專利名稱：一種補償磁懸浮控制力矩陀螺磁軸承相位滯后的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種補償磁懸浮控制力矩陀螺磁軸承相位滯后的方法，適用于磁懸浮控制力矩陀螺高轉(zhuǎn)速下的高穩(wěn)定控制，屬于航天器慣性執(zhí)行機構(gòu)控制技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
磁懸浮控制力矩陀螺(MSCMG)因具有無摩擦、低振動、易于實現(xiàn)高精度和長壽命等突出優(yōu)點而成為空間站、空間機動平臺和敏捷機動衛(wèi)星等航天器姿態(tài)控制慣性執(zhí)行機構(gòu)的重要發(fā)展方向。在MSCMG電磁軸承控制系統(tǒng)中，開關功率放大器的作用是向電磁軸承線圈提供相應的電流以產(chǎn)生所需要的電磁力。電磁軸承開關功放主要有脈寬調(diào)制(PWM)型、采樣保持型、滯環(huán)比較型和最小脈寬型等四種形式。其中，PWM開關功放的優(yōu)點是開關頻率固定，能限制最小導通和關斷脈沖的寬度，輸出波形質(zhì)量好、穩(wěn)態(tài)精度高、可靠性高，在電磁軸承中得到了廣泛應用。電磁軸承PWM開關功放主要包括控制器、PWM發(fā)生器、全橋主電路和電流傳感器。電磁軸承PWM開關功放實際是一個電流跟蹤控制電路，它以電流為控制變量，其目標是使輸出的實際電流能夠盡量無失真地跟蹤輸入控制信號。但電磁軸承開關功放的相位滯后客觀存在，其主要包括數(shù)字控制延時和被控對象延時。MSCMG轉(zhuǎn)子系統(tǒng)具有強烈的陀螺效應，而陀螺效應對于系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在章動穩(wěn)定性和進動穩(wěn)定性，其中章動穩(wěn)定性是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素。章動失穩(wěn)的根本原因是磁軸承控制系統(tǒng)相位滯后。磁軸承控制系統(tǒng)相位滯后主要包括磁軸承功放系統(tǒng)相位滯后和各種低通濾波環(huán)節(jié)導致的相位滯后，而磁軸承功放系統(tǒng)的相位滯后又是整個磁軸承控制系統(tǒng)相位滯后的主要方面。因此補償磁軸承功放系統(tǒng)相位滯后成為提高磁懸浮轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性的重點和難點。目前，補償電磁軸承功放系統(tǒng)相位滯后的方法主要包括各種預估控制(如Smith 預估控制)、超前校正控制和升壓控制等方法。預估控制的最大的優(yōu)點是將大延時問題轉(zhuǎn)化為無大延時的設計問題，然而，預估控制需要已知對象準確的數(shù)學模型，而實際中是很難得到的。所以預估控制的魯棒性較差，當模型不準確時，會導致系統(tǒng)性能變差，甚至不穩(wěn)定。 相角超前校正方法需要在通道中串入超前校正環(huán)節(jié)，必然增加系統(tǒng)的硬件電路或者軟件計算量。升壓控制方法雖然可以在一定程度上增加功放系統(tǒng)的帶寬，但其不可避免地增加了功耗和硬件電路，且無法從根本上補償被控對象延時。除此之外，提高功放系統(tǒng)控制器的比例系數(shù)及電流反饋系數(shù)也可在一定程度上減小系統(tǒng)的相位滯后，但因其受到功放放大倍數(shù)及功放電壓和開關頻率等的制約，使其在高頻處的相位補償作用并不顯著。因此，現(xiàn)有的補償電磁軸承功放相位滯后的方法要么因增加了系統(tǒng)的硬件電路而降低了系統(tǒng)的可靠性，要么因增加了功放系統(tǒng)的軟件復雜性而帶來了更多的計算延時，而計算延時的增加又反過來加劇了功放系統(tǒng)的相位滯后。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的補償電磁軸承開關功放相位滯后方法需要增加計算延時或增加大量硬件電路且方法復雜的不足，在只增加少量硬件電路的基礎上，通過雙平行不對稱采樣電阻網(wǎng)絡，實現(xiàn)對MSCMG磁軸承功放系統(tǒng)相位滯后的有效補償。