專利名稱：一種高精度磁懸浮控制力矩陀螺框架伺服控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高精度磁懸浮控制力矩陀螺框架伺服控制系統(tǒng)，用于克服摩擦和其它 干擾力矩影響，實(shí)現(xiàn)框架伺服系統(tǒng)的高精度控制，提高磁懸浮控制力矩陀螺輸出力矩的精 度和響應(yīng)速度。
技術(shù)背景因具有輸出力矩大、精度高、壽命長、體積小、重量輕的顯著優(yōu)點(diǎn)，磁懸浮控制力矩 陀螺成為空間站、空間實(shí)驗(yàn)室等大型航天器和敏捷機(jī)動衛(wèi)星、對地觀測衛(wèi)星等的理想的新 一代姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。磁懸浮控制力矩陀螺主要包括磁懸浮高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和框架伺服系 統(tǒng)，其中磁懸浮高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)提供角動量，框架伺服系統(tǒng)改變角動量的方向，從而使磁懸 浮控制力矩陀螺輸出力矩，這個(gè)力矩作用在航天器上就可以改變航天器的姿態(tài)。磁懸浮控 制力矩陀螺輸出力矩的精度決定于高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)所提供的角動量的精度和框架伺服系統(tǒng)輸 出角速率的精度。為了提高磁懸浮控制力矩陀螺輸出力矩的精度必須提高框架伺服系統(tǒng)的 角速率輸出精度。除了控制系統(tǒng)本身的性能影響磁懸浮控制力矩陀螺框架輸出角速度的精度以外，摩擦 力矩、磁懸浮高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對框架力矩電機(jī)的擾動力矩、在地面時(shí)的重力產(chǎn)生的力矩等是 影響其輸出力矩精度的主要因素。 一般情況下控制系統(tǒng)本身的性能可以做得比較高，可以 不予考慮。在地面時(shí)的重力產(chǎn)生的力矩，可以通過配重的方法使之減至最小。而摩擦力矩、 磁懸浮高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)對框架力矩電機(jī)的擾動力矩的影響和抑制就比較復(fù)雜。目前對這兩種 干擾力矩的抑制主要是通過對干擾力矩進(jìn)行精確建?；蜃赃m應(yīng)建模，求得干擾力矩的模型 再進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)。主要存在以下兩個(gè)問題(1)干擾力矩的模型不可能很精確，總 是存在建模誤差，所以補(bǔ)償?shù)木炔桓?，而自適應(yīng)建模一般算法比較復(fù)雜；(2)這種方法 只能針對一類已知的干擾力矩進(jìn)行補(bǔ)償，對未知的干擾力矩不能進(jìn)行有效的補(bǔ)償。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種能夠精確抑制干擾力矩的 高精度磁懸浮控制力矩陀螺框架伺服控制系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 一種高精度磁懸浮控制力矩陀螺框架伺服控制系統(tǒng)，其特 征在于主要包括框架伺服系統(tǒng)控制器、框架伺服力矩電機(jī)、磁懸浮控制力矩陀螺框架、 力矩電機(jī)電流檢測電路、框架角速率檢測電路和干擾抑制器，其中框架伺服系統(tǒng)控制器由 速度環(huán)控制器、電流環(huán)控制器和驅(qū)動電路組成，并采用速度環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)控制；框架 角速率檢測電路檢測框架角速率后與給定角速率做差加至速度環(huán)控制器的輸入上，構(gòu)成速 度環(huán)控制；電機(jī)電流檢測電路檢測電機(jī)繞組電流后加至電流環(huán)控制器的輸入上，構(gòu)成電流 環(huán)控制；干擾抑制器由干擾力矩計(jì)算器和干擾補(bǔ)償量計(jì)算器組成；電機(jī)電流檢測電路、框 架角速率檢測電路實(shí)時(shí)檢測框架力矩電機(jī)繞組電流和框架角速率后，分別送入干擾力矩計(jì) 算器，由干擾力矩計(jì)算器實(shí)時(shí)計(jì)算出干擾力矩，再送入干擾補(bǔ)償量計(jì)算器中計(jì)算出干擾補(bǔ) 償量，將此干擾補(bǔ)償量加到速度環(huán)控制器的輸出上，即電流環(huán)控制器的輸入上，通過電流 環(huán)控制器調(diào)整驅(qū)動電路輸出電流的大小，由框架伺服力矩電機(jī)驅(qū)動磁懸浮控制力矩陀螺框 架，抑制摩擦力矩和其它擾動力矩的干擾，實(shí)現(xiàn)框架伺服系統(tǒng)角速率的高精度輸出。