[发明专利]一种惯性动量轮高精度控制方法

说明书

技术领域

本发明一种惯性动量轮高精度控制方法，涉及惯性动量轮转速的同步测量和未知系统扰动力矩的估计及补偿技术，对系统扰动力矩进行实时地估计并自动抑制，可用于卫星姿态控制执行机构的内部扰动抑制和高精度控制。

背景技术

惯性动量轮是卫星姿态控制系统的重要执行元件，提高惯性动量轮的性能对卫星姿态控制系统具有重要意义。惯性动量轮本质上是一个由永磁电机驱动的旋转体，通过驱动电机对惯性动量轮加、减速产生反作用力矩与卫星本体进行动量交换，从而达到控制卫星姿态的目的。目前，惯性动量轮普遍采用力矩模式控制，即只实现力矩指令的电磁力矩复现，而作用在驱动轴上的系统扰动力矩将使惯性动量轮产生附加动量矩，使卫星星体产生附加角速度，直接导致卫星姿态控制精度下降。

惯性动量轮系统扰动力矩主要由三部分组成：其一为内阻尼力矩，与转速大致上成正比，如风阻力矩、油膜阻力矩和磁阻力矩等；其二为摩擦力矩，其符号随转动方向而变；其三为轴承的噪声力矩，对滚珠轴承而言，噪声主要来自保持架、滚珠和滚道，与润滑方式及工作状态有关。内阻尼力矩和噪声力矩的量值相对比较小，而且为常值或连续变化量，对系统的影响较小；摩擦力矩数值最大，而且当惯性动量轮从正转到反转穿越零点时，摩擦力矩将会突然反向，量值也会增大一倍以上，其动态特性复杂且具有不确定性，与接触表面特性、表面粗糙度、轴承温度、停留时间、电机转速等均有关。系统扰动力矩是影响惯性动量轮输出力矩精度的主要原因，现有的解决办法主要有三种：(1)改变系统的结构设计，减少传动环节，通过提高惯性动量轮的制造工艺和技术，主要是提高轴承的性能；(2)选择更好的润滑剂，减小动摩擦和静摩擦之间的差值；(3)采用速率反馈对反作用飞轮干扰力矩进行补偿。

另外，目前应用广泛的扰动力矩补偿方法主要针对摩擦力矩进行，虽然有关摩擦建模、摩擦补偿的研究已经引起广泛关注，并取得了一些成果，但解决程度还远不能令人满意。其中，基于摩擦模型的补偿方法不足之处在于摩擦模型的选择、模型参数的确定过程较为繁琐，同时由于摩擦力矩是速度的函数，控制效果依赖于速度信号的品质；不基于模型的摩擦补偿方法虽然原理简单，但对摩擦非线性的补偿能力有限，补偿能力的提高涉及到机械谐振、参数时变等因素；而智能控制的摩擦补偿方法虽然不需要对象的数学模型，但各有其优缺点，如神经网络训练时间较长、算法实时性较差、系统的暂态响应难以保证，而模糊规则的获取难度较大，控制结果不理想等。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有方法存在的不足，针对影响惯性动量轮永磁电机输出的净力矩的未知系统扰动力矩，提出一种惯性动量轮高精度控制方法，对系统扰动力矩进行实时地估计和补偿，有效地抑制了系统扰动力矩，并提高了惯性动量轮复现力矩指令的精度。

本发明的技术解决方案是：一种惯性动量轮高精度控制方法，其特征在于步骤如下：

(1)建立惯性动量轮永磁电机实际模型