SGCMG框架伺服系统扰动力矩分析与控制

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1、20】3年2月第1期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnologySGCMG框架伺服系统扰动力矩分析与控制鲁明1‘2张欣2李耀华1(1中国科学院电力电子与电气驱动重点实验室，北京100190)(2北京控制工程研究所，北京100190)摘要单框架控制力矩陀螺框架伺服系统对扰动力矩抑制能力的不足限制了其控制精度的进一步提高。文章对框架伺服系统受到的扰动力矩及其对框架伺服系统控制性能的影响进行了分析；设计了基于终端滑模变结构控制策略和扰动观测器的框架转速控制器；利用变结构控制对系统干扰的不变性和对滑动模态控制的快速响应特性，实现了框架伺服系统在扰动力矩波动，尤其是高

2、频扰动力矩波动条件下的高精度控制。仿真结果表明，相比传统的比例一积分一微分控制策略，提出的控制方法可行有效，将框架转速波动量缩小了2／3。关键词控制力矩陀螺伺服系统扰动变结构控制空间执行机构DOI：10．3780／i．issn．1000758X．2013．01．0031引言控制力矩陀螺框架转速的控制精度直接影响着控制力矩陀螺整机的输出力矩精度，是控制力矩陀螺产品最关键的指标之一。影响框架伺服系统控制精度的因素有很多，其中扰动力矩的非线性和控制算法的鲁棒性是两个主要因素，关于框架伺服系统转速控制的研究也多集中于此。文献[卜2]分别采用了摩擦力矩观测器、扰动观测器及补偿算法，实现了对非线性扰动力矩

3、的有效抑制。然而，有限的观测器精度和带宽难以实现高精度的扰动力矩补偿和抑制。另外，扰动观测器对高频扰动的抑制效果较差。文献[3—4]设计了基于自适应滑模控制算法的位置环控制器进行外部扰动抑制，但针对位置环设计的滑模控制器对加在力矩环的扰动力矩波动补偿效果有限。文献[5]采用自抗扰控制理论设计了框架内外环控制器，该方法也没有实现对高频不平衡振动干扰力矩的抑制。已有方法虽然可以实现框架伺服系统对于扰动力矩波动的抑制作用，但对于扰动力矩波动的抑制效果，尤其是高频扰动力矩波动的抑制能力不足。而且目前对于框架伺服系统高频扰动力矩波动的抑制方法研究较少，且未见深入讨论。本文针对使用无刷直流电机间接驱动的单

4、框架控制力矩陀螺(SGCMG)框架伺服系统，对其受到的扰动力矩及其影响进行了分析，提出了基于终端滑模变结构控制策略和角加速度扰动观测器的扰动力矩抑制方法，对框架伺服系统扰动力矩，尤其是对高频扰动力矩进行了有效抑制。该方法对于提高控制力矩陀螺整机力矩输出精度具有一定的理论价值和工程意义。2扰动力矩及其影响分析2．1扰动力矩分析控制力矩陀螺框架伺服系统在工作过程中，受到扰动力矩的来源主要包括：1)星体转动时产生的陀螺力矩会在框架轴横向和轴向产生低频的扰动力矩；载人航天领域预先研究(020106)资助项f=j收稿日期：2012—0507。收修改稿Et期：201209—041生一——生垦窒囹型兰垫查!

5、!!!至!旦-_—●__—___●—●_●-—●___—__--_●___-—●●_-___●____-______●__-_-●______●_—____H___-____-—_-___●__-——__———————I●——————————一一一。2)高速转子的不平衡振动会在框架轴横向和轴向产生高频的扰动力矩扣。；3)框架转动产生的陀螺力矩正交于框架支撑轴承，使框架轴承摩擦力矩发生变化；4)地面试验过程中，框架角位置改变会导致由重力产生的摩擦力矩发生变化∽。；5)驱动电机产生的力矩波动。刊；6)框架轴承、减速器、导电滑环的摩擦力矩在低转速下具有强烈的非线性特征；7)温度、使用磨损、轴承润滑条

6、件改变造成的摩擦力矩变化。就扰动力矩幅值而言，来源1)引入的扰动力矩较大，来源2)、3)、4)次之，来源5)、6)、7)最小。就扰动频率而言，可分为与转子转速、电机力矩波动相关的高频扰动力矩和与星体转速、框架转速、框架角度等因素相关的低频扰动力矩。需要说明的是，高速转子不平衡振动对框架系统引入的干扰力矩存在于采用机械轴承支撑的控制力矩陀螺中。2．2框架伺服系统结构框架伺服系统采用无刷直流电机加谐波减速器结构问接驱动(见图i)。框架系统所受的扰动力矩包括减速器输入端的扰动1、输出端的扰动2及减速器本身的摩擦力矩。按照文献[8]中对于谐波减速器非线性摩擦的处理方法，可将扰动2和谐波减速器的摩擦力矩

7、合并到谐波减速器的输入端，作为扰动1来统一考虑，通过以上简化便于分析扰动力矩对框架转速控制性能的影响。控制器采用位置一转速电流三闭环控制策略，框架转速通过角位置信息差分得到，并通过Kalman滤波器进行平滑处理。图I采用位置一转速一电流三闭环控制策略的系统结构Fig．1Systemstructureusingposition-speed—currentcontrolstrategy2．3扰动力矩的