CN113879566A - 一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿方法，适用于频率固定或具有频率漂移特性的高频力矩干扰的自适应补偿应用。本专利提供了一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应前馈补偿方法，可实现在框架响应带宽低于转子频率的情况下，将转子动不平衡扰动频率幅值衰减至10％以下。从而极大程度地削弱了目前框架转速中最大的扰动因素即转子动不平衡扰动。实现将框架转速稳定度提升一倍，进而将控制力矩陀螺的输出力矩的稳定度也提升了一倍。

Description

一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿方法

技术领域

本发明涉及一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿方法，适用于频率固定或具有频率漂移特性的高频力矩干扰的自适应补偿应用。

背景技术

控制力矩陀螺作为大型航天器和强机动航天器的核心姿控部件，其输出力矩的稳定度和精度也就成为整星姿态控制稳定度和精度的决定性因素。控制力矩陀螺的输出力矩由高速转子的H矢量与低速框架转速叉乘得到，因而框架转速中包含的扰动成分就会极大程度的影响到输出力矩的稳定度与精度。框架转速受到多源干扰的影响，来源于测角系统、电机力矩波动、动静不平衡、系统谐振频率、柔性支撑耦合谐振频率等因素。其中按频率分可以分为低频扰动与高频扰动，通常在系统带宽范围内的频率可称为低频扰动，此类型扰动可通过设计鲁棒控制器等方法实现抑制。通过对框架转速进行频谱分析，可发现其中幅值最高的频率点为高速转子转速的频率，即高速转子平衡扰动的影响在框架转速中占比最高，且该高速转子旋转频率高于系统带宽的频率，而对于系统带宽范围外的频率可称为高频扰动。目前还没有有效方法可实现高频扰动抑制功能。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿方法，通过设计自适应前馈补偿算法，控制框架电机输出与高速转子转速同频，相位相反的正弦力矩，实现转子动不平衡高频力矩干扰的抑制。

本发明的技术解决方案是：一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿系统，包括：

转速调节器ASR模块，用于将转速指令ω^*与测角单元采集得到的电机转速ω之差处理为框架电机力矩电流指令值i_q ^*；

转速调节器AFC模块，用于在ACR模块的输入信号q轴电流指令i_q ^*处注入高频信号c(k)；所述高频信号c(k)为干扰力矩的同频反相信号；

电流调节器ACR模块，用于将输入的电流信号处理为力矩电压指令值u_q ^*和励磁电压指令值u_d ^*；所述输入的电流信号为力矩电流值指令值i_q ^*与力矩电流实际值i_q和AFC生成的同频反相力矩电流之差、励磁电流指令值i_d ^*与励磁电流实际值i_d之差；所述力矩电流实际值i_q和励磁电流实际值i_d由永磁同步电机PMSM的三相电流i_a、i_b、i_c依次通过clarke变换和Park变换得到；

反变换模块，用于对励磁电压指令值u_d ^*与力矩电压指令值u_q ^*进行Park反变换得到两相静止坐标系下的力矩电压指令值u_α ^*和励磁电压指令值u_β ^*，并依此生成PWM逆变器门控信号；

PWM逆变器，根据PWM逆变器门控信号输出三相电压u_a、u_b、u_c，驱动永磁同步电机PMSM的转动；

测角模块一方面通过实时检测的角度为Park变换和Park反变换的转换矩阵提供参数，另一方面所测角度通过转速计算方法得到的转速作为ASR模块的输入。

进一步地，所述Park变换和Park反变换的转换矩阵由测角元件实时采集得到的角度θ确定。

进一步地，所述高频信号c(k)通过调整参数实现正弦电流信号的幅值和相位的实时调整，具体为：

c(k)＝a·cosωt+b·sinωt+δ·v(k)

其中，a，b分别为自适应调整系数，同时调整两个系数可同时调整正弦波的幅值和相位，v(k)＝v*-v，其中，v*为低速框架的指令转速，v为低速框架的实际转速，系数δ用以使高频信号c(k)和干扰信号的幅值量级相当以加快收敛速度。

