磁悬浮控制敏感陀螺力矩器电磁优化设计及控制方法研究

For the hyperstable and hyperquiet attitude control of space-based platform, Magnetically Suspended Control & Sensitive Gyroscope (MSCSG) is put forward as a novel type of gyroscope with the integration of attitude control and attitude angular measurement. Its rotor can tilt in all directions and output high bandwidth and high precision torque to suppress the high frequency vibration of space-based platforms and the attitude angle measurement accuracy can be improved by the rotary modulation. Combined with simulation analysis and experimental testing and verification, for the first time, this project will complete the following research around the electromagnetic optimum design and research on control method of the torquer for MSCSG. Firstly, in order to improve the control accuracy of the rotor and attitude angle measurement accuracy, a new torquer with high density uniformity is designed by the electromagnetic optimum design. The disturbance torque caused by the inhomogeneous magnetic density distribution will be reduced fundamentally. Secondly, a high-precision rotor tilting control method based on magnetic flux real-time measurement is proposed. A high-precision magnetic flux hall sensor is introduced to measure the flux density in real-time. The rotor is controlled based on the measured flux density and the tilting control accuracy can get improved. Finally, a rotor tilting control method under rotation modulation is designed. The electromagnetic torquer model is established based on the analysis of the mechanism about the rotation modulation for MSCSG. The rotor control method is studied and analyzed by simulations.

为了满足天基平台的“甚稳超静”姿态控制需求，新提出的磁悬浮控制敏感陀螺集惯性测量与控制功能于一体，通过转子偏转输出高带宽高精度的力矩抑制天基平台的高频振动，通过旋转调制提高航天器角速率的检测精度。项目以磁悬浮控制敏感陀螺力矩器电磁优化设计及控制方法开展研究，结合仿真分析和实验测试验证：（1）首次设计具有高均匀度磁密分布的力矩器，通过电磁优化设计，可从根本上削弱力矩器磁密分布不均匀引起的干扰力矩，进一步提高转子控制精度和角速率敏感精度；（2）首次研究基于磁密实时测量的转子高精度偏转控制方法，引入高精度磁密霍尔传感器测量线圈两端磁密，实时反馈到控制系统，进行转子偏转控制，提高转子偏转控制精度；（3）首次研究旋转调制的转子偏转控制方法，分析磁悬浮控制敏感陀螺旋转调制作用机理，构建旋转调制的力矩器电磁力矩模型，开展旋转调制的转子偏转控制方法研究和仿真分析。

高轨高分辨率对地观测是取得未来制天权的重要前提和保障，高轨高分辨率对地观测任务对航天器的姿态控制提出了更高的要求。磁悬浮控制敏感陀螺（MSCSG）集成惯性测量功能和惯性执行功能于一体，通过转子偏转输出高带宽高精度的力矩抑制天基平台的高频振动，通过旋转调制提高航天器角速率的检测精度，是实现天基平台甚稳超静控制的理想机构。论文就MSCSG实现转子高精度偏转控制的问题，在洛伦兹力磁轴承优化设计、转子高精度偏转控制方法、旋转调制的转子偏转控制方法等方面，进行了深入的理论分析和实验研究。.（1）设计了一种高均匀度低功耗的洛伦兹力磁轴承。通过在永磁体表面增加1J50导磁薄片来提升气隙磁密均匀度，通过改变永磁体形状来提升气隙磁密均值，考虑到加工工艺对永磁体加工形状的影响，对永磁体形状进一步优化，设计了一种高均匀度低功耗的新型洛伦兹力磁轴承。三维磁密测量结果可知所设计LFMB的气隙磁密均匀度和气隙磁密均值分别到达了0.978和0.482T，验证了设计方法的有效性。.（2）提出了一种基于磁密实时测量的转子高精度偏转控制方法。在系统稳定的基础上，考虑到线圈尺寸结构、转子偏转角度和气隙磁密分布对转子偏转控制的影响，引入高精度磁密霍尔传感器实时测量线圈工作位置的磁密，设计了基于磁密实时测量的转子高精度偏转控制方法，仿真结果表明了所设计方法的有效性。在MSCSG平台上测试转子稳定悬浮和偏转控制性能，测试结果表明转子悬浮精度和偏转控制精度高。.（3）设计了一种旋转调制的转子偏转控制方法。建立了旋转调制的转子偏转动力学模型，考虑到无法精确建模误差的存在，设计了基于滑模算法的滤波交叉反馈控制方法，并同PID滤波交叉反馈控制方法进行了仿真对比，仿真结果表明运用所设计控制方法时转子偏转控制性能更优。为削弱滑模控制方法的抖振，对滑模控制输入运用跟踪微分算法进行滤波处理，并进行了仿真验证。.所取得的大部分研究成果已成功应用于MSCSG样机研制，为MSCSG样机研制和工程化奠定了理论和技术基础。