[发明专利]一种补偿磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承相位滞后的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种补偿磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承相位滞后的方法，适用于磁悬浮控制力矩陀螺高转速下的高稳定控制，属于航天器惯性执行机构控制技术领域。

背景技术

磁悬浮控制力矩陀螺(MSCMG)因具有无摩擦、低振动、易于实现高精度和长寿命等突出优点而成为空间站、空间机动平台和敏捷机动卫星等航天器姿态控制惯性执行机构的重要发展方向。

在MSCMG电磁轴承控制系统中，开关功率放大器的作用是向电磁轴承线圈提供相应的电流以产生所需要的电磁力。电磁轴承开关功放主要有脉宽调制(PWM)型、采样保持型、滞环比较型和最小脉宽型等四种形式。其中，PWM开关功放的优点是开关频率固定，能限制最小导通和关断脉冲的宽度，输出波形质量好、稳态精度高、可靠性高，在电磁轴承中得到了广泛应用。电磁轴承PWM开关功放主要包括控制器、PWM发生器、全桥主电路和电流传感器。

电磁轴承PWM开关功放实际是一个电流跟踪控制电路，它以电流为控制变量，其目标是使输出的实际电流能够尽量无失真地跟踪输入控制信号。但电磁轴承开关功放的相位滞后客观存在，其主要包括数字控制延时和被控对象延时。

MSCMG转子系统具有强烈的陀螺效应，而陀螺效应对于系统稳定性的影响主要体现在章动稳定性和进动稳定性，其中章动稳定性是影响系统稳定性的主要因素。章动失稳的根本原因是磁轴承控制系统相位滞后。磁轴承控制系统相位滞后主要包括磁轴承功放系统相位滞后和各种低通滤波环节导致的相位滞后，而磁轴承功放系统的相位滞后又是整个磁轴承控制系统相位滞后的主要方面。因此补偿磁轴承功放系统相位滞后成为提高磁悬浮转子系统稳定性的重点和难点。

目前，补偿电磁轴承功放系统相位滞后的方法主要包括各种预估控制(如Smith预估控制)、超前校正控制和升压控制等方法。预估控制的最大的优点是将大延时问题转化为无大延时的设计问题，然而，预估控制需要已知对象准确的数学模型，而实际中是很难得到的。所以预估控制的鲁棒性较差，当模型不准确时，会导致系统性能变差，甚至不稳定。相角超前校正方法需要在通道中串入超前校正环节，必然增加系统的硬件电路或者软件计算量。升压控制方法虽然可以在一定程度上增加功放系统的带宽，但其不可避免地增加了功耗和硬件电路，且无法从根本上补偿被控对象延时。除此之外，提高功放系统控制器的比例系数及电流反馈系数也可在一定程度上减小系统的相位滞后，但因其受到功放放大倍数及功放电压和开关频率等的制约，使其在高频处的相位补偿作用并不显著。因此，现有的补偿电磁轴承功放相位滞后的方法要么因增加了系统的硬件电路而降低了系统的可靠性，要么因增加了功放系统的软件复杂性而带来了更多的计算延时，而计算延时的增加又反过来加剧了功放系统的相位滞后。

发明内容

本发明的目的是：克服现有的补偿电磁轴承开关功放相位滞后方法需要增加计算延时或增加大量硬件电路且方法复杂的不足，在只增加少量硬件电路的基础上，通过双平行不对称采样电阻网络，实现对MSCMG磁轴承功放系统相位滞后的有效补偿。

本发明的技术解决方案是：根据磁悬浮控制力矩陀螺转子的额定转速和系统参数计算额定章动频率，测试功放系统的开环相频特性并确定在额定章动频率处需要补偿的相位角度，并在测试磁轴承绕组等效电感和电阻的基础上得出双平行不对称采样电阻网络的不对称因子，最后根据不对称因子配置双平行不对称采样电阻网络。具体包括以下步骤：

(1)根据磁悬浮控制力矩陀螺转子的额定转速Ω_n和系统参数计算磁悬浮转子的额定章动频率ω_n：