一種精確補償磁懸浮控制力矩陀螺支承剛度的磁軸承控制系統技術方案

一種精確補償磁懸浮控制力矩陀螺支承剛度的磁軸承控制系統，包括飛輪本體、磁軸承功放、磁軸承控制器和自適應補償器，自適應補償器采集框架角速率信號、轉子轉速信號和轉子位移信號進行自適應補償運算后，與磁軸承控制器的輸出求和后接至磁軸承功放，用于抵消框架運動時對磁懸浮轉子施加的擾動力矩。本發明專利技術通過引入框架角速率信號，對磁軸承電磁鐵補償與該信號成正比的電流，實現對磁軸承剛度的相應補償，且通過對補償系數進行自適應調節，避免模型誤差和漂移造成的補償誤差。本發明專利技術消除了框架運動時磁懸浮系統轉子運動與框架系統角速率的相互影響，降低了框架轉動導致的轉子位移，提高了框架角速率響應速度和精度，改善了磁懸浮控制力矩陀螺的力矩輸出響應速度和精度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種磁懸浮控制系統，可以用于精確補償磁懸浮控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope-CMG)框架轉動時的磁軸承剛度。
技術介紹
控制力矩陀螺(CMG)是空間站等大型航天器進行姿態控制所必需的關鍵執行機構。CMG由高速轉子系統和框架伺服系統組成，框架系統強制高速轉子進動，輸出陀螺力矩用于調整航天器姿態。高速轉子支承是CMG的關鍵部件，通常有機械滾珠軸承支承和磁軸承支承兩種方式，相應的CMG稱為機械CMG和磁懸浮CMG。現有CMG均采用機械支承，機械支承中的摩擦和磨損將影響CMG系統的可靠性和使用壽命，同時導致較高的功耗。機械支承轉子的轉速較低，角動量一定的條件下機械CMG的體積和重量均較大。采用機械支承的另一個弊端是軸承剛度幾乎不可變，導致轉子的振動較大。這是因為CMG輸出力矩歸根結底是源于飛輪軸承剛度。框架角速度越高，陀螺力矩越大，需要的軸承力和軸承剛度也越大，因而框架最高轉速時需要的軸承剛度比框架靜止時需要的軸承剛度大得多。機械支承的剛度不可調，所以其剛度必然總是超過對應最高框架轉速時的最大需要剛度，這種剛度對于框架轉速為零時的轉子顯然是過大了，因而機械CMG的轉子振動和噪聲均很大，同時也影響框架角速率精度和CMG輸出力矩精度。引入磁軸承作為高速轉子支承可以消除支承摩擦和磨損，及降低不平衡振動，但仍然存在問題。對于磁懸浮CMG而言，磁軸承的控制要求將轉子穩定懸浮在保護間隙中心附近小范圍內，但是磁軸承是一種彈性支承，框架轉動將對磁懸浮轉子產生擾動并使轉子位移加大，甚至使轉子碰到保護軸承，嚴重影響磁懸浮轉子系統的穩定性。為了減小轉子響應和提高系統穩定性，必須提高磁軸承的彈性支承剛度。現有技術通常采用參數固定的閉環補償方法，即直接提高磁軸承的閉環剛度。此種補償的控制系統包括飛輪本體、磁軸承功放、磁軸承控制器，其中飛輪本體又由磁軸承電磁鐵、轉子，位移傳感器和轉子驅動系統組成，位移傳感器不斷檢測轉子相對平衡位置的位移，只要位移信號非零，磁軸承控制器根據位移信號的大小，按照既定的控制算法計算出控制信號，控制信號施加于磁軸承功放，使之產生與控制信號成正比的磁軸承電流，該電流通入磁軸承電磁鐵的線圈后將產生電磁力，作用于轉子使之回到平衡位置。然而，一方面此實際系統通常采用PID控制，其中的微分系數受噪聲水平的制約不允許很大，如果剛度過高就會降低系統阻尼，導致系統不穩定；另一方面，框架角速率存在一定的變化范圍，固定參數的高剛度即使仍然在穩定范圍內，也難以適應變化的框架角速率導致擾動，因而補償的精度較差。
技術實現思路
本專利技術的技術解決問題提供一種在不影響磁懸浮系統穩定性的前提下，克服磁懸浮系統與框架系統的相互影響，克服框架轉動時磁懸浮轉子位移加大的現象，同時消除框架轉動引起的磁懸浮轉子運動對框架系統的反作用，提高框架系統的角速率精度，也提高磁懸浮CMG力矩輸出的精度和響應速度的精確補償磁懸浮CMG支承剛度的磁軸承控制系統。本專利技術的技術解決方案一種精確補償磁懸浮控制力矩陀螺支承剛度的磁軸承控制系統，包括飛輪本體、磁軸承功放、磁軸承控制器，其中飛輪本體又由磁軸承電磁鐵、轉子，位移傳感器和轉子驅動系統組成，其特征在于還包括自適應補償器，自適應補償器采集框架角速率信號、轉子轉速信號和轉子位移信號，進行自適應補償運算后，與磁軸承控制器的輸出求和后接至磁軸承功放，使磁軸承電流和軸承力相應得到補償，用于抵消框架運動時對磁懸浮轉子施加的擾動力矩。