CN101301934A - 一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺控制系统 - Google Patents

Abstract

一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope－CMG)控制系统，包括双框架磁悬浮控制力矩陀螺本体、磁悬浮转子控制单元、内框控制单元、外框控制单元和复合补偿控制单元，复合补偿控制单元又包括前馈补偿器和反馈补偿器，前馈补偿器对转子的惯性耦合扰动力矩和内、外框架的惯性力矩进行前馈补偿，反馈补偿器对陀螺效应扰动力矩影响进行反馈补偿，二者的输出与磁悬浮转子控制单元及内、外框控制单元的输出分别求和作为总控制量，在补偿动框架效应的基础上实现对双框架磁悬浮CMG的稳定控制。本发明通过补偿磁轴承和框架电机输出力矩用于抵消内、外框转动引起的耦合扰动力矩，消除了磁悬浮转子动框架位移，提高了框架和整个双框架磁悬浮CMG的响应速度和精度。

Description

一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺控制系统

技术领域

本发明涉及一种控制系统，可以用于补偿双框架磁悬浮控制力矩陀螺动框架效应对磁悬浮转子系统与框架系统的影响，实现对双框架磁悬浮控制力矩陀螺的稳定控制。

背景技术

控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope-CMG)是长寿命大型航天器或敏捷航天器等必不可少的姿态控制关键执行机构。CMG由高速转子系统和框架伺服系统两部分组成，高速转子提供角动量，框架强制高速转子改变角动量方向，使CMG输出陀螺力矩调整航天器姿态。框架自由度数和高速转子支承方式是决定CMG性能的两个最重要的因素。根据框架自由度的多少，CMG可以区分为单框架CMG和双框架CMG。相对而言，双框架CMG机械结构和控制更复杂，但控制能力由一个自由度增加为两个自由度，实现航天器三轴姿态稳定控制所需的CMG个数可减少一半，可以显著降低姿控系统的体积、重量和功耗。根据高速转子的支承方式，CMG又可以区分为机械支承CMG和磁悬浮CMG两种。机械支承高速转子存在固有的磨损和不平衡振动问题，影响了CMG的寿命和精度，相比之下，磁悬浮支承具有无接触无摩擦，振动主动可控的优点，不仅可以克服磨损和振动从而提高CMG的寿命和精度，而且可以大幅度提高转子转速，相同角动量情况下有利于降低CMG的体积和重量。双框架磁悬浮CMG综合了双框架和磁悬浮两方面的优点，不仅能够满足高精度和长寿命要求，同时还可以降低姿控执行机构的体积、重量和功耗，是实现空间机动平台高精度、高稳定度和快速机动姿态控制的理想执行机构。

双框架磁悬浮CMG同样存在动框架效应问题。所谓动框架效应，是指由于磁悬浮转子与框架之间的强陀螺耦合和惯性力矩耦合，框架转动时磁悬浮转子的径向角位移显著增大，稳定性显著下降甚至失稳，同时转子的径向运动又对框架运动构成扰动，降低框架的响应速度。动框架效应是所有磁悬浮CMG的共性问题，该效应不仅降低了磁悬浮高速转子系统的稳定性，而且影响框架系统的响应速度和精度，最终将严重影响磁悬浮CMG力矩输出的响应速度和精度，因而必须加以补偿和抑制。

双框架磁悬浮CMG综合了磁悬浮和双框架两方面优点，同时也兼具单框架磁悬浮CMG和双框架机械支承CMG的特点，且进一步复杂化。单框架磁悬浮CMG只存在磁悬浮转子系统和框架系统之间的动力学耦合，双框架机械支承CMG只存在两个框架之间的动力学耦合，而双框架磁悬浮CMG同时包含上述两种动力学耦合，即磁悬浮转子、内框和外框三者之间相互存在动力学耦合，使动力学行为和动框架效应进一步复杂化：第一，磁悬浮转子与内、外框之间存在相互影响的惯性耦合力矩和陀螺耦合力矩，其中与外框之间的动力学耦合不仅取决于外框本身，同时还与内框角位移有关；第二，内、外框之间存在陀螺效应导致的动力学耦合，即内、外框互锁现象，且这种动力学耦合不仅取决于框架运动，还与磁悬浮转子的径向转动有关；第三，不考虑轴承力非线性的前提下，单框架磁悬浮CMG为线性系统，而双框架磁悬浮CMG由于增加一个框架自由度，陀螺耦合力矩与内框角位移的余弦成正比，只要框架转速非零，就成为非线性系统，增加了控制难度。

