CN112947614B

CN112947614B - 一种变速倾侧动量轮的主动振动控制方法

Info

Publication number: CN112947614B
Application number: CN202110120538.6A
Authority: CN
Inventors: 霍鑫; 王喆; 张媛媛; 陈硕; 刘清泉; 吴瑷菁; 赵辉
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2021-01-28
Filing date: 2021-01-28
Publication date: 2022-02-25
Anticipated expiration: 2041-01-28
Also published as: CN112947614A

Abstract

一种变速倾侧动量轮的主动振动控制方法，属于变速倾侧动量轮振动控制技术领域，用以解决现有的主动振动控制方法不能实现由于转子不平衡对变速倾侧动量轮有效的振动控制的问题。该主动振动控制方法包括：根据所述变速倾侧动量轮中转子、平衡环和电机轴之间的坐标变换关系，建立包含质量不平衡的变速倾侧动量轮系统；利用改进的位置域自适应陷波滤波器对所述变速倾侧动量轮系统中转子倾侧角进行校正，从而实现对变速倾侧动量轮系统的主动振动控制。本发明方法特别适用于变速倾侧动量轮转子变速工况下的主动振动控制，且实现方便，参数整定简单，适合工程应用，同样适用于匀速工况下的主动振动控制。

Description

一种变速倾侧动量轮的主动振动控制方法

技术领域

本发明涉及变速倾侧动量轮振动控制技术领域，具体涉及一种变速倾侧动量轮的主动振动控制方法。

背景技术

变速倾侧动量轮作为一种新型的航天器姿态控制和姿态敏感装置，兼具变速双框架控制力矩陀螺和动力调谐陀螺仪的功能和特点。通过精确控制一个可以绕定点倾侧和变速、高速旋转的三自由度飞轮转子，可以同时实现两轴姿态角速率测量和三轴力矩输出，极大地降低航天器姿态控制与测量系统的体积、质量、功耗和成本，提高系统集成度，对微小航天器的发展具有重要意义。

引起变速倾侧动量轮产生倾侧振动的原因包括转子不平衡、机械摩擦、内外挠性轴空间位置误差等非理想因素，其中转子不平衡是产生倾侧振动的主要原因。由于加工和装配过程中不可避免地存在误差，变速倾侧动量轮转子存在一个质量偏心，导致在运行过程中，转子的质量中心偏离几何中心，从而产生与转速同频的振动，影响转子的运行平稳性。因此，必须对变速倾侧动量轮的振动进行控制，从而保证角动量空间指向的精度，提高系统工作的平稳性和可靠性。现有技术中针对转子不平衡的主动振动控制，多是在转子匀速运行时进行设计，然而，变速倾侧动量轮主要工作在变速状态，传统的主动振动控制方法无法实现有效的振动控制。

发明内容

鉴于以上问题，本发明提出一种变速倾侧动量轮的主动振动控制方法，用以解决现有的主动振动控制方法不能实现由于转子不平衡对变速倾侧动量轮有效的振动控制的问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种变速倾侧动量轮的主动振动控制方法包括以下步骤：

步骤一、根据所述变速倾侧动量轮中转子、平衡环和电机轴之间的坐标变换关系，建立包含质量不平衡的变速倾侧动量轮系统；

步骤二、利用改进的位置域自适应陷波滤波器对所述变速倾侧动量轮系统中转子倾侧角进行校正，从而实现对变速倾侧动量轮系统的主动振动控制。

进一步地，步骤一中所述变速倾侧动量轮系统的组成结构包括转子、电机轴、内挠性轴、外挠性轴、平衡环和力矩线圈，其中，内挠性轴、外挠性轴和平衡环组成挠性接头支撑结构以改变转子的轴向旋转速度；力矩线圈通以电流对转子施加径向控制力矩以控制转子的倾侧运动。

进一步地，步骤一中所述变速倾侧动量轮系统运行时的控制过程为：

将质量不平衡引起的转子振动等效于引入扰动力矩T_d(t)和测量扰动

将测量扰动

加入输出信号中得到包含测量扰动的输出信号

并将输入信号

与所述输出信号

经过加法器做差得到偏差信号e(s)，所述偏差信号e(s)经过基本控制器C(s)得到输出电压信号，所述输出电压信号经过功率放大器P(s)输入力矩器T(s)，所述力矩器T(s)将输入的力矩转换为壳体坐标系下的力矩，并与扰动力矩T_d(t)相加共同施加给转子R(s)。

进一步地，所述扰动力矩T_d(t)的表达式为：

其中，e_m表示转子质量偏心距；m_R表示转子质量；L表示等效力矩半径；ω_z表示转子转速；α表示转子不平衡扰动力矩的相角。

进一步地，所述测量扰动φ_d(t)的表达式为：

φ_d(t)＝e_gsin(ω_zt+β)