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是根據(jù)磁懸浮控制力矩陀螺轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)參數(shù)計算額定章動頻率，測試功放系統(tǒng)的開環(huán)相頻特性并確定在額定章動頻率處需要補償?shù)南辔唤嵌?，并在測試磁軸承繞組等效電感和電阻的基礎上得出雙平行不對稱采樣電阻網(wǎng)絡的不對稱因子，最后根據(jù)不對稱因子配置雙平行不對稱采樣電阻網(wǎng)絡。具體包括以下步驟
權(quán)利要求
1. 一種補償磁懸浮控制力矩陀螺磁軸承相位滯后的方法，其特征在于根據(jù)磁懸浮控制力矩陀螺轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)參數(shù)計算額定章動頻率，測試功放系統(tǒng)的開環(huán)相頻特性并確定在額定章動頻率處需要補償?shù)南辔唤嵌?，并在測試磁軸承繞組等效電感和電阻的基礎上得出雙平行不對稱采樣電阻網(wǎng)絡的不對稱因子，最后根據(jù)不對稱因子配置雙平行不對稱采樣電阻網(wǎng)絡，具體包括以下步驟(1)根據(jù)磁懸浮控制力矩陀螺轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速Ω n和系統(tǒng)參數(shù)計算磁懸浮轉(zhuǎn)子的額定章動頻率ωη ω =.Jjl j ΩΛ j Ωk(lka-lk)j,.其中，Ja、l分別為轉(zhuǎn)子的極轉(zhuǎn)動慣量和赤道轉(zhuǎn)動慣量；lm、ls分別是磁懸浮轉(zhuǎn)子中心到徑向磁軸承中心及到徑向傳感器中心的距離；k” 1^分別是磁軸承的電流剛度和位移剛度； λ k是控制電流幅頻特性i (j ω)的幅值；(2)測試磁軸承功放系統(tǒng)的相頻特性，得到磁軸承功放系統(tǒng)在額定章動頻率處的相位滯后θη;(3)確定磁軸承開關功放系統(tǒng)在額定章動頻率處需要補償?shù)南辔沪取?θ η-θ ^，其中 θ^為開關功放系統(tǒng)在額定章動頻率處相位滯后的限定值；(4)分別采用萬用表和電感表可測出軸承線圈繞組的等效電阻Rs和電感Ls；(5)確定電流采樣電阻的大小Rm、電流采樣用分壓電阻的比值kab及電流采樣電路的運算放大器增益k;kmtme^(6)確定雙平行不對稱采樣電阻網(wǎng)絡的不對稱因子5 =(7)兼顧采樣電阻網(wǎng)絡的功耗和信噪比，根據(jù)不對稱因子δ配置雙平行不對稱采樣電阻網(wǎng)絡的分壓電阻Ra、Rb、Rc和Rd，其中Ra = RdA =kl-k-r ,r =Mg^^iiMs(ra+rb)+ ra
全文摘要
一種補償磁懸浮控制力矩陀螺磁軸承相位滯后的方法，該發(fā)明是一種能夠用來補償磁懸浮控制力矩陀螺磁軸承開關功率放大器相位滯后的方法。根據(jù)磁懸浮控制力矩陀螺轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)參數(shù)計算額定章動頻率，測試功放系統(tǒng)的相頻特性并確定在額定章動頻率處需要補償?shù)南辔唤嵌?，并在測量磁軸承繞組等效電感和電阻的基礎上得出雙平行不對稱采樣電阻網(wǎng)絡的不對稱因子，最后根據(jù)不對稱因子配置雙平行不對稱采樣電阻網(wǎng)絡。本發(fā)明屬于航天器慣性執(zhí)行機構(gòu)控制技術(shù)領域，可應用于磁懸浮控制力矩陀螺高轉(zhuǎn)速下的高穩(wěn)定控制。
文檔編號B64G1/28GK102424117SQ201110346838
公開日2012年4月25日 申請日期2011年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月6日
發(fā)明者任元, 向岷, 崔華, 房建成, 王華培, 陳建仔, 陳彥鵬 申請人:北京航空航天大學