现有技术中，如果直接提高磁轴承的闭环刚度抑制动框架效应，由于陀螺力矩对磁悬浮转子系统的动框架扰动较大，相应要求磁轴承具有很高的刚度，但磁轴承刚度过高容易导致磁悬浮系统不稳定，因而不适用；单框架磁悬浮CMG可以采用角速率-电流前馈控制方法抑制动框架效应，但双框架磁悬浮CMG具有非线性，因而不能沿用。此外，机械支承CMG不存在转子运动与框架运动的耦合问题，同时尚未发现磁轴承应用于两自由度伺服转动机电系统的先例，因而现有技术不能提供可借鉴的补偿或抑制方案。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有方法局限于单框架磁悬浮CMG动框架效应补偿的缺陷，针对双框架磁悬浮CMG，提供一种在框架转动时抑制磁悬浮转子位移加大，同时消除框架转动引起的磁悬浮转子运动对框架系统的反作用，以及两框之间运动学耦合的复合补偿控制方法，在保持磁悬浮高速转子系统稳定性的同时提高框架系统的响应速度和角速率精度，也提高双框架磁悬浮CMG力矩输出精度和响应速度。

本发明的技术解决方案：在磁悬浮转子控制单元、内框控制单元、外框控制单元的基础上，针对框架转动导致的转子惯性耦合力矩，对磁悬浮转子系统引入前馈实现对框架角加速度的影响进行补偿，针对框架非零转速导致的非线性，对内、外框伺服系统分别引入前馈对框架角加速度的影响即惯性力矩进行前馈补偿，针对陀螺效应耦合，引入反馈补偿器对陀螺效应扰动力矩进行补偿，二者构成复合补偿控制单元补偿动框架效应，其输出再与磁悬浮转子控制单元、内框控制单元和外框控制单元的输出分别求和作为总控制量，在补偿动框架效应影响的基础上实现对双框架磁悬浮CMG的稳定控制。

双框架磁悬浮CMG控制系统包括双框架磁悬浮CMG本体，磁悬浮转子控制单元、内框控制单元、外框控制单元和复合补偿控制单元，其中复合补偿控制单元接收内框角速率给定信号ω_gr、外框角速率给定信号ω_jr、内框角位移信号u_θs、内框角速率信号

和外框角速率信号

输出磁悬浮转子复合补偿信号 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αfb}}\\ u_{\mathrm{\βfb}}\end{array}\right],$ 内框复合补偿信号u_θfb、外框复合补偿信号

，实现对动框架效应的补偿，磁悬浮转子控制单元接收转子位移信号 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αs}}\\ u_{\mathrm{\βs}}\end{array}\right],$ 输出磁悬浮转子控制信号 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αc}}\\ u_{\mathrm{\βc}}\end{array}\right],$ 内框控制单元接收内框角位移信号u_θs和内框角速率给定信号ω_gr，输出内框控制信号u_θc，外框控制单元接收外框角位移信号和外框角速率给定信号ω_jr，输出外框控制信号

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αc}}\\ u_{\mathrm{\βc}}\end{array}\right]$ 与 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αfb}}\\ u_{\mathrm{\βfb}}\end{array}\right]$ 求和得到磁悬浮转子总控制量 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αcfb}}\\ u_{\mathrm{\βcfb}}\end{array}\right],$ u_θc与u_θfb求和得到内框总控制量u_θcfb，

与

求和得到外框总控制量

三个总控制量分别连接到磁轴承功放、内框功放和外框功放，实现对转子、内框、外框的稳定控制，从而实现对整个双框架磁悬浮CMG本体的稳定控制。

复合补偿控制单元包括前馈补偿器和反馈补偿器两个部分，前馈补偿器接收内框角速率给定信号ω_gr、外框角速率给定信号ω_jr和内框角位移信号u_θs，输出α通道前馈补偿信号u_αf、β通道前馈补偿信号u_βf，实现对框架转动导致的惯性耦合扰动力矩的前馈补偿，输出内框前馈补偿信号u_θf和外框前馈补偿信号实现对内框惯性力矩和外框惯性力矩的前馈补偿，反馈补偿器接收内框角速率信号

