[发明专利]一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制系统，可以用于补偿双框架磁悬浮控制力矩陀螺动框架效应对磁悬浮转子系统与框架系统的影响，实现对双框架磁悬浮控制力矩陀螺的稳定控制。

背景技术

控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope-CMG)是长寿命大型航天器或敏捷航天器等必不可少的姿态控制关键执行机构。CMG由高速转子系统和框架伺服系统两部分组成，高速转子提供角动量，框架强制高速转子改变角动量方向，使CMG输出陀螺力矩调整航天器姿态。框架自由度数和高速转子支承方式是决定CMG性能的两个最重要的因素。根据框架自由度的多少，CMG可以区分为单框架CMG和双框架CMG。相对而言，双框架CMG机械结构和控制更复杂，但控制能力由一个自由度增加为两个自由度，实现航天器三轴姿态稳定控制所需的CMG个数可减少一半，可以显著降低姿控系统的体积、重量和功耗。根据高速转子的支承方式，CMG又可以区分为机械支承CMG和磁悬浮CMG两种。机械支承高速转子存在固有的磨损和不平衡振动问题，影响了CMG的寿命和精度，相比之下，磁悬浮支承具有无接触无摩擦，振动主动可控的优点，不仅可以克服磨损和振动从而提高CMG的寿命和精度，而且可以大幅度提高转子转速，相同角动量情况下有利于降低CMG的体积和重量。双框架磁悬浮CMG综合了双框架和磁悬浮两方面的优点，不仅能够满足高精度和长寿命要求，同时还可以降低姿控执行机构的体积、重量和功耗，是实现空间机动平台高精度、高稳定度和快速机动姿态控制的理想执行机构。

双框架磁悬浮CMG同样存在动框架效应问题。所谓动框架效应，是指由于磁悬浮转子与框架之间的强陀螺耦合和惯性力矩耦合，框架转动时磁悬浮转子的径向角位移显著增大，稳定性显著下降甚至失稳，同时转子的径向运动又对框架运动构成扰动，降低框架的响应速度。动框架效应是所有磁悬浮CMG的共性问题，该效应不仅降低了磁悬浮高速转子系统的稳定性，而且影响框架系统的响应速度和精度，最终将严重影响磁悬浮CMG力矩输出的响应速度和精度，因而必须加以补偿和抑制。

双框架磁悬浮CMG综合了磁悬浮和双框架两方面优点，同时也兼具单框架磁悬浮CMG和双框架机械支承CMG的特点，且进一步复杂化。单框架磁悬浮CMG只存在磁悬浮转子系统和框架系统之间的动力学耦合，双框架机械支承CMG只存在两个框架之间的动力学耦合，而双框架磁悬浮CMG同时包含上述两种动力学耦合，即磁悬浮转子、内框和外框三者之间相互存在动力学耦合，使动力学行为和动框架效应进一步复杂化：第一，磁悬浮转子与内、外框之间存在相互影响的惯性耦合力矩和陀螺耦合力矩，其中与外框之间的动力学耦合不仅取决于外框本身，同时还与内框角位移有关；第二，内、外框之间存在陀螺效应导致的动力学耦合，即内、外框互锁现象，且这种动力学耦合不仅取决于框架运动，还与磁悬浮转子的径向转动有关；第三，不考虑轴承力非线性的前提下，单框架磁悬浮CMG为线性系统，而双框架磁悬浮CMG由于增加一个框架自由度，陀螺耦合力矩与内框角位移的余弦成正比，只要框架转速非零，就成为非线性系统，增加了控制难度。

现有技术中，如果直接提高磁轴承的闭环刚度抑制动框架效应，由于陀螺力矩对磁悬浮转子系统的动框架扰动较大，相应要求磁轴承具有很高的刚度，但磁轴承刚度过高容易导致磁悬浮系统不稳定，因而不适用；单框架磁悬浮CMG可以采用角速率-电流前馈控制方法抑制动框架效应，但双框架磁悬浮CMG具有非线性，因而不能沿用。此外，机械支承CMG不存在转子运动与框架运动的耦合问题，同时尚未发现磁轴承应用于两自由度伺服转动机电系统的先例，因而现有技术不能提供可借鉴的补偿或抑制方案。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有方法局限于单框架磁悬浮CMG动框架效应补偿的缺陷，针对双框架磁悬浮CMG，提供一种在框架转动时抑制磁悬浮转子位移加大，同时消除框架转动引起的磁悬浮转子运动对框架系统的反作用，以及两框之间运动学耦合的复合补偿控制方法，在保持磁悬浮高速转子系统稳定性的同时提高框架系统的响应速度和角速率精度，也提高双框架磁悬浮CMG力矩输出精度和响应速度。