[發(fā)明專利]一種磁懸浮飛輪高精度主動振動控制系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710176720.3
• 申請日: 2007-11-01
• 公開（公告）號: CN101261496A
• 公開（公告）日: 2008-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 房建成;樊亞洪;劉彬;劉剛;文通;李彩鳳
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G05B11/32
• 分類號: G05B11/32
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 關(guān)玲;李新華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種磁懸浮飛輪高精度主動振動控制系統(tǒng)，用于磁懸浮飛輪的轉(zhuǎn)子不平衡振動的抑制和飛輪高精度控制。

背景技術(shù)

飛輪是衛(wèi)星等航天器姿態(tài)控制的主要執(zhí)行機構(gòu)。傳統(tǒng)的機械軸承飛輪通過滾珠軸承支承，剛性的滾珠軸承會將飛輪的不平衡力矩直接傳遞給航天器，同時滾珠軸承的潤滑還會導(dǎo)致粘滯力矩、力矩擾動，以及靜摩擦等，因而傳統(tǒng)的機械軸承飛輪也是航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)擾動力或擾動力矩的主要來源，這些擾動力或擾動力矩會降低航天器指向精度。隨著磁軸承技術(shù)的發(fā)展，磁懸浮飛輪技術(shù)研究受到了各國的普遍重視。磁懸浮飛輪具有無接觸、無摩擦、無需潤滑、高精度、長壽命等傳統(tǒng)機械軸承飛輪無可比擬的優(yōu)點，是高精度航天器姿態(tài)控制的理想執(zhí)行機構(gòu)。

然而磁懸浮飛輪在高精度姿態(tài)控制的應(yīng)用中也存在一定的問題，即磁懸浮飛輪仍存在一些振動源，如不平衡振動造成的飛輪基頻擾動、安裝誤差等非線性因素造成的擾動等，如果不對這些振動源引起的振動進(jìn)行抑制，將嚴(yán)重影響姿態(tài)控制的精度，磁懸浮飛輪的高精度等技術(shù)優(yōu)勢也無法得以體現(xiàn)，同時還會帶來功放飽和、功耗增加等一系列問題。因此如何對這些振動進(jìn)行抑制，已成為磁懸浮飛輪用于航天器姿態(tài)控制所要解決的主要問題之一。

轉(zhuǎn)子的不平衡振動會造成飛輪系統(tǒng)的基頻、二倍頻、三倍頻等擾動，是磁懸浮飛輪的最主要振動源。轉(zhuǎn)子存在不平衡，是指轉(zhuǎn)子的幾何軸與慣性主軸是不重合的，如附圖1所示。當(dāng)飛輪工作于高速時(臨界轉(zhuǎn)速以上)，由于飛輪轉(zhuǎn)子的自對中效應(yīng)，飛輪轉(zhuǎn)子會趨于繞慣性主軸旋轉(zhuǎn)，此時轉(zhuǎn)子幾何軸會繞慣性主軸旋轉(zhuǎn)。由于磁懸浮飛輪的工作原理是將飛輪轉(zhuǎn)子懸浮于轉(zhuǎn)子的幾何軸，因此磁軸承會向飛輪轉(zhuǎn)子施加主動控制力，由于作用力與反作用力的原理，此時就會有擾動力輸出。而飛輪的高精度控制是指飛輪輸出力矩的高精度控制，包括力矩大小和力矩方向的高精度控制兩部分。其中輸出力矩大小的高精度控制由電機的控制精度決定，而輸出力矩方向的高精度控制由飛輪本身的控制精度決定。所以由于轉(zhuǎn)子的不平衡造成的擾動力的輸出，必然影響飛輪輸出力矩的方向，因此如何對轉(zhuǎn)子的不平衡振動進(jìn)行抑制，成為磁懸浮飛輪應(yīng)用于高精度航天器姿態(tài)控制所亟待解決的問題。

在目前采用的磁懸浮飛輪高精度控制系統(tǒng)中，其不平衡振動控制器一般只采用不平衡量補償部分，即對飛輪轉(zhuǎn)子不平衡量造成的振動進(jìn)行補償，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)子繞慣性主軸旋轉(zhuǎn)時，不再對不平衡量部分施加主動控制力。但實際磁軸承系統(tǒng)中由于位移負(fù)剛度的存在，即使對轉(zhuǎn)子不平衡量部分不施加主動控制力，仍會有較大位移負(fù)剛度引起的振動傳出，從而無法實現(xiàn)磁懸浮飛輪的高精度主動振動控制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是：克服現(xiàn)有磁懸浮飛輪控制系統(tǒng)在飛輪高精度主動振動控制方面存在的不足，特別是解決不平衡量引起的不平衡振動和位移負(fù)剛度引起的振動，提供一種磁懸浮飛輪高精度主動振動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)磁懸浮飛輪的高精度主動振動控制。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種磁懸浮飛輪高精度不平衡振動控制系統(tǒng)，其特點在于包括：磁軸承控制器、電流傳感器、功放、PWM調(diào)制和位移傳感器，電流傳感器與磁軸承線圈和磁軸承控制器相連，用于檢測磁軸承線圈中電流并將檢測值送至磁軸承控制器；功放與PWM調(diào)制和磁軸承線圈相連，用于將調(diào)制后的PWM信號放大輸出至磁軸承線圈，對飛輪轉(zhuǎn)子施加主動控制；PWM調(diào)制與磁軸承控制器和功放相連，用于將磁軸承控制器生成的控制量進(jìn)行PWM調(diào)制以輸出到功放；位移傳感器與飛輪轉(zhuǎn)子和磁軸承控制器相連，用于檢測飛輪轉(zhuǎn)子的位移信號并將檢測值送至磁軸承控制器；磁軸承控制器由穩(wěn)定控制器、磁力補償、偏心估計和第一作用開關(guān)組成，穩(wěn)定控制器接收位移傳感器的輸出，其輸出與電流傳感器的輸出作和，與磁力補償?shù)妮敵鲎鞑詈笞鳛镻WM調(diào)制的輸入；第一作用開關(guān)與位移傳感器和偏心估計相連，用于控制是否將位移傳感器的輸出送至偏心估計；偏心估計接收第一作用開關(guān)的輸出信號，其輸出送至磁力補償，同時負(fù)反饋至位移傳感器的輸出端；磁力補償以偏心估計的輸出作為輸入，其輸出被穩(wěn)定控制器輸出與電流傳感器輸出之和所減去后送至PWM調(diào)制，中穩(wěn)定控制器用于對飛輪進(jìn)行穩(wěn)定控制，偏心估計用于確定飛輪轉(zhuǎn)子不平衡量的大小和位置，并對轉(zhuǎn)子不平衡量進(jìn)行補償以減小飛輪轉(zhuǎn)子的不平衡振動，同時確定磁力補償?shù)拇笮『臀恢茫帕ρa償用于對飛輪轉(zhuǎn)子懸浮氣隙波動所引起的不平衡磁拉力進(jìn)行補償，以減小位移負(fù)剛度引起的飛輪轉(zhuǎn)子的振動，其大小和位置由偏心估計確定，第一作用開關(guān)用于確定偏心估計和磁力補償?shù)淖饔脮r刻。

所述的磁力補償(9)的補償公式為：