和外框角速率信号输出α通道的反馈补偿信号u_ab、β通道的反馈补偿信号u_βb、内框反馈补偿信号u_θb和外框反馈补偿信号

实现对陀螺效应扰动力矩的反馈补偿，u_αf和u_αb求和得到α通道复合补偿信号u_αfb输出，u_βf和u_βb求和得到β通道复合补偿信号u_βfb输出，u_θf和u_θb求和得到内框复合补偿信号u_θfb输出，

和

求和得到外框复合补偿信号

输出。

复合补偿控制单元中的前馈补偿器的输入-输出关系为

其中α和β分别为磁悬浮转子径向转动两个正交自由度上的角位移，θ和

分别为内框和外框的角位移，u_αf、u_βf、u_θf、

分别为α、β、θ和控制通道相应的前馈补偿器的输出，J_rr、J_gx、J_gy和J_jy分别为转子径向、内框x向、内框y向和外框y向的转动惯量，J_grx＝J_gx+J_rr，J_igry＝J_iy+J_gy+J_rr，k_ir和k_wr分别为磁轴承电流刚度和磁轴承功放的电流放大倍数，k_ig和k_wg分别为内框力矩电机的力矩系数和内框功放的电流放大倍数，k_ij和k_wj分别为外框力矩电机的力矩系数和外框功放的电流放大倍数，ω_gr和ω_jr分别为内、外框的角速率给定值，

和

分别为ω_gr和ω_jr的微分，即内、外框的角加速度给定信号，u_θs为内框角位移信号，k_θ为内框角位移传感器的灵敏度。

复合补偿控制单元中的反馈补偿器的输入-输出关系为

其中u_αb、u_βb、u_θb、

分别为α、β、θ和

通道反馈补偿器的输出，H_rz为转子角动量，

为外框角位移信号，

为外框角位移信号的微分，

为外框角位移传感器的灵敏度。

双框架磁悬浮CMG控制原理：在双框架磁悬浮CMG控制系统中，双框架磁悬浮CMG本体为被控对象，又包含转子、内框和外框三个动力学单体，动力学模型可以表示如下：

上式中前两个方程为转子动力学模型，后两个方程分别为内框和外框的动力学模型，p_xp_y、p_gx和p_jy分别为转子α、β自由度、内框和外框的主动控制力矩。从模型可以看出，三个单体的运动耦合程度取决于框架转速：当内框角速率

和外框角速率

为零或极小时，三个单体的运动相互独立或近似相互独立；当内、外框角速率较高时，任一单体均受到另外两个单体的运动导致的耦合力矩，导致另外两个单体同时产生额外的受扰运动，即动框架效应。显然，耦合力矩是引起动框架效应的根本原因。为了抑制动框架效应和实现对双框架磁悬浮CMG本体的稳定控制，本发明根据动框架效应与框架转速之间的关系，设计双框架磁悬浮CMG控制系统包含两个部分：不考虑动框架效应的独立控制部分和考虑动框架效应的复合补偿控制单元。独立控制部分包括磁悬浮转子控制单元、内框控制单元和外框控制单元，实现对三个单体相互独立的闭环控制，复合补偿控制单元则在对三个单体分别控制的基础上，对三个子系统之间耦合力矩进行补偿，实现对动框架效应的抑制。独立控制部分与复合补偿控制单元的输出相结合，实现对双框架磁悬浮CMG本体的稳定控制。

动框架效应的复合补偿控制原理：框架转动引起的耦合力矩可以区分为两个部分，即陀螺耦合力矩和惯性耦合力矩。陀螺耦合力矩正比于框架角速率，惯性耦合力矩与框架的角加速度成正比，仅在框架加速或减速时才存在。为了抑制动框架效应，对两种耦合力矩分别进行补偿。对陀螺耦合力矩的补偿，直接根据内、外框角速率，对磁轴承控制器、内框控制器和外框控制器分别额外增加一部分控制量，使电磁铁、内框力矩电机和外框力矩电机额外输出一部分力矩，并且恰好抵消陀螺耦合力矩，以消除陀螺耦合力矩的影响。由于陀螺耦合力矩补偿的输入量为双框架磁悬浮CMG控制系统的输出量——框架角速率

