波形；

图7为在磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统中使用本发明的干扰抑制器，并加入与图6同等幅度和频率的干扰力矩时框架角速率的输出波形。

图8为对没有使用本发明所述的干扰抑制器的磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统加入频率为50Hz的干扰力矩时，框架角速率的波形；

图9为在磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统中使用本发明的干扰抑制器，并加入与图8同等幅度和频率的干扰力矩时框架角速率的输出波形。

具体实施方式

如图2所示，本发明主要包括框架伺服系统控制器1、框架伺服力矩电机2、磁悬浮控制力矩陀螺框架3、力矩电机电流检测电路4、框架角速率检测电路5和干扰抑制器6，其中框架伺服系统控制器1由速度环控制器11、电流环控制器12和驱动电路13组成，干扰抑制器6由干扰力矩计算器61和干扰补偿量计算器62组成。框架角速率检测电路5检测框架角速率后与给定角速率做差加至速度环控制器11的输入上，构成速度环控制；电机电流检测电路4检测电机绕组电流后加至电流环控制器12的输入上，构成电流环控制；通过电机电流检测电路4、框架角速率检测电路5实时检测的框架力矩电机绕组电流和框架角速率，还被送入干扰力矩计算器61，实时计算出干扰力矩，再由干扰补偿量计算器62计算出干扰补偿量，加到速度环控制器11的输出上，调整驱动电路13输出电流的大小，由框架伺服力矩电机2驱动磁悬浮控制力矩陀螺框架3，实现摩擦力矩和其它扰动力矩干扰的精确抑制，达到框架伺服系统的高精度角速率输出的目的。

如图3所示，框架伺服力矩电机2的电流信号由电机电流传感电路4检测，经直流偏置41后，进行二阶低通滤波42，送到干扰抑制器6中。

如图4所示，框架伺服力矩电机2的角速率信号经框架角速率检测电路5检测，经直流偏置51后，进行二阶低通滤波52，送到干扰抑制器6中。

如图5所示，本发明的框架伺服控制系统控制器电流环控制器和速度环控制器组成，本实施方案中：电流环控制器采用比例调节器，其比例系数为K_{p_i}；电流反馈通道(电机电流检测电路)近似为比例环节，其比例系数为1；速度环控制器采用比例积分调节器，其传递函数为(K_{p_v}s+K_{i_v})/s。

框架力矩电机绕组电流和角速率分别经过电机电流检测电路4和框架角速率检测电路5实时检测后，送入干扰力矩计算器61，按下面公式计算

干扰力矩：H(s)＝W(s)(Js+B)-K_mI_a(s)，其中W(s)是框架角速度，J是框架伺服力矩电机所带负载的转动惯量(单位：kg·m²)，B是角速率阻尼系数；K_m是框架伺服力矩电机的力矩系数(单位：N·m/A)，s是复域变量。

然后再送入干扰补偿量计算器(62)中进行干扰补偿量的计算，干扰补偿量计算器62按下公式计算干扰补偿量L(s)：

L(s)＝B(s)H(s)。

干扰补偿量计算器(62)的传递函数B(s)具有以下的形式：

$B\left(s\right)=\frac{L_{a}s+R_a+W_2{W}_7}{W_2{K}_m},$

其中L_a是框架伺服力矩电机单相绕组的电感(单位：H)，R_a是框架伺服力矩电机单相绕组的电阻(单位；Ω)，W₂是电流环控制器12的传递函数，W₇是电机电流检测电路4的传递函数。

图6、图7是用MATLAB仿真的在没有使用和使用了本发明的干扰抑制器两种情况下，磁悬浮控制力矩陀螺框架的输出角速率波形。对没有使用干扰抑制器的框架伺服系统加入频率为500Hz的正弦干扰力矩进行仿真时，框架角速率受到的扰动比较大，其峰峰值约为0.25弧度每秒，如图6所示。而使用本发明的干扰抑制器后，框架角速率基本没有受到扰动的影响，如图7所示。图8、图9是用MATLAB仿真的在没有使用和使用了本发明的干扰抑制器两种情况下，加入频率为50Hz的正弦干扰力矩进行仿真时，磁悬浮控制力矩陀螺框架的输出角速率波形。对应图6、图7、图8、图9可以看出该干扰抑制器对不同频率的干扰力矩都具有同样显著的抑制效果。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (4)

1.一种磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统，其特征在于：主要包括框架伺服系统控制器(1)、框架伺服力矩电机(2)、磁悬浮控制力矩陀螺框架(3)、力矩电机电流检测电路(4)、框架角速率检测电路(5)和干扰抑制器(6)，其中框架伺服系统控制器(1)由速度环控制器(11)、电流环控制器(12)和驱动电路(13)组成，并采用速度环和电流环双闭环控制；框架角速率检测电路(5)检测框架角速率后与给定角速率做差加至速度环控制器(11)的输入上，构成速度环控制；电机电流检测电路(4)检测电机绕组电流后加至电流环控制器(12)的输入上，构成电流环控制；干扰抑制器(6)由干扰力矩计算器(61)和干扰补偿量计算器(62)组成；电机电流检测电路(4)、框架角速率检测电路(5)实时检测框架力矩电机绕组电流和框架角速率后，分别送入干扰力矩计算器(61)，由干扰力矩计算器(61)实时计算出干扰力矩，再送入干扰补偿量计算器(62)中计算出干扰补偿量，将此干扰补偿量加到速度环控制器(11)的输出上，即电流环控制器(12)的输入上，通过电流环控制器(12)调整驱动电路(13)输出电流的大小，由框架伺服力矩电机(2)驱动磁悬浮控制力矩陀螺框架(3)，抑制摩擦力矩和其它扰动力矩的干扰，实现框架伺服系统角速率的输出；

所述的干扰力矩计算器(61)按下公式计算干扰力矩H(s)：

H(s)＝W(s)(Js+B)-K_mI_a(s)

其中W(s)是框架角速度，I_a(s)是电机电流，J是框架伺服力矩电机所带负载的转动惯量，B是角速率阻尼系数，K_m是框架伺服力矩电机的力矩系数，s是复域变量；

所述的干扰补偿量计算器(62)按下公式计算干扰补偿量L(s)：

L(s)＝B(s)H(s)。

其中B(s)为：

$B\left(s\right)=\frac{L_{a}s+R_a+W_2{W}_7}{W_2{K}_m},$

L_a是框架伺服力矩电机单相绕组的电感，R_a是框架伺服力矩电机单相绕组的电阻，W₂是电流环控制器(12)的传递函数，W₇是电机电流检测电路(4)的传递函数。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统，其特征在于：所述的是电流环控制器(12)采用比例调节器，或比例积分调节器，其传递函数W₂具有以下的形式：W₂＝K_{p_i}+K_{i_i}/s，其中K_{p_i}是比例系数，K_{i_i}是积分时间常数，K_{i_i}≥0。

3.根据权利要求1所述的磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统，其特征在于：所述的速度环控制器(11)采用比例积分调节器。

4.根据权利要求1所述的磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服控制系统，其特征在于：所述的电机电流检测电路(4)的传递函数采用比例环节，或采用一阶惯性环节，即W₇具有以下的形式：W₇＝K_ip/(T_iis+1)，其中K_ip是比例系数，T_ii是时间常数，T_ii≥0。

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