[发明专利]一种基于干扰观测器的高精度磁轴承轴向控制方法

说明书

技术领域

本发明是一种磁轴承轴向控制方法，涉及高精度控制中的扰动观测及抑制技术，对于外界扰动在线观测并自动抑制，可用于磁悬浮控制力矩陀螺系统中磁轴承的高精度控制和扰动抑制。

背景技术

控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope，CMG)是航天器进行姿态控制的关键执行机构。CMG中高速磁轴承支承是关键部件，通常有机械滚珠轴承和磁轴承两种方式。磁悬浮支承方式解决了机械支承带来的磨损和振动问题，具有长寿命的优点，并且允许大幅度提高磁轴承转速，在相同角动量前提下可以显著缩小CMG的体积。同时，通过主动振动控制能够提高磁轴承的支撑精度，支撑磁轴承于陀螺房相对固定的位置。但是，磁悬浮是一种有间隙的弹性支承方式，磁轴承的缺点在于扰动作用下必然会产生暂态或稳态的位移，影响了悬浮的精度。因此，必须在保持稳定的前提下，通过扰动补偿实现磁轴承位移扰动响应的极小化，达到提高磁轴承悬浮精度的目的。影响精度的扰动主要有可测和不可测两种形式。对于可测扰动，可以直接通过检测信号进行前馈补偿。对于不可测、不确定性的扰动，则需要对系统的扰动进行在线观测，提取扰动信息，然后再实现补偿，以提高精度。

目前，针对磁轴承高精度控制的方法有主要有两类，一是优化控制器，让扰动响应函数极小化，包括滑模变结构控制方法等；二是对扰动进行等效补偿，包括前馈控制方法。滑模变结构控制方法，解决了系统的不平衡量带来的干扰，可是计算量非常大，限制了在实际系统中的应用。前馈控制方法通过直接检测信号进行前馈补偿，解决了确定性的、可测量的扰动，是对可建模扰动的补偿。这些方法的最大问题是没有针对不可测、不确定的扰动进行在线观测和补偿，例如载体扰动，外界噪声干扰等没有进行专门的扰动抑制，所以不能对影响精度的这些扰动进行抑制。同时这些方法不能实时分析受到的扰动情况，也缺乏相应的扰动记录和定量分析的手段。

发明内容

本发明的技术解决问题：提出一种磁悬浮轴承高精度控制中针对外部不确定、未知扰动进行在线观测、抑制扰动的方法，实现对干扰的有效抑制，提高了磁轴承的悬浮精度。

本发明的技术解决方案：一种基于干扰观测器的高精度磁轴承轴向控制方法，实现这种方法的系统有扫频电路和数字控制硬件，数字控制硬件有A/D模块，DSP模块和FPGA模块；扫频电路将传感器信号和激励信号叠加后传给A/D模块，FPGA模块接收A/D模块转换的数字量，再发送给DSP模块，DSP模块软件包括干扰观测器算法和控制器K算法计算得到电流控制量，随后传送到FPGA模块，然后FPGA模块将电流控制量转换成PWM形式输出，驱动功放产生电磁力作用在磁轴承上，本发明方法具体包括以下步骤：

(a)首先加入扫频电路，对于功放及包括功放在内的广义被控对象分别做扫频实验，获取广义被控对象参数，建立广义对象的逆G_n^-1传递函数，然后撤去扫频电路部分，将传感器输出直接接入A/D模块；

(b)初始化DSP模块中的干扰观测器和控制器K参数，设置采样数据存储空间，设定FPGA模块的采样模式为时钟中断；

(c)FPGA模块控制A/D模块采样得到传感器输出，并且接收A/D模块转换得到的数字量结果；

(d)FPGA模块将数字量发送至DSP模块，在DSP模块中根据给定的悬浮中心位置，计算输入位移量值对应的位移偏差量；

(e)在DSP模块中的控制器K输入为位移偏差量，控制器K采用控制器算法计算得到基本控制量；

(f)在DSP模块中的干扰观测器由Q滤波器和有理化广义对象逆QG_n^-1构成，干扰观测器包括电流控制量和位移量两个输入，其中，电流控制量输入Q滤波器进行计算，位移量输入有理化广义对象逆QG_n^-1进行计算，上述两者计算的结果相减为干扰估计量；

(g)在DSP模块中利用干扰估计量与基本控制量得到电流控制量，然后将电流控制量传给FPGA模块，在FPGA模块中形成PWM波形，控制功放产生电磁力，实现磁轴承高精度稳定悬浮。

所述步骤(a)中的广义对象的逆G_n^-1传递函数为：