和

故为反馈补偿。根据动力学模型，由内、外框转动导致的在转子α、β通道、内框和外框的陀螺耦合力矩分别为

若各通道反馈补偿量即反馈补偿器输出分别为u_αb、u_βb、u_θb和

则补偿力矩分别为k_irk_wru_αb、k_irk_wru_βb、k_igk_wgu_θb和

为了满足补偿要求，补偿力矩必须等于陀螺耦合力矩，则有

再代入

即得反馈补偿器的输入-输出关系为

对惯性耦合力矩的补偿方法同样是使电磁铁、内框力矩电机和外框力矩电机额外输出一部分力矩，并且恰好抵消惯性耦合力矩，区别在于需要引入内、外框角加速度。框架中通常不具备直接检测框架角加速度的装置，也不宜对内、外框角速率信号再次做微分，因为框架角速率信号本身就是角位置信号做微分的结果，再次微分会引入很大的微分噪声而严重影响补偿效果。为了避免微分噪声，注意到框架稳定工作时内、外框角速率与各自的角速率给定值必然十分接近，采用角速率给定值ω_gr和ω_jr的微分结果

和

近似代替实际的框架角加速度，二者之差是随时间推移而收敛的零均值微量，而补偿的暂态误差通过前述的独立控制部分的闭环控制可以消除，因此可以满足补偿要求。惯性耦合力矩的补偿输入量为系统的输入量——框架角速率给定值ω_gr和ω_jr，故为前馈补偿。根据动力学模型，由内、外框转动导致的在转子α、β通道的惯性耦合力矩分别为

同时为了提高内框对内框角速率给定信号ω_gr的响应速度和外框对外框角速率给定信号ω_jr的响应速度，需要对内、外框惯性力矩

和

进行补偿，若各通道前馈补偿量即前馈补偿器输出分别为u_αf、u_βf、u_θf和

则补偿力矩分别为k_irk_wru_αf、k_irk_wru_βf、k_igk_wgu_θf和为了满足补偿要求，补偿力矩必须等于待补偿的惯性耦合力矩和惯性力矩，则有

再代入

即有前馈补偿器的输入-输出关系为

前馈补偿和反馈补偿的输出合并，实现对双框架磁悬浮CMG动框架效应的复合补偿控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：(1)在磁悬浮转子控制单元和内、外框控制单元的基础上增加补偿措施，不仅不需要提高磁轴承刚度，而且结构简单，易于实现；(2)通过引入复合补偿控制，消除了磁悬浮转子系统和内、外框伺服系统之间的运动学耦合，实现了对双框架磁悬浮CMG动框架效应的抑制和整机的稳定控制；(3)通过引入复合补偿控制，大幅度抵消了动力学模型中带有内框角位移余弦因子的扰动项的作用，削弱了双框架磁悬浮CMG的非线性，降低了控制难度，提高了整个控制系统的鲁棒性；(4)在前馈补偿器中，采用框架角速率给定值的微分代替实际的框架角加速度，不仅可以补偿惯性耦合力矩扰动，而且可以有效避免微分噪声。

附图说明

图1为双框架磁悬浮CMG本体及其坐标系示意图；

图2为双框架磁悬浮CMG转子及其坐标系示意图；

图3为本发明的控制系统框图；

图4为本发明的复合补偿控制单元内部组成与连接框图。

具体实施方式

双框架磁悬浮CMG本体及其坐标系如图1所示。双框架磁悬浮CMG本体由转子、内框、外框三部分构成，转子支承于内框，内框支承于外框，外框支承于基座，其中转子与内框之间采用磁悬浮支承方式，完全无接触。转子相对于内框、内框相对于外框、外框相对于基座均可以相对转动，且内框转轴x_g和外框转轴y_j相互垂直。定点o为内框的几何中心，ox_iy_iz_i、ox_jy_jz_j和ox_gy_gz_g分别表示基座坐标系、外框坐标系和内框坐标系。框架转动时，内框坐标系相对于外框坐标系的角位移表示为θ，外框坐标系相对基座坐标系的角位移表示为