进一步地，所述高频信号c(k)中的参数a、b在每个控制周期进行迭代用以实时调整反相力矩的频率和相位，其中a、b利用梯度下降法进行参数迭代。

进一步地，所述利用梯度下降法对自适应调整系数来实时调整反相力矩的频率和相位，具体为：

以v(k)²作为代价函数，利用梯度下降法得到a、b的迭代关系如下所述：

其中，n+1代表当前一拍，n代表上一拍，γ为迭代步长，

为当前一拍正余弦信号的相位。

进一步地，γ为变步长迭代，具体为：以自适应调整系数的相邻两拍的变化量△W作为变步长条件，根据实时情况选择自适应系数变化率阈值V0；当V≤V0,γ由初始步长γ₀以半步长插值方法迭代至自适应系数变化率的最小值γ_m；当V>V0,γ迅速恢复至γ₀，其中γ₀≈10·γ_m，自适应调整系数的变化率V＝△W/△T。

根据所述的一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿系统实现的一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿方法，包括如下步骤：

将框架转速指令ω^*与测角单元采集得到的电机转速ω之差输入至转速调节器ASR，生成框架电机力矩电流指令值i_q ^*；

通过AFC模块对框架电机转速进行实时提取干扰信号的频率和相位，并生成反相同频电流信号c(k)，再将力矩电流值指令值i_q ^*与力矩电流实际值i_q和干扰信号同频反相的电流信号c(k)之差、励磁电流指令值i_d ^*与励磁电流实际值i_d之差同时输入电流调节器ACR，生成力矩电压指令值u_q ^*和励磁电压指令值u_d ^*；

励磁电压指令值u_d ^*与力矩电压指令值u_q ^*经过Park反变换得到两相静止坐标系下的力矩电压指令值u_α ^*和励磁电压指令值u_β ^*，并依此生成PWM逆变器门控信号，PWM逆变器输出三相电压u_a、u_b、u_c，驱动永磁同步电机PMSM的转动。

进一步地，所述永磁同步电机PMSM采用恒转矩角控制方式控制，即励磁电流指令值i_d ^*为0。

进一步地，所述高频信号c(k)通过调整参数实现正弦电流信号的幅值和相位的实时调整，具体为：

c(k)＝a·cosωt+b·sinωt+δ·v(k)

其中，a，b分别为自适应调整系数，同时调整两个系数可同时调整正弦波的幅值和相位，v(k)＝v*-v，其中，v*为低速框架的指令转速，v为低速框架的实际转速，系数δ用以使高频信号c(k)和干扰信号的幅值量级相当以加快收敛速度；

所述高频信号c(k)中的参数a、b在每个控制周期进行迭代；其中a、b的迭代方法是利用梯度下降法对自适应调整系数来实时调整反相力矩的频率和相位；

所述利用梯度下降法对自适应调整系数来实时调整反相力矩的频率和相位，具体为：

以v(k)²作为代价函数，利用梯度下降法得到a、b的迭代关系如下所述：

其中，n+1代表当前一拍，n代表上一拍，γ为迭代步长，

为当前一拍正余弦信号的相位。；

γ为变步长迭代，具体为：以自适应调整系数的相邻两拍的变化量△W作为变步长条件，根据实时情况选择自适应系数变化率阈值V0；当V≤V0,γ由初始步长γ₀以半步长插值方法迭代至自适应系数变化率的最小值γ_m；当V>V0,γ迅速恢复至γ₀；其中γ₀≈10·γ_m，自适应调整系数的变化率V＝△W/△T。

一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述的计算机程序被处理器执行时实现所述一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿方法的步骤。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提出了一种自适应前馈方法，控制框架电机输出与高频干扰力矩同频、反相的正弦力矩，解决CMG在响应带宽外的高频干扰抑制方法从而提升输出力矩的稳定性。

(2)本发明提出了一种变步长迭代的自适应前馈控制方法用以同时保证自适应算法过程中的稳定性和快速收敛性。

(3)本发明提出了一种通过调整自适应系数。

附图说明

图1为本发明系统框架示意图；

图2为未使用AFC模块时框架转速的时域图(左)和频域图(右)。

图3为使用AFC模块时框架转速的时域图(左)和频域图(右)。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿方法做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1～3所示)，以基于永磁同步电机的速度-电流双闭环PI控制为对象：

