磁悬浮控制力矩陀螺关键技术研究
控制力矩陀螺(Control Moment Gyro, CMG)具有响应快、输出力矩大、输出力矩连续等优点，是敏捷航天器姿态控制系统的关键执行机构。与机械CMG相比，磁悬浮CMG采用磁轴承支承高速飞轮转子，具有阻尼可调、微振动、无摩擦和长寿命的优点，是敏捷航天器实现快速响应和高精度姿态控制的理想解决方案。本文以实现磁悬浮CMG高精度控制为研究目标，分别就飞轮高性能驱动控制、高精度框架伺服控制、高速扁平转子悬浮控制以及控制系统设计与实现等几个关键控制问题展开研究。本文的主要研究工作如下： 1.以空间工程应用的高可靠性、安全性和低功耗为研究目标，提出了一种CMG高速磁悬浮飞轮转子高性能驱动方案。首先分析了传统三相全桥和基于Buck变换器的三相全桥功率变换器对飞轮驱动用小电感高速无刷直流电机的驱动性能，针对不足，提出了一种基于Buck变换器与三相H桥相组合的高容错能力新型功率变换器；其次，设计了反电势过零检测电路并分析了基于该电路实现无位置传感器控制存在的误差；再次，设计了一种高精度、高频率的测速算法，以此为基础提出了一种分段换相点误差快速补偿方法，实现了高可靠性、高精度换相，尤其提高了高速稳态时速度控制精度、降低了驱动功耗；最后，给出了控制系统的设计过程以及提出了相应的容错控制策略。实验结果表明，所提出的控制策略实现了高速飞轮高性能驱动控制。 2.研究了磁悬浮CMG飞轮变速率高精度力矩控制方法。为满足敏捷航天器稳态时高姿态稳定度的控制需求，提高磁悬浮CMG变速率模式下力矩输出精度，针对永磁无刷直流电机非理想反电势和换相引起的转矩脉动，分别提出补偿控制策略。非换相期间，根据转速和位置信息，估计实时反电势来获取参考电流，通过设计的力矩控制器直接计算出调制占空比以补偿非理想反电势引起的力矩脉动；分析全转速范围内换相期间转矩波动的特点，分别提出低速区非换相相调制和中高速区间关断相调制的换相转矩脉动抑制策略，并给出换相时间的计算方法。实验表明所提控制方法显著提高了飞轮的输出力矩精度，验证了方法的正确性和有效性。 3.提出了一种基于多相移谐振控制器的磁悬浮CMG框架伺服系统高精度速率控制方法。首先对磁悬浮CMG框架伺服系统中存在的转矩扰动：齿槽转矩、磁通谐波转矩、逆变器死区效应引起的转矩扰动、高速转子动不平衡引起的陀螺力矩进行了分析与建模，在此基础上提出了比例积分-多相移谐振控制器形式的电流环和速度环控制策略，对谐振控制器作用机理、参数设计和系统稳定性进行了分析。仿真与实验结果表明，该控制策略有效抑制了框架伺服系统存在的周期性转矩扰动，显著的改善了框架伺服系统的速率控制精度。 4.针对高速扁平磁悬浮转子强陀螺效应引起的悬浮稳定性问题，提出了一种基于转速的滤波器阶数预调交叉反馈控制方法。首先，采用广义坐标建立了磁悬浮转子系统的动力学模型，将非解耦的六个分散控制通道描述成五自由度解耦的形式；针对高速扁平转子的强陀螺效应，提出了一种基于转速增益的广义根轨迹交叉反馈控制设计方法，给出了详细的推导过程；在此基础上，提出了一种滤波器阶数预调交叉反馈控制方法，根据转速自适应调节滤波器的阶数，在不同转速段对进动模态和章动模态分别进行控制相位补偿；理论分析和实验结果表明，转速自适应滤波器阶数预调交叉反馈控制方法对陀螺效应抑制效果明显，实现了磁悬浮飞轮转子全转速范围高稳定度悬浮控制。 5.设计了基于现场可编程逻辑门阵列和数字信号处理器的磁悬浮控制力矩陀螺数字控制系统。首先，对悬浮控制系统和框架伺服系统的硬件组成进行了分析设计；其次对数字控制器的功能进行了规划，DSP作为主控制器主要实现复杂算法计算，FPGA作为协控制器主要实现数据采样、PWM发生和时序控制。最后，对框架伺服系统基于双通道旋转变压器的解码系统进行了设计。
磁悬浮控制力矩陀螺;高速扁平转子;力矩脉动;磁轴承;交叉反馈控制
国防科学技术大学
博士
航空宇航科学与技术
刘昆
2018
中文
V448.22
2020-04-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）