双框架磁悬浮CMG转子及其坐标系如图2所示，ox₁y₁z₁和ox₂y₂z₂分别为磁轴承的定子坐标系和内环坐标系，定子坐标系与内框固连，内环坐标系与转子固连但不参与转子的高速自转。内环坐标系相对于定子坐标系的径向转动用卡尔丹角α、β来描述。

本发明的各控制单元连接框图如图3所示。双框架磁悬浮CMG控制系统包括磁悬浮转子控制单元、内框控制单元、外框控制单元和复合补偿控制单元。磁悬浮转子控制单元包括磁轴承控制器，接收双框架磁悬浮CMG本体中转子位移传感器输出的转子位移信号 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αs}}\\ u_{\mathrm{\βs}}\end{array}\right],$ 采用PID算法计算后输出磁悬浮转子控制信号 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αc}}\\ u_{\mathrm{\βc}}\end{array}\right],$ PID传递函数为G_r(s)＝k_Pr+k_Ir/s+k_Drs，其中s为拉氏变换算子，k_Pr、k_Ir和k_Dr分别为磁轴承控制器的比例、积分和微分系数。内框控制单元包括内框微分器、内框积分器、内框位置环控制器和内框速率环控制器。内框积分器接收内框角速率给定信号ω_gr，与内框角位移传感器输出的内框角位移信号u_θs求差后送到内框位置环控制器，内框微分器接收内框角位移信号u_θs并做微分计算，结果与内框位置环控制器输出求差后送到内框速率环控制器，计算后输出内框控制信号u_θc。内框积分器的传递函数为G_Iθ(s)＝1/s，内框微分器的传递函数为G_Dθ(s)＝s，内框速率环控制器传递函数为G_cθ1(s)＝k_Pθ1+k_Iθ1/s+k_Dθ1s，其中k_Pθ1、k_Iθ1和k_Dθ1分别为内框速率环控制器的比例、积分和微分系数，内框位置环控制器传递函数为G_cθ2(s)＝k_Pθ2+k_Iθ2/s，其中k_Pθ2和k_Iθ2分别为内框位置环控制器的比例和积分系数。外框控制单元包括外框微分器、外框积分器、外框位置环控制器和外框速率环控制器。外框积分器接收外框角速率给定信号ω_jr，与外框角位移传感器输出的外框角位移信号求差后送到外框位置环控制器，外框微分器接收外框角位移信号

并做微分计算，结果与外框位置环控制器输出求差后送到外框速率环控制器，计算后输出外框控制信号

外框积分器的传递函数为外框微分器的传递函数为

外框速率环控制器传递函数为

其中

和

分别为外框速率环控制器的比例、积分和微分系数，外框位置环控制器传递函数为

其中

和

分别为外框位置环控制器的比例和积分系数。复合补偿控制单元接收内框角速率给定信号ω_gr、外框角速率给定信号ω_jr、内框角位移信号u_θs、内框角速率信号

和外框角速率信号

输出磁悬浮转子复合补偿信号 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αfb}}\\ u_{\mathrm{\βfb}}\end{array}\right],$ 内框复合补偿信号u_θfb、外框复合补偿信号

实现对动框架效应的补偿。 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αc}}\\ u_{\mathrm{\βc}}\end{array}\right]$ 与 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αfb}}\\ u_{\mathrm{\βfb}}\end{array}\right]$ 求和得到磁悬浮转子总控制量 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αcfb}}\\ u_{\mathrm{\βcfb}}\end{array}\right],$ u_θc与u_θfb求和得到内框总控制量u_θcfb，