(1)获取干扰频率，通过实时监测高速转子霍尔信号得到高速转子的当前频率ω；

(2)进行同频反相力矩注入：在电流环q轴电流指令或q轴电压指令处注入高频信号，其中高频信号中包含自适应调整系数。

(3)利用梯度下降法对自适应调整系数来实时调整反相力矩的频率和相位。利用上述方法实现在框架转速中高速转子转速频率成分的消除，从而极大程度的提高了框架转速稳定度。

一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿系统，包括：

转速调节器ASR模块，用于将转速指令ω^*与测角单元采集得到的电机转速ω之差处理为框架电机力矩电流指令值i_q ^*；

转速调节器AFC模块，用于在ACR模块的输入信号q轴电流指令i_q ^*处注入高频信号c(k)；所述高频信号c(k)为干扰力矩的同频反相信号；

电流调节器ACR模块，用于将输入的电流信号处理为力矩电压指令值u_q ^*和励磁电压指令值u_d ^*；所述输入的电流信号为力矩电流值指令值i_q ^*与力矩电流实际值i_q和AFC生成的同频反相力矩电流之差、励磁电流指令值i_d ^*与励磁电流实际值i_d之差；所述力矩电流实际值i_q和励磁电流实际值i_d由永磁同步电机PMSM的三相电流i_a、i_b、i_c依次通过clarke变换和Park变换得到；

反变换模块，用于对励磁电压指令值u_d ^*与力矩电压指令值u_q ^*进行Park反变换得到两相静止坐标系下的力矩电压指令值u_α ^*和励磁电压指令值u_β ^*，并依此生成PWM逆变器门控信号；

PWM逆变器，根据PWM逆变器门控信号输出三相电压u_a、u_b、u_c，驱动永磁同步电机PMSM的转动；

测角模块一方面通过实时检测的角度为Park变换和Park反变换的转换矩阵提供参数，另一方面所测角度通过转速计算方法得到的转速作为ASR模块的输入。

在一种可能实现的方式中，转速计算方法为：相邻两个控制周期的测角值之差再除以控制周期，将所得值再进行低通滤波即为所述转速。

所述Park变换和Park反变换的转换矩阵由测角元件实时采集得到的角度θ确定。

进一步，所述高频信号c(k)通过调整参数实现正弦电流信号的幅值和相位的实时调整，具体为：

c(k)＝a·cosωt+b·sinωt+δ·v(k)

其中，a，b分别为自适应调整系数，同时调整两个系数可同时调整正弦波的幅值和相位，v(k)＝v*-v，其中，v*为低速框架的指令转速，v为低速框架的实际转速，系数δ用以使高频信号c(k)和干扰信号的幅值量级相当以加快收敛速度。

进一步，在一种可能实现的方式中，所述高频信号c(k)中的参数a、b在每个控制周期进行迭代；其中a、b的迭代方法是利用梯度下降法对自适应调整系数来实时调整反相力矩的频率和相位。

在一种可能实现的方式中，所述利用梯度下降法对自适应调整系数来实时调整反相力矩的频率和相位，具体为：

以v(k)²作为代价函数，利用梯度下降法得到a、b的迭代关系如下所述：

其中，n+1代表当前一拍，n代表上一拍，γ为迭代步长，

为当前一拍正余弦信号的相位。

在一种可能实现的方式中，γ为变步长迭代，具体为：以自适应调整系数的相邻两拍的变化量△W作为变步长条件，根据实时情况选择自适应系数变化率阈值V0；当V≤V0,γ由初始步长γ₀以半步长插值方法迭代至自适应系数变化率的最小值γ_m；当V>V0,γ迅速恢复至γ₀，其中γ₀≈10·γ_m，自适应调整系数的变化率V＝△W/△T。

在本申请实施例所提供的方案中，通过设计自适应前馈补偿算法(AFC)，控制框架电机输出与高速转子转速同频，相位相反的正弦力矩，实现转子动不平衡高频力矩干扰的抑制。即具体实现方法以基于永磁同步电机的速度-电流双闭环PI控制为对象，控制原理框图图1所示，每个控制周期执行如下步骤：

将框架转速指令ω^*与测角单元采集得到的电机转速ω之差输入至转速调节器ASR，生成框架电机力矩电流指令值i_q ^*；通过AFC模块对框架电机转速进行实时提取干扰信号的频率和相位，并生成反相同频电流信号c(k)，再将力矩电流值指令值i_q ^*与力矩电流实际值i_q和干扰信号同频反相的电流信号c(k)之差、励磁电流指令值i_d ^*与励磁电流实际值i_d之差同时输入电流调节器ACR，生成力矩电压指令值u_q ^*和励磁电压指令值u_d ^*；励磁电压指令值u_d ^*与力矩电压指令值u_q ^*经过Park反变换得到两相静止坐标系下的力矩电压指令值u_α ^*和励磁电压指令值u_β ^*，并依此生成PWM逆变器门控信号，PWM逆变器输出三相电压u_a、u_b、u_c，驱动永磁同步电机PMSM的转动；所述力矩电流实际值i_q和励磁电流实际值i_d由永磁同步电机PMSM的三相电流i_a、i_b、i_c依次通过clarke变换和Park变换得到；所述Park变换和Park反变换的转换矩阵由测角元件实时采集得到的角度θ确定。

