[发明专利]一种轻型高精度微小飞轮数字控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种轻型高精度微小飞轮数字控制系统，用于对微小卫星主动姿态控制用微小飞轮的高精度控制，特别适合于对体积重量、功耗和力矩精度有较高要求的空间应用场合。

背景技术

按卫星的质量划分，一般将1000kg以下的卫星称为小卫星。现代小卫星具有许多大型卫星不可比拟的优点，如体积小、重量轻、研制和发射成本低、研制周期短，在空间轨道上可布置较多的数量以作备份，提供更大的冗余。小卫星还具有高新技术含量高、技术集成度高和功能密度大等特点，已成为最活跃、最富于挑战性和具有广阔商业前景的空间技术领域，也是21世纪卫星技术发展的重要趋势。而微小卫星作为小卫星家族中的一员，具有小卫星的共性特点，更适合科学技术试验和大学教学，也可以组成低轨道卫星星座。此外，微小卫星的另一个突出特点是技术扩展性强，从微小卫星这一技术平台出发，可进一步向微小化发展而研制纳卫星；或向多用途化发展而研制小卫星；或向集群化发展而研制微小卫星星座；还可以向深空探测发展而研制小型深空探测器。

轻型高精度姿态控制系统的研制作为现代微小卫星研制的关键技术，业已受到国内外的广泛关注。目前采用的方案主要以重力梯度稳定、主动磁控加一个偏置动量轮作为姿态控制的稳定机构。微小飞轮作为一类应用在100kg以下微小卫星上的姿态控制执行机构，可以提高卫星功率密度、减轻卫星的质量、减小卫星的体积并降低发射成本，适合微小卫星“快、好、省”的原则。

现有的基于数字实现的飞轮数字控制系统中：在中国专利“CN101800505A”公开的“一种磁悬浮飞轮转速控制方法”中，采用光电码盘利用M/T法进行测速，并对转速反馈值进行模糊自适应kalman滤波，具有较高的测速精度；而在中国专利“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，以DSP为控制核心，低速时采用增量式轴角编码器测速，高速时采用霍尔效应位置传感器测速，实现了磁悬浮反作用飞轮电机的高精度速率模式控制。但这两种控制系统都需要高精度的测速装置光电码盘，受限于光源的寿命以及增加了结构的复杂性和体积重量，难以满足微小卫星姿控系统的应用需要。在中国专利“CN101388631”公开的“一种磁悬浮反作用飞轮电机控制系统”中，采用Cuk升降压变换器和三相星型半桥，并经转速调节和电流调节进行控制，一定程度上改善了系统动态；但其采用霍尔位置传感器，难以得到高精度的转速信息，而且三相星型半桥降低了绕组效率并导致换相转矩脉动较大，影响了力矩输出精度。

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，采用FPGA系统进行位置、速度、电流三环控制，实现了直流无刷电动机控制器的集成化、低功耗，但其通过三闭环控制算法直接控制电机的位置，经过位置、速度闭环算法才能得到电机控制所需要的参考电流，响应速度较慢，并不适合飞轮这种工作在高速并通过变速来实现力矩输出的应用场合。而在中国专利“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，采用速率补偿的力矩模式控制方法，通过力矩补偿器将速率指令值与位置检测装置的速率反馈值比较综合得到补偿力矩，但其位置检测装置仍然采用霍尔传感器，无法得到高精度的速率反馈值，而且其力矩指令需经过积分再乘以1/J才能得到速率指令值，需要准确地知道飞轮转子的惯性矩J，而J值往往不易准确测得。

另外，在中国专利“CN102023652A”公开的“水箱液位控制器”中，采用单神经自适应PID控制器，输出几乎没有超调，过渡时间短，动态响应快；在中国专利“CN101673119”公开的“一种控制织机送经卷取过程中经纱张力稳定的方法”中，基于主控制器PLC采用单神经元自适应PID算法在SAURER400型剑杆织机上进行实验，取得了良好的控制效果。但在这两种单神经元自适应PID算法的工程应用中，当设定的神经元增益较小时，系统响应慢，超调量减小；当设定的神经元增益较大时，系统响应快，但是超调量增大，调整时间变长，因此在工程应用之前需要经过大量的试验来确定较优的神经元增益，未能真正地实现自适应的功能。

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，提供一种采用非线性变换在线修正方法，基于改进的单神经元自适应PID控制器并以FPGA模块为控制核心的轻型高精度微小飞轮数字控制系统，实现了微小卫星姿态控制执行机构的高精度力矩输出。