本發(fā)明的原理是如圖l所示的控制系統(tǒng)，r是系統(tǒng)輸入信號，^是干擾信號，W、 『2、『3、 K、『"『6、『7、『s、『9是通道上的傳遞函數(shù)，X、》z是三個(gè)節(jié)點(diǎn)，于是可 以列出節(jié)點(diǎn);c、 _y、 z處的方程-x = [(r - P^z,,-『8rf -『7,2上式整理可得^=5，其中^ =1 ，71 一『3 -^0罕5 -l5 ='曙n0 00-『,I 、 ， Z —""『3 + ，7 +『4，6 + ，『 9 '當(dāng)『 W+罕7時(shí),千擾信號d對系統(tǒng)的輸出Z沒有影響, ，4在磁懸浮控制力矩陀螺框架伺服電機(jī)控制系統(tǒng)中，取r是框架伺服系統(tǒng)的給定角速率，Z是框架伺服系統(tǒng)的角速率輸出『;是速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)；『2是電流環(huán)前饋通道傳遞函數(shù)，『2具有以下的形 式^=&_,+&_,/3，其中&_,是比例系數(shù)，K,j是積分時(shí)間常數(shù)(&_三0) ; ff產(chǎn)丄。s+及。，丄。 是框架伺服力矩電機(jī)單相繞組的電感(單位H) ， i 。是框架伺服為矩電機(jī)單相繞組的電阻(單位Q);『嚴(yán)ii^是框架伺服力矩電機(jī)的力矩系數(shù)(單位N-m/A);『5= 1， ■/是框架伺服力矩電機(jī)所帶負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量(單位kg.m2)，萬是角速率阻尼系數(shù)；『6=&，是由電機(jī)決定的常數(shù)(單位V，S);『7是電機(jī)電流檢測電路的傳遞函數(shù)，『7具有以下的 形式『7=^^/(7^+1)，其中ii^是比例系數(shù)，7k是時(shí)間常數(shù)，其大小由電流檢測電路決定 (r,20，單位秒)；『fS(s)是干擾抑制器的傳遞函數(shù)，『9是框架角速率檢測電路的傳遞 函數(shù)。則當(dāng)5(力-^J^Sl時(shí)，干擾力矩^對系統(tǒng)的角速率輸出z沒有影響，這是框架角速率對干擾力矩的不變性。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1) 只需要對框架伺服力矩電機(jī)建模，而不需要對摩擦力矩和其它的干擾力矩建模， 大大降低了建模的難度，具有很強(qiáng)的可操作性。(2) 只要干擾抑制器的傳遞函數(shù)滿足對框架角速率輸出的不變性條件，理論上任何形 式的干擾信號都不會對框架角速率產(chǎn)生影響，對干擾信號的適應(yīng)性強(qiáng)，可以有效抑制摩擦 及其它各種形式的干擾力矩。


圖1為本發(fā)明的原理框圖；圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成框圖；圖3為本發(fā)明的電機(jī)電流檢測電路原理框圖；圖4為本發(fā)明的框架角速率檢測電路原理框圖；圖5為本發(fā)明的框架伺服控制系統(tǒng)原理框圖；圖6為對沒有使用本發(fā)明所述的干擾抑制器的磁懸浮控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)加入頻率為500Hz的干擾力矩時(shí)，框架角速率的波形；圖7為在磁懸浮控制力矩陀螺框架伺服控制系統(tǒng)中使用本發(fā)明的干擾抑制器，并加入 與圖6同等幅度和頻率的干擾力矩時(shí)框架角速率的輸出波形。圖8為對沒有使用本發(fā)明所述的干擾抑制器的磁懸浮控制力矩陀螺框架伺服系統(tǒng)加入 頻率為50Hz的干擾力矩時(shí)，框架角速率的波形；圖9為在磁懸浮控制力矩陀螺框架伺服控制系統(tǒng)中使用本發(fā)明的干擾抑制器，并加入 與圖8同等幅度和頻率的干擾力矩時(shí)框架角速率的輸出波形。
具體實(shí)施方式
如圖2所示，本發(fā)明主要包括框架伺服系統(tǒng)控制器1、框架伺服力矩電機(jī)2、磁懸浮控 制力矩陀螺框架3、力矩電機(jī)電流檢測電路4、框架角遞率檢測'電路5和干擾抑制器6，其 中框架伺服系統(tǒng)控制器1由速度環(huán)控制器11、電流環(huán)控制器12和驅(qū)動電路13組成，干擾 抑制器6由干擾力矩計(jì)算器61和干擾補(bǔ)償量計(jì)算器62組成?？蚣芙撬俾蕶z測電路5檢測 框架角速率后與給定角速率做差加至速度環(huán)控制器11的輸入上，構(gòu)成速度環(huán)控制；電機(jī)電 流檢測電路4檢測電機(jī)繞組電流后加至電流環(huán)控制器12的輸入上，構(gòu)成電流環(huán)控制；通過
