[发明专利]一种磁悬浮控制力矩陀螺框架速率伺服系统及控制方法

权利要求书

1.一种磁悬浮控制力矩陀螺框架速率伺服系统，其特征在于，包括：

速率环控制器、电流环控制器、驱动模块、力矩电机、电机端光电码盘、谐波减速器、负载端光电码盘、负载、谐波减速器非线性传输力矩模型计算模块、补偿模块；

所述速率环控制器、电流环控制器、驱动模块、力矩电机、谐波减速器、负载依次连接；所述电机端光电码盘固连到力矩电机转子轴上，所述负载端光电码盘固连到负载旋转轴上，电机端光电码盘和负载端光电码盘的信号输出到谐波减速器非线性传输力矩模型计算模块进行计算，其计算结果输出到补偿模块；补偿模块的输出连接到电流环控制器的输出端；

所述系统的参考速度由姿态控制计算机设定，由速率环控制器计算出相应的电流值作为参考指令输出到电流环控制器，电流环控制器运算得到电流值对应的信号并输出到驱动模块，驱动模块输出实际控制电流对力矩电机进行驱动，固连于力矩电机轴上的电机端光电码盘测量出电机端角位置，同时电机轴另一端与谐波减速器的波发生器固连，谐波减速器作为力矩放大与传动装置，输出力矩作用在负载上，与负载固连的负载端光电码盘可以测量出负载端的角位置；将电机端和负载端角位置输入到谐波减速器非线性传输力矩模型计算模块中，得到模型估计的力矩值，将该估计的力矩值输出到补偿模块并与实际期望的力矩值进行比较，得到由于谐波减速器非线性力矩传输特性导致的力矩波动量，将该波动量补偿到电流环控制器输出的信号中，对谐波减速器非线性力矩传输特性不良影响进行补偿。

2.一种如权利要求1所述的磁悬浮控制力矩陀螺框架速率伺服系统的控制方法，其特征在于，对所述伺服系统建立物理模型如下：

由力矩电机产生的输出力矩为T_m，力矩电机的电机转子通过一根刚性轴固连到谐波减速器的波发生器轴心，该刚性轴受到阻尼系数为B_m的阻尼作用，电机转子、刚性轴及波发生器的总转动惯量为J_m；波发生器与一柔轮传动连接，波发生器与柔轮间存在减速比为N的反向传动，柔轮输出侧经过一个弹性系数为K的非线性扭簧将传输力矩T_l作用在输出侧刚性轴上，该输出侧刚性轴受到阻尼系数为B_l的阻尼作用并固连到负载上，负载及负载侧刚性轴的总转动惯量为J_l；电机侧和负载侧均受到摩擦力矩的作用；

认为波发生器外壁与柔轮内壁不发生相对位移，谐波减速器两侧所产生的扭转角仅由柔轮所发生的弹性形变引起，即由物理模型中的非线性扭簧部分的扭转产生，扭转角为：

△θ＝θ_m/N-θ_l

其中，θ_m和θ_l分别为电机端和负载端角位置；

其中，建立谐波减速器非线性传输力矩模型的步骤如下：

步骤(1)：建立基于谐波减速器的磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统所受摩擦力矩的模型；

步骤(2)：对所建立的摩擦力矩的模型进行参数辨识；

步骤(3)：对基于谐波减速器的磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统中输入的能量、动能、势能、瑞利损耗函数及摩擦力所导致的能量损耗进行分析并得到其表达式；

步骤(4)：根据能量守恒定律，得到谐波减速器非线性传输力矩模型表达式；

步骤(5)：通过实验进行参数校正，并得到最终的谐波减速器非线性传输力矩模型表达式。