[發(fā)明專利]一種輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110316528.6
• 申請日: 2011-10-18
• 公開（公告）號: CN102437802A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉剛;張聰;李光軍
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: H02P6/14
• 分類號: H02P6/14
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 成金玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)，用于對微小衛(wèi)星主動姿態(tài)控制用微小飛輪的高精度控制，特別適合于對體積重量、功耗和力矩精度有較高要求的空間應(yīng)用場合。

背景技術(shù)

按衛(wèi)星的質(zhì)量劃分，一般將1000kg以下的衛(wèi)星稱為小衛(wèi)星?，F(xiàn)代小衛(wèi)星具有許多大型衛(wèi)星不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，如體積小、重量輕、研制和發(fā)射成本低、研制周期短，在空間軌道上可布置較多的數(shù)量以作備份，提供更大的冗余。小衛(wèi)星還具有高新技術(shù)含量高、技術(shù)集成度高和功能密度大等特點(diǎn)，已成為最活躍、最富于挑戰(zhàn)性和具有廣闊商業(yè)前景的空間技術(shù)領(lǐng)域，也是21世紀(jì)衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。而微小衛(wèi)星作為小衛(wèi)星家族中的一員，具有小衛(wèi)星的共性特點(diǎn)，更適合科學(xué)技術(shù)試驗和大學(xué)教學(xué)，也可以組成低軌道衛(wèi)星星座。此外，微小衛(wèi)星的另一個突出特點(diǎn)是技術(shù)擴(kuò)展性強(qiáng)，從微小衛(wèi)星這一技術(shù)平臺出發(fā)，可進(jìn)一步向微小化發(fā)展而研制納衛(wèi)星；或向多用途化發(fā)展而研制小衛(wèi)星；或向集群化發(fā)展而研制微小衛(wèi)星星座；還可以向深空探測發(fā)展而研制小型深空探測器。

輕型高精度姿態(tài)控制系統(tǒng)的研制作為現(xiàn)代微小衛(wèi)星研制的關(guān)鍵技術(shù)，業(yè)已受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。目前采用的方案主要以重力梯度穩(wěn)定、主動磁控加一個偏置動量輪作為姿態(tài)控制的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)。微小飛輪作為一類應(yīng)用在100kg以下微小衛(wèi)星上的姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以提高衛(wèi)星功率密度、減輕衛(wèi)星的質(zhì)量、減小衛(wèi)星的體積并降低發(fā)射成本，適合微小衛(wèi)星“快、好、省”的原則。

現(xiàn)有的基于數(shù)字實(shí)現(xiàn)的飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)中：在中國專利“CN101800505A”公開的“一種磁懸浮飛輪轉(zhuǎn)速控制方法”中，采用光電碼盤利用M/T法進(jìn)行測速，并對轉(zhuǎn)速反饋值進(jìn)行模糊自適應(yīng)kalman濾波，具有較高的測速精度；而在中國專利“CN101127501”公開的“一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)高精度速率模式控制系統(tǒng)”中，以DSP為控制核心，低速時采用增量式軸角編碼器測速，高速時采用霍爾效應(yīng)位置傳感器測速，實(shí)現(xiàn)了磁懸浮反作用飛輪電機(jī)的高精度速率模式控制。但這兩種控制系統(tǒng)都需要高精度的測速裝置光電碼盤，受限于光源的壽命以及增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和體積重量，難以滿足微小衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的應(yīng)用需要。在中國專利“CN101388631”公開的“一種磁懸浮反作用飛輪電機(jī)控制系統(tǒng)”中，采用Cuk升降壓變換器和三相星型半橋，并經(jīng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)進(jìn)行控制，一定程度上改善了系統(tǒng)動態(tài)；但其采用霍爾位置傳感器，難以得到高精度的轉(zhuǎn)速信息，而且三相星型半橋降低了繞組效率并導(dǎo)致?lián)Q相轉(zhuǎn)矩脈動較大，影響了力矩輸出精度。

在中國專利“CN1968003”公開的“一種低耗、高可靠集成磁懸浮飛輪直流無刷電動機(jī)控制系統(tǒng)”中，采用FPGA系統(tǒng)進(jìn)行位置、速度、電流三環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)了直流無刷電動機(jī)控制器的集成化、低功耗，但其通過三閉環(huán)控制算法直接控制電機(jī)的位置，經(jīng)過位置、速度閉環(huán)算法才能得到電機(jī)控制所需要的參考電流，響應(yīng)速度較慢，并不適合飛輪這種工作在高速并通過變速來實(shí)現(xiàn)力矩輸出的應(yīng)用場合。而在中國專利“CN101734379A”公開的“一種基于FPGA的微小飛輪高集成度高精度控制系統(tǒng)”中，采用速率補(bǔ)償?shù)牧啬Ｊ娇刂品椒?，通過力矩補(bǔ)償器將速率指令值與位置檢測裝置的速率反饋值比較綜合得到補(bǔ)償力矩，但其位置檢測裝置仍然采用霍爾傳感器，無法得到高精度的速率反饋值，而且其力矩指令需經(jīng)過積分再乘以1/J才能得到速率指令值，需要準(zhǔn)確地知道飛輪轉(zhuǎn)子的慣性矩J，而J值往往不易準(zhǔn)確測得。

另外，在中國專利“CN102023652A”公開的“水箱液位控制器”中，采用單神經(jīng)自適應(yīng)PID控制器，輸出幾乎沒有超調(diào)，過渡時間短，動態(tài)響應(yīng)快；在中國專利“CN101673119”公開的“一種控制織機(jī)送經(jīng)卷取過程中經(jīng)紗張力穩(wěn)定的方法”中，基于主控制器PLC采用單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法在SAURER400型劍桿織機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗，取得了良好的控制效果。但在這兩種單神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法的工程應(yīng)用中，當(dāng)設(shè)定的神經(jīng)元增益較小時，系統(tǒng)響應(yīng)慢，超調(diào)量減?。划?dāng)設(shè)定的神經(jīng)元增益較大時，系統(tǒng)響應(yīng)快，但是超調(diào)量增大，調(diào)整時間變長，因此在工程應(yīng)用之前需要經(jīng)過大量的試驗來確定較優(yōu)的神經(jīng)元增益，未能真正地實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的功能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種采用非線性變換在線修正方法，基于改進(jìn)的單神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器并以FPGA模塊為控制核心的輕型高精度微小飛輪數(shù)字控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了微小衛(wèi)星姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高精度力矩輸出。