与

求和得到外框总控制量

三个总控制量分别连接到磁轴承功放、内框功放和外框功放，实现对转子、内框、外框的稳定控制，从而实现对整个双框架磁悬浮CMG本体的稳定控制。双框架磁悬浮CMG本体包括电磁铁、转子、转子位移传感器、内框力矩电机、内框、内框角位移传感器、外框力矩电机、外框、外框角位移传感器， $H_{\mathrm{rz}}\left[\begin{array}{cc}1& -\cos \mathrm{\θ}\\ -1& -\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$ 表示磁悬浮转子与内框和外框的陀螺耦合效应，表示外框对内框的陀螺耦合效应，

表示内框对外框的陀螺耦合效应。磁轴承功放输出电流 $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$ 通入电磁铁，输出磁轴承力矩 $\left[\begin{array}{c}{p}_x\\ p_y\end{array}\right]$ 与 $H_{\mathrm{rz}}\left[\begin{array}{cc}1& -\cos \mathrm{\θ}\\ -1& -\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]$ 环节的输出求和后作用于转子产生转子位移 $\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}\end{array}\right],$ 再由转子位移传感器检测得到转子位移信号 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αs}}\\ u_{\mathrm{\βs}}\end{array}\right].$ 内框功放输出电流i_θ通入内框力矩电机，输出内框电机力矩p_gx与

环节的输出求和后作用于内框产生内框角位移θ和内框角速率

再由内框角位移传感器检测得到内框角位移信号u_θs。外框功放输出电流

通入外框力矩电机，输出外框电机力矩p_jy与环节的输出求和后作用于外框产生外框角位移

和外框角速率再由外框角位移传感器检测得到外框角位移信号

本发明的复合补偿控制单元内部组成与连接框图如图4所示。复合补偿控制单元包括前馈补偿器和反馈补偿器。前馈补偿器接收内框角速率给定信号ω_gr、外框角速率给定信号ω_jr和内框角位移信号u_θs，ω_gr和ω_jr微分后得到内框角加速度给定信号

和外框角加速度给定信号

和分别放大J_grx/(k_igk_wg)和-J_igry/(k_igk_wg)倍作为内框前馈补偿信号u_θf和外框前馈补偿信号u_θs放大1/k_θ倍后经余弦计算得到内框角位移余弦信号cos(u_θs/k_θ)，cos(u_θs/k_θ)与

的乘积与

求和后放大 $\sqrt{2}{J}_{\mathrm{rr}}/\left(2k_{\mathrm{ir}}{k}_{\mathrm{wr}}\right)$ 倍得到α通道前馈补偿信号u_αf、cos(u_θs/k_θ)与

的乘积与

求差后放大 $\sqrt{2}{J}_{\mathrm{rr}}/\left(2k_{\mathrm{ir}}{k}_{\mathrm{wr}}\right)$ 倍得到β通道前馈补偿信号u_βf。反馈补偿器接收内框角速率信号

和外框角速率信号

放大1/k_θ倍得到内框角速率值

放大

倍得到外框角速率值

与cos(u_θs/k_θ)相乘后与

求差再放大 $-\sqrt{2}{H}_{\mathrm{rz}}/\left(2k_{\mathrm{ir}}{k}_{\mathrm{wr}}\right)$ 倍得到α通道的反馈补偿信号u_αb，与cos(u_θs/k_θ)相乘后与

求和再放大 $-\sqrt{2}{H}_{\mathrm{rz}}/\left(2k_{\mathrm{ir}}{k}_{\mathrm{wr}}\right)$ 倍得到β通道的反馈补偿信号u_βb，与cos(u_θs/k_θ)相乘后直接放大H_rz/(k_igk_wg)倍作为内框反馈补偿信号u_θb，

与cos(u_θs/k_θ)相乘再放大-H_rz/(k_igk_wg)倍作为外框反馈补偿信号u_αf和u_ab求和得到α通道复合补偿信号u_αfb输出，u_βf和u_βb求和得到β通道复合补偿信号u_βfb输出，u_θf和u_θb求和得到内框复合补偿信号u_θfb输出，和

求和得到外框复合补偿信号

输出。

Claims (4)

1、一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺控制系统，包括双框架磁悬浮控制力矩陀螺本体，其特征在于：还包括磁悬浮转子控制单元、内框控制单元、外框控制单元和复合补偿控制单元，其中复合补偿控制单元接收内框角速率给定信号ω_gr、外框角速率给定信号ω_jr、内框角位移信号u_θs、内框角速率信号

