[发明专利]一种基于谐波减速器的磁悬浮控制力矩陀螺框架角速率伺服系统

说明书

本发明提出了一种基于谐波减速器的磁悬浮控制力矩陀螺框架角速率伺服系统，包括控制器、功放、力矩电机、电机端线性霍尔传感器、谐波减速器、负载、负载端旋转变压器、级联扩张状态观测器。其中，控制器控制输出和负载端角位置作为级联扩张状态观测器的输入信号，经级联扩张状态观测器产生附加的控制信息补偿到控制器中；力矩电机端安装线性霍尔传感器并通过解算获得准确的力矩电机转子位置信息，力矩电机固连谐波减速器的输入端，谐波减速器输出力矩作用于负载，在负载端安装旋转变压器测量负载端角位置。本发明提出的磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统，可以实现高精度框架角速率伺服控制。

技术领域

本发明属于基于谐波减速器的磁悬浮控制力矩陀螺角速率伺服控制领域，具体涉及一种采用基于级联扩张状态观测器的复合控制算法的磁悬浮控制力矩陀螺高精度框架角速率伺服系统，有利于提高整体系统的角速率伺服控制精度。

背景技术

对磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统，如果采用直接驱动方式，力矩电机的体积和重量也会相应的增大，为减小框架系统的体积和重量，一般采用加入传动机构对电机力矩进行放大。谐波减速器具有传动比大、精度高、体积小、重量轻等优点，是控制力矩陀螺框架传动机构的最优选择之一，但是谐波减速器的非线性特性如非线性扭转刚度、非线性摩擦、回差等严重影响着框架系统的角速率精度。

为解决谐波减速器非线性特性导致框架系统角速率精度降低的问题，在中国专利一种基于谐波减速器的磁悬浮控制力矩陀螺框架系统(专利号：ZL201310435526.8)中，力矩电机的输出轴与谐波减速器的输入端固连，谐波减速器作为力矩放大装置，输出力矩作用于负载，其中传感器的种类和安装位置通常采用“力矩电机端和负载端都安装光电码盘，分别测量电机端角位置和负载端角速率”的结构，在控制算法上采用基于谐波减速器扭转刚度迟滞模型与补偿的算法来抑制磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统中谐波减速器固有的迟滞特性对系统精度的影响，但是使用光电码盘作为传感器会降低整个框架系统的环境适应能力以及使用寿命，而且控制算法中迟滞模型的参数一般很难被准确识别；为解决谐波减速器非线性特性导致框架系统角速率精度降低的问题，现有的传感器的种类和安装位置通常还采用“仅负载端安装旋转变压器测量负载端角位置进行控制器算法设计”的结构，在控制算法上采用扩张状态观测器结合控制器对谐波减速器非线性传输力矩进行估计和补偿，但是仅负载端安装旋转变压器无法获得力矩电机转子位置信息，且控制算法存在当系统阶数较高时，扩张状态观测器的参数较多不易调整的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有的基于谐波减速器的磁悬浮控制力矩陀螺角速率伺服系统输出速率精度不高的问题，提供了一种提高框架系统输出角速率精度的结构方案和控制算法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于谐波减速器的磁悬浮控制力矩陀螺框架角速率伺服系统，包括控制器、功放、力矩电机、线性霍尔传感器、转子位置解算模块、谐波减速器、磁悬浮控制力矩陀螺框架系统负载、旋转变压器、角位置解算模块、级联扩张状态观测器；其中，控制器采用基于状态反馈与扰动补偿相结合的复合控制算法产生控制信号，经功放输出实际控制电流给力矩电机，力矩电机端安装的线性霍尔传感器用来测量力矩电机转子位置相关信息，经转子位置解算模块获得力矩电机转子位置，力矩电机的输出轴与谐波减速器的输入端固连，谐波减速器作为力矩放大装置，输出力矩作用于磁悬浮控制力矩陀螺框架系统负载，负载端的旋转变压器经角位置解算模块获得负载端角位置，负载端角位置与控制器控制输出一起作为级联扩张状态观测器的输入信息，级联扩张状态观测器产生附加控制量，与姿态控制计算机给定的磁悬浮控制力矩陀螺框架角速率伺服系统的角速率指令、力矩电机转子位置以及负载端角位置一起作为控制器的输入信息。

其中，所述的复合控制算法步骤如下：

步骤1：构建系统数学模型

将基于谐波减速器的系统动力学模型状态变量取为：