扁平转子小型磁悬浮控制力矩陀螺磁轴承控制方法研究

Small Magnetically Suspended Control Moment Gyro (SMSCMG) is the ideal attitude control actuator for high resolution small agile satellites. Under the limits of mass and size, in order to provide enough output control torque, the presented SMSCMG adopts oblate rotor, which is suspended with a four-pole 3-degree-of-freedom (DoF) axial magnetic bearing and a 2-DoF radial magnetic bearing. At present, there is not efficient high-speed rotor suspension control method for the new configuration magnetic bearings with strong coupling and nonlinear characteristics. In this project, firstly, the dynamic model of the 5-DoF rotor with bending modes is built up using Lagrange method based on the energy equations. The relationships between the system parameters and the whirling-shifting coupling characteristics, and the coupling between magnetic bearings and gimbal system are revealed. Secondly, the multi-source disturbances such as magnetic bearing nonlinearity, power amplifier nonlinearity, and control delay and their effects on the performance of magnetic bearings' control system are analyzed by means of experimental identification. Finally, the high precision, low noise, and low power-consumption control method together with its control allocation algorithm for the new kind magnetic bearing are presented, and validated by experiments.

轻小型磁悬浮控制力矩陀螺是高分辨率敏捷小卫星姿态控制的理想执行机构。在轻小型化约束下，为了提供足够的控制输出力矩，本研究提出的小型磁悬浮控制力矩陀螺采用扁平转子，转子轴向支承采用四磁极三自由度混合磁轴承，径向支承采用两自由度混合磁轴承。对于这种具有强耦合、强非线性特性的新结构磁轴承，目前未见有效的高速转子悬浮控制方法。本项目首先基于系统能量方程用拉格朗日方法建立考虑弹性模态的新结构五自由度混合磁轴承高速转子运动模型，揭示转子涡动、平动耦合特性与系统参数之间的关系，以及磁轴承与框架间相互作用机理，然后通过实验辨识分析磁轴承非线性、功放非线性、控制时滞等多源扰动特性对磁轴承控制系统性能的影响，最后提出新结构磁轴承高精度、低噪音、低功耗控制方法及其控制量在磁轴承各磁极中的分配算法并实验验证。

磁悬浮控制力矩陀螺是姿态敏捷型超静航天器平台的理想执行机构。采用四磁极三自由度轴向力偏转混合磁轴承为高速陀螺转子提供轴向支承，可以显著提高力矩陀螺的结构紧凑性和输出力矩/系统质量比。本项目研究这种结构下磁悬浮高速转子的位置控制方法。. 主要研究内容：建立新结构五自由度混合磁轴承高速转子运动模型，通过实验辨识分析磁轴承非线性、功放非线性、控制时滞等多源扰动特性对磁轴承控制系统性能的影响，以及研究新结构磁轴承高精度、低噪音、低功耗控制方法及其控制量在磁轴承各磁极中的分配算法并实验验证。. 主要成果：.1基于系统能量方程用拉格朗日方法建立的高速转子运动模型揭示了新结构五自由度混合磁轴承转子涡动、平动耦合特性与系统参数之间的关系，以及磁轴承与框架间相互作用机理。.2通过改变多源扰动配置开展一系列悬浮考核实验，发现永磁偏置等效工作点是影响磁悬浮系统的稳定裕度、噪音水平以及非线性和耦合特性的主要因素，工作点越低永磁偏置造成的非线性与耦合扰动影响越小，磁悬浮系统越容易实现低噪音和高稳定裕度，但悬浮刚度和力矩承载能力也相应降低。基于此规律优化了磁悬浮系统中的永磁体充磁强度、定/转子静态工作气隙等关键设计参数，有效提高了磁悬浮系统的稳定裕度，降低了悬浮噪音和系统功耗。.3提出了阶次预调交叉反馈控制器，基于广义根轨迹法分析了控制器阶次和参数对磁悬浮转子的倾斜运动稳定裕度的影响，基于分析结果优化所得的控制器使得系统稳定悬浮转速从8000转/分钟提高到12000转/分钟以上。. 科学意义：本项目工作成果能为我国超静、敏捷先进卫星平台的姿态控制执行机构提供重要的技术支撑。相关共性关键技术可以应用在飞轮储能、智能制造装备电主轴等领域。