[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

说明书

本发明提出了一种磁悬浮控制力矩陀螺框架速率伺服系统及控制方法，系统包括速率环控制器、电流环控制器、驱动、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与补偿模块。其中谐波减速器非线性传输力矩模型计算模块是通过建立系统的摩擦模型并进行参数辨识，然后对系统内各能量进行分析，通过运用能量守恒定律，推导得到了传输力矩模型；补偿模块则通过在电流环控制器输出端改变电流实现力矩补偿。本发明在磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统的基础上，加入谐波减速器非线性传输力矩模型的构建与补偿，可以明显提升框架系统的角速率伺服精度。

技术领域

本发明属于基于谐波减速器的高精度低速伺服控制领域，具体涉及一种基于谐波减速器非线性传输力矩模型的磁悬浮控制力矩陀螺高精度框架速率伺服系统，用于减小谐波减速器非线性力矩传输特性带来的不良影响，实现磁悬浮控制力矩陀螺框架系统的高精度角速率输出。

背景技术

控制力矩陀螺(CMG)和惯性动量轮(IMW)是航天器主要的惯性执行机构。其中，磁悬浮控制力矩陀螺具有输出扭矩大、动态性能好、控制精度高等优点，是航天器姿态控制的首选执行机构。框架伺服系统是磁悬浮控制力矩陀螺的重要组成部分，其角速率控制精度对输出力矩精度有重要的影响。

由于大力矩输出的要求，谐波减速器就成为了磁悬浮控制力矩陀螺进行力矩放大和传动的良好选择。尽管谐波减速器具备了结构简单、传动效率高、精度高和传动比大等优点，但是其非线性力矩传输特性也严重影响着其传动性能，尤其是对于具有高精度要求系统。然而由于磁悬浮控制力矩陀螺本身体积和重量等的限制，无法安装力矩传感器，因此对谐波减速器的非线性力矩传输特性的建模就显得尤为重要。目前国内外针对谐波减速器非线性力矩传输特性的建模较少，且多集中在对谐波减速器各个独立行为的分解建模，使得建模过程繁琐、参数配置复杂；国外有人采用拉格朗日方程等方法对谐波减速器整体进行建模，但未能考虑柔轮中的弹性势能，使得建模精度较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有磁悬浮控制力矩陀螺框架系统角速率伺服精度低的问题，给出了框架系统内谐波减速器输出力矩不可直接测量的解决方案，本发明提供了一种基于谐波减速器非线性传输力矩模型的磁悬浮控制力矩陀螺高精度框架速率伺服系统，所建系统有利于减小由谐波减速器非线性力矩传输特性而带来的对于框架系统角速率输出精度的影响。

本发明的基本原理是：本发明在磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统的基础上，加入了谐波减速器非线性传输力矩模型的构建与补偿，其中谐波减速器非线性传输力矩模型是通过建立系统的摩擦模型并进行参数辨识，然后对系统内各能量进行分析，通过运用能量守恒定律等，推导得到了传输力矩模型；补偿模块则通过将模型计算出的力矩值与实际期望力矩值的差别补偿到电流环控制器输出的信号中，可以降低由于谐波减速器非线性力矩传输特性带来的不良影响，明显提升框架系统的角速率伺服精度。

本发明的技术方案是：一种磁悬浮控制力矩陀螺框架速率伺服系统，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；