控制力矩陀螺框架系统高精度复合控制研究

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1、第18卷第5期载人航天Vo1．18No．52012年9月19控制力矩陀螺框架系统高精度复合控制研究徐向波，房建成，杨莲慧(北京航空航天大学惯性技术重点实验室新型惯性仪表与导航系统国防重点学科实验室，北京100191)摘要控制力矩陀螺(CMG)是大型航天器姿态控制的关键执行机构，控制力矩陀螺框架系统的控制精度是影响其输出力矩精度的重要因素。为满足框架系统的恒速控制精度和随动控制精度，采用反馈控制与前馈控制相结合的复合控制方法；建立了采用永磁同步电机的框架系统动力学模型，采用矢量控制方法及高精度的角位置和角速度反馈控制

2、有效地提高了恒速控制精度，根据系统传递函数设计了前馈控制器，有效地提高了随动控制精度。实验结果显示：10o／s恒速控制精度为0．0012，10sin(6仃t)o／s正弦随动控制的幅值相对误差为0．18dB，相位差为8。，很好地满足了控制力矩陀螺的高精度输出力矩需求。关键词控制力矩陀螺；框架系统；复合控制；前馈控制中图分类号：TM4文献标识码：A文章编号：1674—5825(2012)05—0019—05系统的动态响应能力，但是重复控制器只能对周期1引言性的给定信号完成较好的跟踪，框架系统的给定角控制力矩陀螺是空间站

3、等大型航天器姿态控制速度往往没有周期性。的关键执行机构，它的力矩输出精度决定了航天器本文采用永磁同步电机作为框架系统的伺服电的姿态控制精度，而控制力矩陀螺框架系统的角速机，推导出框架系统的动力学模型，采用角位置、角率和角位置控制精度是影响其输出力矩大小和方向速度、电流三环控制及矢量控制以提高框架系统的的重要因素『l_31。控制力矩陀螺框架系统存在的非线速率控制精度，选取框架系统角速度环的传递函数性摩擦干扰使其在低速下出现爬行情况『4，5l，严重影的主导极点构建了前馈控制器，提高了框架系统的响了速率控制精度，同时为保

4、证恒速控制精度所采动态响应能力，框架系统达到了理想的控制精度。用的角位置、角速度和电流三环控制降低了框架系2CMG框架系统组成与动力学建模统带宽，影响了框架系统的随动控制精度。永磁无刷直流电机具有调速方便、功率密度大、2．1CMG框架系统组成控制简单等优点，被文献[6，7]用于控制力矩陀螺框CMG由高速转子系统和框架系统组成，其中高架系统的伺服控制，然而永磁无刷直流电机的力矩速转子系统提供角动量，框架转动迫使角动量变化，脉动严重影响了框架系统的低速控制性能。为提高由于陀螺效应，CMG对外输出力矩。框架系统的角框架系

5、统的随动控制精度，文献[8]采用模糊控制的位置和角速度控制精度是影响CMG输出力矩方向方法来设计前馈系数，然而模糊控制算法较为复杂，和大小的重要因素，框架系统的高精度控制包括恒需要大量的调试经验，重复控制器l9．10】也常用来提高速控制高精度和随动控制高精度，恒速控制的高精收稿日期：2011-07—26；修回日期：2012—05—03基金项目：载人航天领域预先研究项目(020106)作者简介：徐向波(1982一)，男，博士研究生，研究方向为磁悬浮控制力矩陀螺框架系统控制与磁轴承系统控制。E-mml：xuxiangb

6、ou9@163．corn载人航天第18卷图1CMG框架系统组成简图度使CMG输出稳态误差小且平稳的力矩，用精度和(3)转矩方程：稳定度来衡量；随动控制的高精度使CMG快速跟踪=1．5p(4,di-0i)(3)指令角速度，用跟踪正弦指令角速度时的幅值比和(4)运动方程：相位差来衡量。~-rL—bto(4)e图1为CMG框架系统组成简图。旋转变压器与轴角解码器解算出永磁同步电机转子的角位置和角其中，、为d、g坐标轴上的定子磁通分量；、L速度，电流互感器输出两相电机绕组电流，根据角位为d、g坐标轴上的等效电枢电感；、i为

7、d、g坐标置和两相绕组电流通过Clarke变换和Park变换得到轴上的定子电流分量；，为转子永磁体产生的与定直轴电流和交轴电流，根据给定角位置和反馈的角位子交链的磁链；、为d、q坐标轴上的定子电压分置和角速度经过三环控制器及前馈控制器的运算并量；R为定子电阻；p为极对数；o9为角速度；Te为电经过Park反变换得到相应的控制电压，经过空间矢磁转矩；．，为框架系统的转动惯量；b为粘滞摩擦系量脉宽调制(SVPwM)得到6路PWM脉冲，经过逆变数；为扰动力矩；桥逆变成交流强电压脉冲驱动永磁同步电机转动。由图1可知，本文采

8、用i=0控制方式，则：2．2永磁同步电机数学建模=永磁同步电机定子为三相对称绕组，转子为永，磁体，为建立永磁同步电机在d一口坐标系下的数学~gq=Lgi模型，首先假设：=一(5)(1)忽略电机铁心饱和；一(2)忽略电机的漏磁、磁滞损耗和涡流损耗；，(3)绕组电流为对称三相正弦波，且转子磁链在=1．Sp0，i气隙中呈正弦分布；3CMG框架系统控制器设计则永磁同