AFC模块为自适应调节模块，其输入为转速指令与实际转速之差，其输出为同频反相力矩电流，该力矩电流的幅值通过AFC模块自适应调节实现输出。

该模块的设计步骤如下所述：

(1)获取干扰频率：控制力矩陀螺的高速电机安装于与框架电机相连接的支架上，因而高速电机的转速频率会直接耦合到框架电机的转速上来，通过对框架电机的测量转速做频谱分析，可以得到其高速电机旋转频率所对应的幅值远高于其他频率的幅值，如图2所示。该频率即为本专利中所定义的干扰频率。

(2)注入同频反相力矩电流：该同频反相力矩电流作为AFC模块的输出，在本专利中定义为注入高频信号c(k)。

c(k)＝a·cosωt+b·sinωt+δ·v(k)

其中，a，b分别为自适应调整系数，同时调整两个系数可同时调整正弦波的幅值和相位，v(k)＝v*-v，其中v*为低速框架的指令转速，v为低速框架的实际转速。系数δ是为了让c(k)和干扰信号的幅值量级相当以加快收敛速度。

(3)自适应调整

利用梯度下降法对自适应调整系数来实时调整反相力矩的频率和相位。以v(k)²作为代价函数，利用梯度下降法得到a、b的迭代关系如下所述：

其中，n+1代表当前一拍，n代表上一拍，γ作为迭代步长。

(4)稳定性保证

为保证收敛过程的稳定性，提出以下两点作为条件：

γ作为迭代步长，其过大会引起输出震荡，过小会导致收敛过慢，因而为了兼顾输出的稳定性与收敛速度，因而γ将选择变步长迭代。此处，以自适应调整系数的相邻两拍的变化量△W(即自适应调整系数的变化率V＝△W/△T)作为变步长条件。根据系统实际情况选择自适应系数变化率阈值V0。当V≤V0,γ由初始步长γ₀以半步长插值方法迭代至自适应系数变化率的最小值γ_m。当V>V0,γ迅速恢复至γ₀。其中γ₀≈10·γ_m。

(5)实现效果

图2为未使用该专利方法(AFC)所测得的转速时域图与频域图，图3为使用该专利方法测得的转速时域图与频域图。通过两个图的对比可以看出使用该专利方法后，从频域角度看，高速转子的动不平衡扰动频率幅值衰减至12％以下，而从时域角度看，框架转速的波动量衰减至24％以下。利用上述方法实现在框架转速中高速转子转速频率成分的消除，极大程度的提高了框架转速稳定度及输出力矩的稳定度，从而对整星的姿态控制稳定度也有提升。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿系统，其特征在于，包括：

转速调节器ASR模块，用于将转速指令ω^*与测角单元采集得到的电机转速ω之差处理为框架电机力矩电流指令值i_q ^*；

转速调节器AFC模块，用于在ACR模块的输入信号q轴电流指令i_q ^*处注入高频信号c(k)；所述高频信号c(k)为干扰力矩的同频反相信号；

电流调节器ACR模块，用于将输入的电流信号处理为力矩电压指令值u_q ^*和励磁电压指令值u_d ^*；所述输入的电流信号为力矩电流指令值i_q ^*与力矩电流实际值i_q和AFC生成的同频反相力矩电流之差、励磁电流指令值i_d ^*与励磁电流实际值i_d之差；所述力矩电流实际值i_q和励磁电流实际值i_d由永磁同步电机PMSM的三相电流i_a、i_b、i_c依次通过clarke变换和Park变换得到；

反变换模块，用于对励磁电压指令值u_d ^*与力矩电压指令值u_q ^*进行Park反变换得到两相静止坐标系下的力矩电压指令值u_α ^*和励磁电压指令值u_β ^*，并依此生成PWM逆变器门控信号；

PWM逆变器，根据PWM逆变器门控信号输出三相电压u_a、u_b、u_c，驱动永磁同步电机PMSM的转动；

测角模块一方面通过实时检测的角度为Park变换和Park反变换的转换矩阵提供参数，另一方面所测角度通过转速计算方法得到的转速作为ASR模块的输入。

2.根据权利要求1所述的一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿系统，其特征在于：所述Park变换和Park反变换的转换矩阵由测角元件实时采集得到的角度θ确定。