和外框角速率信号

输出磁悬浮转子复合补偿信号 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αfb}}\\ u_{\mathrm{\βfb}}\end{array}\right],$ 内框复合补偿信号u_θfb、外框复合补偿信号

实现对动框架效应的补偿，磁悬浮转子控制单元接收双框架磁悬浮CMG本体中转子位移传感器输出的转子位移信号 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αs}}\\ u_{\mathrm{\βs}}\end{array}\right],$ 输出磁悬浮转子控制信号 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αc}}\\ u_{\mathrm{\βc}}\end{array}\right],$ 内框控制单元接收内框角位移传感器输出的内框角位移信号u_θs和外部给定的内框角速率给定信号ω_gr，输出内框控制信号u_θc，外框控制单元接收外框角位移传感器输出的外框角位移信号

和外部给定的外框角速率给定信号ω_jr，输出外框控制信号

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αc}}\\ u_{\mathrm{\βc}}\end{array}\right]$ 与 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αfb}}\\ u_{\mathrm{\βfb}}\end{array}\right]$ 求和得到磁悬浮转子总控制量 $\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\αcfb}}\\ u_{\mathrm{\βcfb}}\end{array}\right],$ u_θc与u_θfb求和得到内框总控制量u_θcfb，

与

求和得到外框总控制量

三个总控制量分别连接到磁轴承功放、内框功放和外框功放，实现对转子、内框、外框的稳定控制，从而实现对整个双框架磁悬浮CMG本体的稳定控制。

2、根据权利要求1所述的双框架磁悬浮控制力矩陀螺控制系统，其特征在于：所述的复合补偿控制单元包括前馈补偿器和反馈补偿器两个部分，前馈补偿器接收内框角速率给定信号ω_gr、外框角速率给定信号ω_jr和内框角位移信号u_θss，输出α通道前馈补偿信号u_αf、β通道前馈补偿信号u_βf，实现对框架转动导致的惯性耦合扰动力矩的前馈补偿，输出内框前馈补偿信号u_θf和外框前馈补偿信号实现对内框惯性力矩和外框惯性力矩的前馈补偿，反馈补偿器接收内框角速率信号

和外框角速率信号

输出α通道的反馈补偿信号u_αb、β通道的反馈补偿信号u_βb、内框反馈补偿信号u_θb和外框反馈补偿信号实现对陀螺效应扰动力矩的反馈补偿，u_αf和u_αb求和得到α通道复合补偿信号u_αfb，u_βf和μ_βb求和得到β通道复合补偿信号u_βfbu_θf和u_θb求和得到内框复合补偿信号u_θfb，和

求和得到外框复合补偿信号

3、根据权利要求2所述的复合补偿控制单元，其特征在于：所述的前馈补偿器的输入-输出关系为

其中α和β分别为磁悬浮转子径向转动两个正交自由度上的角位移，θ和

分别为内框和外框的角位移，u_αf、u_βf、u_θf、

分别为α、β、θ和

控制通道相应的前馈补偿器的输出，J_rr、J_gx、J_gy和J_jy分别为转子径向、内框x向、内框y向和外框y向的转动惯量，J_grx＝J_gx+J_rr，J_igry＝J_iy+J_gy+J_rr，k_ir和k_wr分别为磁轴承电流刚度和磁轴承功放的电流放大倍数，K_ig和K_wg分别为内框力矩电机的力矩系数和内框功放的电流放大倍数，K_ij和K_wj分别为外框力矩电机的力矩系数和外框功放的电流放大倍数，ω_gr和ω_jr分别为内、外框的角速率给定值，

和

分别为ω_gr和ω_jr的微分，即内、外框的角加速度给定信号，u_θs为内框角位移信号，k_θ为内框角位移传感器的灵敏度。

4、根据权利要求2所述的复合补偿控制单元，其特征在于：所述的反馈补偿器的输入-输出关系为

其中u_αb、u_βb、u_θb、

分别为α、β、θ和

通道反馈补偿器的输出，H_rz为转子角动量，

为外框角位移信号，

为外框角位移信号的微分，

为外框角位移传感器的灵敏度。

Images