電機(jī)電流檢測電路4、框架角速率檢測電路5實(shí)時(shí)檢測的框架力矩電機(jī)繞組電流和框架角速 率，還被送入干擾力矩計(jì)算器61，實(shí)時(shí)計(jì)算出干擾力矩，再由干擾補(bǔ)償量計(jì)算器62計(jì)算出 干擾補(bǔ)償量，加到速度環(huán)控制器11的輸出上，調(diào)整驅(qū)動電路13輸出電流的大小，由框架 伺服力矩電機(jī)2驅(qū)動磁懸浮控制力矩陀螺框架3，實(shí)現(xiàn)摩擦力矩和其它擾動力矩干擾的精確 抑制，達(dá)到框架伺服系統(tǒng)的高精度角速率輸出的目的。如圖3所示，框架伺服力矩電機(jī)2的電流信號由電機(jī)電流傳感電路4檢測，經(jīng)直流偏 置41后，進(jìn)行二階低通濾波42,送到干擾抑制器6中。如圖4所示，框架伺服力矩電機(jī)2的角速率信號經(jīng)框架角速率檢測電路5檢測，經(jīng)直 流偏置51后，進(jìn)行二階低通濾波52，送到干擾抑制器6中。如圖5所示，本發(fā)明的框架伺服控制系統(tǒng)控制器電流環(huán)控制器和速度環(huán)控制器組成， 本實(shí)施方案中電流環(huán)控制器采用比例調(diào)節(jié)器，其比例系數(shù)為/:";電流反饋通道(電機(jī)電 流檢測電路)近似為比例環(huán)節(jié)，其比例系數(shù)為1;速度環(huán)控制器采用比例積分調(diào)節(jié)器，其傳 遞函數(shù)為(A"s+《,))/s?？蚣芰仉姍C(jī)繞組電流和角速率分別經(jīng)過電機(jī)電流檢測電路4和框架角速率檢測電路 5實(shí)時(shí)檢測后，送入干擾力矩計(jì)算器61，按下面公式計(jì)算干擾力矩//(S一『(S)(Js+巧-^/。(S)，其中『(S)是框架角速度，J是框架伺服力矩電機(jī) 所帶負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量(單位kgTI12) ， 5是角速率阻尼系數(shù)；Kw是框架伺服力矩電機(jī)的力矩系數(shù)(單位N.m/A) ， s是復(fù)域變量。然后再送入干擾補(bǔ)償量計(jì)算器(62)中進(jìn)行干擾補(bǔ)償量的計(jì)算，干擾補(bǔ)償量計(jì)算器62按下公式計(jì)算干擾補(bǔ)償量Z(S):Z(s)=5(s)i/(s)。干擾補(bǔ)償量計(jì)算器(62)的傳遞函數(shù)S(S)具有以下的形式<formula>formula see original document page 7</formula>其中丄。是框架伺服力矩電機(jī)單相繞組的電感(單位H) ， / 。是框架伺服力矩電機(jī)單 相繞組的電阻(單位Q)，『2是電流環(huán)控制器12的傳遞函數(shù)，『7是電機(jī)電流檢測電路 4的傳遞函數(shù)。圖6、圖7是用MATLAB仿真的在沒有使用和使用了本發(fā)明的干擾抑制器兩種情況下， 磁懸浮控制力矩陀螺框架的輸出角速率波形。對沒有使用干擾抑制器的框架伺服系統(tǒng)加入 頻率為500Hz的正弦干擾力矩進(jìn)行仿真時(shí)，框架角速率受到的擾動比較大，其峰峰值約為 0.25弧度每秒，如圖6所示。而使用本發(fā)吸的干擾抑制器后，框架角速率基本沒有受到擾動的影響，如圖7所示。圖8、圖9是用MATLAB仿真的在沒有使用和使用了本發(fā)明的干 擾抑制器兩種情況下，加入頻率為50Hz的正弦干擾力矩進(jìn)行仿真時(shí)，磁懸浮控制力矩陀螺 框架的輸出角速率波形。對應(yīng)圖6、圖7、圖8、圖9可以看出該干擾抑制器對不同頻率的 干擾力矩都具有同樣顯著的抑制效果。本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1、 一種高精度磁懸浮控制力矩陀螺框架伺服控制系統(tǒng)，其特征在于主要包括框架伺 服系統(tǒng)控制器(1)、框架伺服力矩電機(jī)(2)、磁懸浮控制力矩陀螺框架(3)、力矩電機(jī) 電流檢測電路(4)、框架角速率檢測電路(5)和干擾抑制器(6)，其中框架伺服系統(tǒng)控 制器(1)由速度環(huán)控制器(11)、電流環(huán)控制器(12)和驅(qū)動電路(13)組成，并采用速 度環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)控制；框架角速率檢測電路(5)檢測框架角速率后與給定角速率做差 加至速度環(huán)控制器(11)的輸入上，構(gòu)成速度環(huán)控制；電機(jī)電流檢測電路(4)檢測電機(jī)繞 組電流后加至電流環(huán)控制器(12)的輸入上，構(gòu)成電流環(huán)控制；干擾抑制器(6)由干擾力 矩計(jì)算器(61)和干擾補(bǔ)償量計(jì)算器(62)組成；電機(jī)電流檢測電路(4)、框架角速率檢 