[发明专利]一种机械飞轮高精度控制装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种机械飞轮高精度控制装置，用于机械飞轮无刷直流电机的高精度控制，适合于卫星高精度姿态控制系统执行机构。

背景技术

现代卫星对姿态控制执行机构的精度、寿命和可靠性要求越来越高，而飞轮系统具有不消耗工质、能产生较精确的控制力矩、适于吸收周期性干扰等诸多优点，是卫星姿态控制系统的重要执行元件，并且飞轮系统控制精度较高，重量轻、功耗低且机动性好，特别适合现代卫星的特点，已成为国内外高精度卫星姿态控制和机动的主要手段。从结构上看，飞轮系统可看作一台惯性矩较大的电机，综观国内外飞轮用驱动电机，无一例外地使用永磁电机，而无刷直流电机由于采用电子换向装置，不仅保留了直流电机良好的机械特性、较宽的调速范围、良好的启动特性等优点，而且具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，已成为飞轮驱动电机的最佳选择。

在中国专利“CN1968003”公开的“一种低耗、高可靠集成磁悬浮飞轮直流无刷电动机控制系统”、中国专利“CN101170295”公开的“一种磁悬浮反作用飞轮电机控制系统”、中国专利“CN101127501”公开的“一种磁悬浮反作用飞轮电机高精度速率模式控制系统”、中国专利“CN101388631”公开的“一种磁悬浮反作用飞轮电机控制系统”和中国专利“CN101734379A”公开的“一种基于FPGA的微小飞轮高集成度高精度控制系统”中，均采用永磁无刷直流电机并以DSP或者FPGA为控制器，无论是采用速率模式或者力矩模式，还是基于速率补偿的力矩模式，均采用经典的PID算法。PID算法以其结构简单、可靠性高、易于工程实现等优点仍被广泛采用，在系统模型参数变化不大的情况下，PID算法性能优良，但是机械飞轮惯性矩较大、易受干扰且具有非线性特性，如机械摩擦、电枢反应、惯性矩和电阻的变化等，难以用精确的数学表达式来描述其电磁关系，而经典的PID算法在力矩输出动态响应、稳态精度等方面达不到要求，难以满足卫星姿态控制系统等对力矩输出精度要求较高的空间应用场合。

为了克服PID算法的弱点，人们开始探索将智能算法与PID算法结合起来，其中在中国专利“CN101727071A”公开的“神经网络模型与二次型单神经元PID并行控制方法”中，采用CMAC神经网络模型与二次型单神经元PID并行控制，由CMAC控制器实现前馈控制，而二次型单神经元PID控制实现反馈控制，提高了系统控制的稳定性和抗干扰能力；而在中国专利“CN101763035A”公开的“RBF神经网络整定PID与模糊免疫控制方法”中，主回路采用由RBF神经网络整定的PID控制，副回路采用模糊免疫控制，运用到串级控制系统中，使得系统在过渡过程中几乎没有超调量，系统更稳定；但以上方法存在着结构复杂、调节困难、随动性差以及响应迟滞等缺点，而且仅限于理论方法的探讨和计算机仿真，并没有具体的实现方式和实际的工程应用。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术存在的不足，提供一种机械飞轮高精度控制装置，将神经网络与免疫PID算法结合，基于RBF神经网络的免疫PID算法并以主处理器DSP和协处理器FPGA为控制核心，实现了机械飞轮的高精度力矩输出。