其中，e_g表示转子几何偏心距；ω_z表示转子转速；β表示测量扰动的相角。

进一步地，步骤二中利用改进的位置域自适应陷波滤波器对所述变速倾侧动量轮系统中转子倾侧角进行校正的具体过程为：将输入信号

与所述输出信号

经过加法器做差得到偏差信号e(s)之后，将所述偏差信号e(s)经过改进的位置域自适应陷波滤波器得到输出信号A_out2(s)，然后将所述偏差信号e(s)与所述输出信号A_out2(s)经过加法器做差得到的控制器输入信号

输入基本控制器C(s)。

进一步地，所述位置域自适应陷波滤波器的改进在于：对转子转速ω_z进行时域积分获得转子转过的角度

即

进一步地，所述位置域自适应陷波滤波器的传递函数为：

其中，s表示拉普拉斯算子；ε表示与自适应陷波滤波器的陷波带宽和收敛速度相关的设计参数。

进一步地，步骤二中在利用改进的位置域自适应陷波滤波器对所述变速倾侧动量轮系统中转子倾侧角进行校正后，通过下述传递函数实现对变速倾侧动量轮系统的主动振动控制：

本发明的有益技术效果是：

本发明将由于不平衡引起的转子振动等效于引入扰动力矩和测量扰动，提出了改进的位置域自适应陷波滤波器以实现变速倾侧动量轮两维倾侧回路的主动振动控制，能够实现对转速一倍频振动信号的有效抑制。与传统的时间域自适应陷波滤波器相比，所提出的位置域自适应陷波滤波器具有以下优点：无论转子运行于匀速还是变速状态，倾侧角的指令为常值信号还是时变信号，倾侧角一倍频振动的抑制比均能达到99％以上；该方法实现方便，参数整定简单，适合工程应用。本发明方法可推广应用于二倍频及其他频率的振动信号抑制，为提高变速倾侧动量轮三维力矩输出精度和两维姿态角速率测量精度奠定了基础。本发明特别适用于变速倾侧动量轮转子变速工况下的主动振动控制，当然也适于匀速工况下的主动振动控制。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。

图1为变速倾侧动量轮的基本组成结构图；

图2为变速倾侧动量轮转子不平衡的平面示意图；

图3为引入不平衡扰动的变速倾侧动量轮系统控制框图；

图4为现有的自适应陷波滤波器(ANF)的结构图；

图5为本发明改进的位置域自适应陷波滤波器(SANF)的结构图；

图6为本发明基于改进位置域自适应陷波滤波器(SANF)的变速倾侧动量轮系统的控制框图；

图7为变速倾侧动量轮速度变化曲线；

图8为不同转速下不平衡补偿环节传递函数Bode图；

图9为常值倾侧角指令变速运行下校正前后的倾侧振动对比图；其中，(a)为校正前倾侧角时域曲线图，(b)为校正后倾侧角时域曲线图；

图10为正弦倾侧角指令变速运行下校正前后的倾侧振动对比图；其中，(a)为校正前倾侧角时域曲线图，(b)为校正后倾侧角时域曲线图。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

变速倾侧动量轮基本组成结构如图1所示，其中，转子与电机轴相固连，通过内挠性轴、外挠性轴和平衡环组成的挠性接头支撑结构，改变转子的轴向旋转速度。内挠性轴与电机轴固连且正交，而外挠性轴则与平衡环固连且正交，由于该特殊结构，变速倾侧动量轮转子还可以沿内、外挠性轴旋转，故具有三个转向自由度，可以实现三轴控制力矩输出。力矩线圈是两轴正交分布的矩形线圈，固定在圆筒形薄壁骨架上，力矩线圈通以电流，对转子施加径向控制力矩，实现对转子的倾侧运动控制。

变速倾侧动量轮转子一倍频振动的原因主要包括转子不平衡、机械摩擦等非理想因素，其中，转子不平衡是引起一倍频振动的主要原因。由于加工工艺和装配工艺的限制，转子质心存在偏移，如图2所示，质量偏心距e_m和几何偏心距e_g分别表示转子的旋转中心O_r到质量中心O_m的距离，转子的几何中心O_g到质量中心O_m的距离。

本发明提出一种改进的位置域自适应陷波滤波器设计和主动振动控制方法。引入不平衡扰动的变速倾侧动量轮系统的控制框图如图3所示，其基本控制器C(s)为PD控制器，控制器输出的电压经功率放大器P(s)输入力矩器T(s)。系统的输入

为两维倾侧角指令，输出

为壳体坐标系下x轴和y轴的倾侧角。

将不平衡引起的转子振动等效于引入扰动力矩T_d(t)和测量扰动φ_d(t)。由于转子的质心偏移，离心力引起转子的振动，该扰动力矩T_d(t)是质量偏心距e_m与转子质量m_R、等效力矩半径L和转速ω_z的平方关于转子转速的正弦函数，其具体表达式为：