所述的自適應補償器由偽對象濾波器、LMS算法和補償環節組成，偽對象濾波器采集轉子轉速信號，以計算出偽對象濾波器中的各元素值，這些元素值均以轉子轉速為參變量；偽對象濾波器同時采集框架角速率信號并進行濾波，濾波后的角速率信號與表征補償誤差的轉子位移信號經LMS算法運算，運算結果送至補償環節，以調節補償環節的補償系數；補償環節的輸入為框架角速率信號，該信號表征擾動的大小，經過補償環節運算后輸出補償信號，與磁軸承控制器的輸出求和，再送至磁軸承功放。本專利技術的基本原理是框架運動時對磁懸浮轉子運動的影響相當于對轉子施加了一個擾動力矩，該擾動力矩折算到徑向磁軸承各通道的擾動力為Fg1＝Frkg1Tωg，其中kg1=22πJZ/lm,]]>四個分量依次代表徑向四個通道AX、AY、BX、BY，ωg和Fr分別為框架角速率和轉子轉速，Jz為轉子極轉動慣量，lm為轉子中心到磁軸承中心的距離。在擾動力的作用下，懸浮轉子將出現較大的位移，甚至碰撞磁軸承定子，因而必須對框架運動的影響進行補償。補償的基本原理就是，根據ωg的大小，適當增大磁軸承功放的輸入信號，磁軸承電流和軸承力相應增加，增加的軸承力補償量Fg2必須恰好抵消Fg1，即Fg1+Fg2＝0，從而抵消擾動力的影響。定義擾動量與轉子位移之比為磁軸承剛度，則不做補償時轉子位移與擾動量成正比，剛度是固定的，而做補償后，即使擾動加大，轉子位移也能維持在較小的量值上，也就是說剛度隨擾動的加大而增大，這就實現了對磁軸承剛度的補償。不過，理論上軸承力補償量為Fg2＝kikwui，其中ki=diag為磁軸承的電流剛度，kw＝diag磁軸承功放的直流增益，ui＝T為磁軸承功放輸入信號的補償量。由Fg1+Fg2＝0可以推出，ui=-Frkg1kw-1ki-11-1-11Tωg.]]>但在實際系統中，建模總是存在誤差，尤其由于磁軸承-轉子系統的非線性，ki值不可能很準確，且誤差大小還可能隨工作狀態的變化而發生變化或漂移，這些誤差將嚴重影響補償的效果。為了提高補償精度，本專利技術引入自適應補償器，即采用自適應算法在線計算ui值進行自適應補償。自適應補償的原理是根據上述補償原理可以知道，補償環節的理論值為W=-Frkg1kw-1ki-11-1-11T]]>亦即ωg到ui的權值。但是ki真實值未知，因而只能采用自適應算法對權值W進行在線優化。采用LMS算法進行優化，優化的目標是轉子位移信號的方差最小。LMS算法公式為Wi(n+1)＝Wi(n)+2μpi(n)qi(n)，其中i＝1，2，3，4代表徑向四個通道，pi和qi分別為濾后角速率信號和轉子位移信號。算法的計算結果用于更新補償環節中的權值。LMS算法的特點是權值收斂后誤差(這里為轉子位移信號)與加權輸入(這里為補償環節輸入，即框架角速率信號)將是不相關的，因而框架運動將不影響轉子運動，這就實現了對框架擾動影響的補償，同時避免了模型誤差對補償精度的影響。LMS算法的輸入之一為采用偽對象濾波器濾后的角速率信號，而不是直接采用框架角速率信號的原因在于，這樣可以保證權值收斂，確保自適應算法的穩定性。本專利技術與現有技術相比的優點在于(1)采用開環方式，根據框架角速率和轉子轉速的高低，按比例補償磁軸承力，不僅簡單有效易于實現，而且不影響閉環特性，克服了閉環補償方式影響系統穩定性的缺點；(2)補償后磁軸承剛度隨框架轉速的升降而增減，既避免了框架運動時轉子位移增大的危險，而且不會加劇轉子不平衡振動的強度；(3)補償環節在線自適應根據補償效果隨時調整補償系數，消除了模型誤差或對象參數漂移導致的補償誤差，顯著提高軸承力補償的精度，因而也進一步提高了磁懸浮CMG的力矩輸出精本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種精確補償磁懸浮控制力矩陀螺支承剛度的磁軸承控制系統，包括飛輪本體（２）、磁軸承功放（３）、磁軸承控制器（５），其中飛輪本體（２）又由磁軸承電磁鐵（６）、轉子（７），位移傳感器（８）和轉子驅動系統組成，其特征在于：還包括自適應補償器（４），自適應補償器（４）采集框架角速率信號、轉子轉速信號和轉子位移信號，進行自適應補償運算后，與磁軸承控制器（５）的輸出求和后接至磁軸承功放（３），使磁軸承電流和軸承力相應得到補償，用于抵消框架運動時對磁懸浮轉子施加的擾動力矩。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：魏彤，房建成，陳冬，于靈慧，張鵬波，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]