3.根据权利要求1所述的一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿系统，其特征在于，所述高频信号c(k)通过调整参数实现正弦电流信号的幅值和相位的实时调整，具体为：

c(k)＝a·cosωt+b·sinωt+δ·v(k)

其中，a，b分别为自适应调整系数，同时调整两个系数可同时调整正弦波的幅值和相位，v(k)＝v^＊-v，其中，v^＊为低速框架的指令转速，v为低速框架的实际转速，系数δ用以使高频信号c(k)和干扰信号的幅值量级相当以加快收敛速度。

4.根据权利要求3所述的一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿系统，其特征在于：所述高频信号c(k)中的参数a、b在每个控制周期进行迭代用以实时调整反相力矩的频率和相位，其中a、b利用梯度下降法进行参数迭代。

5.根据权利要求4所述的一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿系统，其特征在于，所述利用梯度下降法对自适应调整系数来实时调整反相力矩的频率和相位，具体为：

以v(k)²作为代价函数，利用梯度下降法得到a、b的迭代关系如下所述：

其中，n+1代表当前一拍，n代表上一拍，γ为迭代步长，

为当前一拍正余弦信号的相位。

6.根据权利要求5所述的一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿系统，其特征在于，γ为变步长迭代，具体为：以自适应调整系数的相邻两拍的变化量ΔW作为变步长条件，根据实时情况选择自适应系数变化率阈值V0；当V≤V0，γ由初始步长γ₀以半步长插值方法迭代至自适应系数变化率的最小值γ_m；当V＞V0，γ迅速恢复至γ₀，其中γ₀≈10·γ_m，自适应调整系数的变化率V＝ΔW/ΔT。

7.根据权利要求1所述的一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿系统实现的一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

将框架转速指令ω^*与测角单元采集得到的电机转速ω之差输入至转速调节器ASR，生成框架电机力矩电流指令值i_q ^*；

通过AFC模块对框架电机转速进行实时提取干扰信号的频率和相位，并生成反相同频电流信号c(k)，再将力矩电流值指令值i_q ^*与力矩电流实际值i_q和干扰信号同频反相的电流信号c(k)之差、励磁电流指令值i_d ^*与励磁电流实际值i_d之差同时输入电流调节器ACR，生成力矩电压指令值u_q ^*和励磁电压指令值u_d ^*；

励磁电压指令值u_d ^*与力矩电压指令值u_q ^*经过Park反变换得到两相静止坐标系下的力矩电压指令值u_α ^*和励磁电压指令值u_β ^*，并依此生成PWM逆变器门控信号，PWM逆变器输出三相电压u_a、u_b、u_c，驱动永磁同步电机PMSM的转动。

8.根据权利要求7所述的一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿方法，其特征在于：所述永磁同步电机PMSM采用恒转矩角控制方式控制，即励磁电流指令值i_d ^*为0。

9.根据权利要求7所述的一种控制力矩陀螺框架系统高频扰动的自适应补偿系统，其特征在于，所述高频信号c(k)通过调整参数实现正弦电流信号的幅值和相位的实时调整，具体为：

c(k)＝a·cosωt+b·sinωt+δ·v(k)

其中，a，b分别为自适应调整系数，同时调整两个系数可同时调整正弦波的幅值和相位，v(k)＝v*-v，其中，v*为低速框架的指令转速，v为低速框架的实际转速，系数δ用以使高频信号c(k)和干扰信号的幅值量级相当以加快收敛速度；

所述高频信号c(k)中的参数a、b在每个控制周期进行迭代；其中a、b的迭代方法是利用梯度下降法对自适应调整系数来实时调整反相力矩的频率和相位；

所述利用梯度下降法对自适应调整系数来实时调整反相力矩的频率和相位，具体为：

以v(k)²作为代价函数，利用梯度下降法得到a、b的迭代关系如下所述：

其中，n+1代表当前一拍，n代表上一拍，γ为迭代步长，

为当前一拍正余弦信号的相位。；

γ为变步长迭代，具体为：以自适应调整系数的相邻两拍的变化量ΔW作为变步长条件，根据实时情况选择自适应系数变化率阈值V0；当V≤V0，γ由初始步长γ₀以半步长插值方法迭代至自适应系数变化率的最小值γ_m；当V＞V0，γ迅速恢复至γ₀；其中γ₀≈10·γ_m，自适应调整系数的变化率V＝ΔW/ΔT。

10.一种计算机可读存储介质，所述的计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述的计算机程序被处理器执行时实现如权利要求7～权利要求9任一所述方法的步骤。

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