[發(fā)明專利]一種補(bǔ)償磁懸浮控制力矩陀螺磁軸承相位滯后的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110346838.2
• 申請(qǐng)日: 2011-11-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102424117A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-04-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 房建成;任元;陳彥鵬;陳建仔;崔華;向岷;王華培
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): B64G1/28
• 分類號(hào): B64G1/28
• 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)明涉及一種補(bǔ)償磁懸浮控制力矩陀螺磁軸承相位滯后的方法，適用于磁懸浮控制力矩陀螺高轉(zhuǎn)速下的高穩(wěn)定控制，屬于航天器慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

磁懸浮控制力矩陀螺(MSCMG)因具有無(wú)摩擦、低振動(dòng)、易于實(shí)現(xiàn)高精度和長(zhǎng)壽命等突出優(yōu)點(diǎn)而成為空間站、空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)和敏捷機(jī)動(dòng)衛(wèi)星等航天器姿態(tài)控制慣性執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重要發(fā)展方向。

在MSCMG電磁軸承控制系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)功率放大器的作用是向電磁軸承線圈提供相應(yīng)的電流以產(chǎn)生所需要的電磁力。電磁軸承開(kāi)關(guān)功放主要有脈寬調(diào)制(PWM)型、采樣保持型、滯環(huán)比較型和最小脈寬型等四種形式。其中，PWM開(kāi)關(guān)功放的優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率固定，能限制最小導(dǎo)通和關(guān)斷脈沖的寬度，輸出波形質(zhì)量好、穩(wěn)態(tài)精度高、可靠性高，在電磁軸承中得到了廣泛應(yīng)用。電磁軸承PWM開(kāi)關(guān)功放主要包括控制器、PWM發(fā)生器、全橋主電路和電流傳感器。

電磁軸承PWM開(kāi)關(guān)功放實(shí)際是一個(gè)電流跟蹤控制電路，它以電流為控制變量，其目標(biāo)是使輸出的實(shí)際電流能夠盡量無(wú)失真地跟蹤輸入控制信號(hào)。但電磁軸承開(kāi)關(guān)功放的相位滯后客觀存在，其主要包括數(shù)字控制延時(shí)和被控對(duì)象延時(shí)。

MSCMG轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具有強(qiáng)烈的陀螺效應(yīng)，而陀螺效應(yīng)對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在章動(dòng)穩(wěn)定性和進(jìn)動(dòng)穩(wěn)定性，其中章動(dòng)穩(wěn)定性是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素。章動(dòng)失穩(wěn)的根本原因是磁軸承控制系統(tǒng)相位滯后。磁軸承控制系統(tǒng)相位滯后主要包括磁軸承功放系統(tǒng)相位滯后和各種低通濾波環(huán)節(jié)導(dǎo)致的相位滯后，而磁軸承功放系統(tǒng)的相位滯后又是整個(gè)磁軸承控制系統(tǒng)相位滯后的主要方面。因此補(bǔ)償磁軸承功放系統(tǒng)相位滯后成為提高磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前，補(bǔ)償電磁軸承功放系統(tǒng)相位滯后的方法主要包括各種預(yù)估控制(如Smith預(yù)估控制)、超前校正控制和升壓控制等方法。預(yù)估控制的最大的優(yōu)點(diǎn)是將大延時(shí)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)大延時(shí)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，然而，預(yù)估控制需要已知對(duì)象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，而實(shí)際中是很難得到的。所以預(yù)估控制的魯棒性較差，當(dāng)模型不準(zhǔn)確時(shí)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)性能變差，甚至不穩(wěn)定。相角超前校正方法需要在通道中串入超前校正環(huán)節(jié)，必然增加系統(tǒng)的硬件電路或者軟件計(jì)算量。升壓控制方法雖然可以在一定程度上增加功放系統(tǒng)的帶寬，但其不可避免地增加了功耗和硬件電路，且無(wú)法從根本上補(bǔ)償被控對(duì)象延時(shí)。除此之外，提高功放系統(tǒng)控制器的比例系數(shù)及電流反饋系數(shù)也可在一定程度上減小系統(tǒng)的相位滯后，但因其受到功放放大倍數(shù)及功放電壓和開(kāi)關(guān)頻率等的制約，使其在高頻處的相位補(bǔ)償作用并不顯著。因此，現(xiàn)有的補(bǔ)償電磁軸承功放相位滯后的方法要么因增加了系統(tǒng)的硬件電路而降低了系統(tǒng)的可靠性，要么因增加了功放系統(tǒng)的軟件復(fù)雜性而帶來(lái)了更多的計(jì)算延時(shí)，而計(jì)算延時(shí)的增加又反過(guò)來(lái)加劇了功放系統(tǒng)的相位滯后。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是：克服現(xiàn)有的補(bǔ)償電磁軸承開(kāi)關(guān)功放相位滯后方法需要增加計(jì)算延時(shí)或增加大量硬件電路且方法復(fù)雜的不足，在只增加少量硬件電路的基礎(chǔ)上，通過(guò)雙平行不對(duì)稱采樣電阻網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)MSCMG磁軸承功放系統(tǒng)相位滯后的有效補(bǔ)償。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：根據(jù)磁懸浮控制力矩陀螺轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算額定章動(dòng)頻率，測(cè)試功放系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)相頻特性并確定在額定章動(dòng)頻率處需要補(bǔ)償?shù)南辔唤嵌龋⒃跍y(cè)試磁軸承繞組等效電感和電阻的基礎(chǔ)上得出雙平行不對(duì)稱采樣電阻網(wǎng)絡(luò)的不對(duì)稱因子，最后根據(jù)不對(duì)稱因子配置雙平行不對(duì)稱采樣電阻網(wǎng)絡(luò)。具體包括以下步驟：

(1)根據(jù)磁懸浮控制力矩陀螺轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速Ω_n和系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算磁懸浮轉(zhuǎn)子的額定章動(dòng)頻率ω_n：