卫星姿态控制用永磁球形电机运动控制

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1、卫星姿态控制用永磁球形电机运动控制MotionControlofPermanentMagnetSphericalMotorforAttitudeControlofSatellite工程领域：电气工程作者姓名：邹志强指导教师：李桂丹副教授企业导师：李斌副教授天津大学电气自动化与信息工程学院二零一七年十一月摘要传统微小卫星惯性执行机构主要由多个惯性动量轮组成，这种控制方法一方面限制了卫星的体积和重量，另一方面由于各轴输出转矩间存在耦合，增加了姿态控制算法的难度。永磁球形电机转子不受机械约束，通过设定转

2、子旋转轴的朝向及旋转角速度，可以提供任意方向的转矩用于控制卫星姿态，因此可看作是一种万向动量轮，在航天领域有较为广泛的应用前景。传统球形电机控制策略主要采用欧拉角作为姿态描述量，在电机转子大角度运动时会不可避免地出现奇异。针对这一问题，本文采用四元数描述球形电机姿态，并根据四元数特性及欧拉刚体旋转定理，建立球形电机四元数形式的包含运动学方程和动力学方程在内的运动模型。此外本文利用有限元仿真和非线性拟合，构造球形电机转矩模型和反电动势模型。由于永磁球形电机整体运动模型具有高耦合非线性的特点，因此本文

3、采用滑模控制算法构建闭环控制系统，根据轨迹跟踪这一目标设计滑模切换函数，通过选择趋近律推导出滑模控制律的表达式，并证明在此控制律作用下系统的稳定性。在此基础上，本文引入模糊控制算法，根据系统状态实时调整滑模控制律不连续项的系数，用于平滑控制信号，优化球形电机滑模控制效果。此外，本文对球形电机运动系统进行反馈线性化解耦，并利用扩张PD控制构建闭环控制系统。考虑到参数漂移、模型误差及外部扰动对反馈线性化控制效果影响较大，本文引入基于巴特沃兹滤波器的干扰观测器用于补偿上述干扰。仿真结果表明两种算法对球形

4、电机均有良好控制效果。在此基础上，以DSP和FPGA作为控制核心、九轴传感器MPU-9250作为位置检测装置，搭建永磁球形电机实验平台。关键词：永磁球形电机，四元数，模糊滑模控制，反馈线性化，干扰观测器ABSTRACTTraditionalinertialactuatorforsmallsatelliteconsistsofseveralreactionwheels.Thiscontrolmethodlimitsthesizeandweightofthesatellite,andincreases

5、thedifficultyoftheattitudecontrolalgorithm.Therotorofpermanentmagnetsphericalmotor(PMSM)isnotmechanicallyrestrained.Byassigningthedirectionoftheaxisandangularvelocityoftherotation,itispossibletoprovidetorqueinanydirectionforcontrollingtheattitudeofthe

6、satellite.Thus,itcanberegardedasauniversalreactionwheelandhasawiderangeofapplicationprospectsinaerospacearea.ThetraditionalcontrolstrategiesofsphericalmotormainlyusetheEulerangleastheattitudedescriptionquantity,whichleadstoinevitablysingularitiesinthe

7、largeanglemovement.Toconquertheproblem,thispaperusesthequaterniontodescribethesphericalmotorattitude,andestablishesthemotionmodelwhichconsistsofdynamicequationsandkineticequationsbasedonthecharacteristicofquaternionandEulerrotationtheoremforrigidbody.

8、Inaddition,thefiniteelementandnonlinearfittingareappliedtobuildthetorquemodelandthebackelectromotiveforce(backEMF)modelofsphericalmotor.SincenonlinearityandhighcouplingexistinthemotionsystemofPMSM,aclosed-loopcontrolsystemisconstructedbyutiliz