測電路(5)實(shí)時(shí)檢測框架力矩電機(jī)繞組電流和框架角速率后，分別送入干擾力矩計(jì)算器 (61),由干擾力矩計(jì)算器(61)實(shí)時(shí)計(jì)算出干擾力矩，再送入干擾補(bǔ)償量計(jì)算器(62) 中計(jì)算出干擾補(bǔ)償量，將此干擾補(bǔ)償量加到速度環(huán)控制器(11)的輸出上，即電流環(huán)控制 器(12)的輸入上，通過電流環(huán)控制器(12)調(diào)整驅(qū)動電路(13)輸出電流的大小，由框 架伺服力矩電機(jī)(2)驅(qū)動磁懸浮控制力矩陀螺框架(3)，抑制摩擦力矩和其它擾動力矩 的干擾，實(shí)現(xiàn)框架伺服系統(tǒng)角速率的高精度輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度磁懸浮控制力矩陀螺框架伺服控制系統(tǒng)，其特征在于 所述的干擾力矩計(jì)算器(61)按下公式計(jì)算干擾力矩/f(s):i/(s^『(s)C/s+5)Ua(s) 其中『(s)是框架角速度，J是框架伺服力矩電機(jī)所帶負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量，S是角速率阻 尼系數(shù)，i^是框架伺服力矩電機(jī)的力矩系數(shù)，s是復(fù)域變量。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度磁懸浮控制力矩陀螺框架伺服控制系統(tǒng)，其特征在于 所述的干擾補(bǔ)償量計(jì)算器(62)按下公式計(jì)算干擾補(bǔ)償量"s):￡(s)=5(s)/f(s)。其中5(S)為<formula>formula see original document page 2</formula>Z。是框架伺服力矩電機(jī)單相繞組的電感，及。是框架伺服力矩電機(jī)單相繞組的電阻，『2 是電流環(huán)控制器(12)的傳遞函數(shù)，『7是電機(jī)電流檢測電路(4)的傳遞函數(shù)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求r所述的高精度磁懸浮控制力矩陀螺框架伺服控制系統(tǒng)，其特征在于 所述的是電流環(huán)控制器(12)釆用比例調(diào)節(jié)器，或比例積分調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)『2具有以 下的形式『產(chǎn)A^」+尺,ys，其中《p一,是比例系數(shù)，^」是積分時(shí)間常數(shù)，&20。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度磁懸浮控制力矩陀螺框架伺服控制系統(tǒng)，其特征在于: 所述的速度環(huán)控制器(11)采用比例積分調(diào)節(jié)器。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度磁懸浮控制力矩陀螺框架伺服控制系統(tǒng)，其特征在于 所述的電機(jī)電流檢測電路(4)的傳遞函數(shù)采用比例環(huán)節(jié)，或采用一階慣性環(huán)節(jié)，即『7具有以下的形式<formula>formula see original document page 3</formula>，其中&》是比例系數(shù)，7;,是時(shí)間常數(shù)，r,化o。
全文摘要
一種高精度磁懸浮控制力矩陀螺框架伺服控制系統(tǒng)，主要包括磁懸浮控制力矩陀螺框架、框架伺服力矩電機(jī)、框架伺服系統(tǒng)控制器、力矩電機(jī)電流檢測電路、框架角速率檢測電路、干擾抑制器。本發(fā)明通過電流檢測電路、框架角速率檢測電路實(shí)時(shí)檢測力矩電機(jī)電流和框架角速率后，送入干擾抑制器，計(jì)算出相應(yīng)的干擾補(bǔ)償量，由框架伺服系統(tǒng)控制器調(diào)節(jié)輸出電流大小，實(shí)現(xiàn)干擾的抑制。應(yīng)用本發(fā)明克服了摩擦力矩對框架伺服系統(tǒng)角速率控制精度的影響，抑制了磁懸浮高速轉(zhuǎn)子對框架伺服系統(tǒng)的擾動和其它未知擾動，提高了框架伺服系統(tǒng)的角速率輸出精度和響應(yīng)速度，改善了磁懸浮控制力矩陀螺輸出力矩的精度和響應(yīng)速度。
文檔編號G05B11/32GK101145027SQ20071017601
公開日2008年3月19日 申請日期2007年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年10月17日
發(fā)明者孫津濟(jì), 房建成, 李建文, 李海濤, 王宗省 申請人:北京航空航天大學(xué)