其中，α为转子不平衡扰动力矩的相角。

倾侧角传感器测量的转子几何中心的位移，测量扰动φ_d(t)代表着从质量中心到几何中心的坐标变换，φ_d(t)是几何偏心距e_g关于转子转速ω_z的正弦函数，其具体表达式为：

φ_d(t)＝e_gsin(ω_zt+β) (2)

其中，β为测量扰动的相角。

对倾侧角传感器测量得到的倾侧角时域信号进行FFT分析，可以得到倾侧角在各个频率点的幅值大小。根据公式(1)以及通过对变速倾侧飞轮倾侧角进行FFT分析可知，倾侧角一倍频幅值最大，即与转速同频的扰动是倾侧角产生振动的主要因素。针对匀速转子振动抑制所设计的自适应陷波滤波器(ANF,Adaptive Notch Filter)的具体结构如图4所示，由图4可知，

其中，ω_z为变速倾侧动量轮转子的转速；ε为设计参数，其选取与自适应陷波滤波器的陷波带宽和收敛速度有关，且ε≠0；e(t)为输入。上述自适应陷波滤波器ANF的传递函数为：

上述ANF控制器能在转子转速频率点ω_z处进行有效陷波，将该ANF控制器加入变速倾侧动量轮系统，当转子匀速运行时，将转子的转速信息引入ANF中，能够对与转速同频的倾侧振动信号进行有效抑制。

虽然采用如图4所示的ANF控制器能够有效控制变速倾侧动量轮系统转子倾侧的同频振动，但是其只能针对匀速运行的转子进行倾侧振动控制，当转子变速运行时，上述ANF控制器失效。因此在此基础上，针对变速倾侧动量轮变速工作的特点，同样为了抑制与转速同频的振动，本发明提出一种改进的位置域自适应陷波器(SANF,Spatial AdaptiveNotch Filter)，其具体结构如图5所示。当转子变速运行时，由于自适应陷波器结构中正余弦项中的ω_z和t两者均是时变的，此时ω_z×t已经不能表示转子转过的角度，故将ω_z×t替换成转子转过的角度

其中，

可以通过对转速ω_z进行积分得到，即有：

由此，公式(3)变为：

对公式(6)进行两次求导可得：

故可知本发明改进的位置域自适应陷波器SANF的传递函数为：

基于改进的位置域自适应陷波滤波器的变速倾侧动量轮系统的控制框图如图6所示，该陷波器的输入e到控制器输入φ_cin的传递函数为：

验证在变速运行下本发明方法的有效性和可靠性。

根据转子、平衡环和电机轴之间的坐标变换关系，可以利用仿真软件建立变速倾侧动量轮的非线性动力学仿真模型，并进行数值仿真。通过改变转子质心的方式添加转子不平衡，设置转子的质心偏移为[5 2 2]mm，设置转子先以3000rpm运行5s后，再以100rpm/s2升速，15s时达到4000rpm，并在此后保持4000rpm的转速匀速运行，即有：

其中，ω_z单位为rpm，转速变化曲线如图7所示。以ε＝1为例，按照图7所示的情况变速，分别在ω_z＝3000rpm、3500rpm和4000rpm时绘制N(s)的Bode图，如图8所示。根据图8可知，该改进的位置域自适应陷波滤波器能在转子变速运行时，具有自适应陷波的能力。

下面给出两种倾侧指令下的仿真实施例：

(1)设置倾侧角指令为

当转子按照图7所示转速运行时，对倾侧传感器检测到的倾侧角进行FFT分析，记录转子倾侧角一倍频幅值，得到如图9所示的倾侧角时域曲线。

(2)设置倾侧角指令为

当转子按照图7所示转速运行时，对倾侧传感器检测到的倾侧角进行FFT分析，记录转子倾侧角一倍频幅值，得到如图10所示的倾侧角时域曲线。

通过以上仿真可以看出，在各种条件下，无论是转子匀速或变速运行、倾侧角指令为常值或时变的，本发明方法针对倾侧角一倍频的抑制均可以取得很好的效果，一倍频振动的抑制比均能达到99％以上。

针对由转子不平衡引起的变速倾侧动量轮系统转子沿赤道轴和径向的高频混频振动的主动控制问题，与通过其他方法进行倾侧振动的主动控制相比，本发明方法具有自适应能力，且不依赖于转子的模型，无需复杂的算法，从而避免了大量复杂的运算问题，本发明改进的位置域自适应陷波滤波器的结构简单且易于实现。由于不需要经历辨识不平衡的环节，因而该算法不仅操作简易，而且具有快速性，且精度较高，针对变速倾侧动量轮系统的三自由度挠性支撑转子两维倾侧振动控制效果显著。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。