磁悬浮控制力矩陀螺振动特性分析与抑制方法研究

High attitude stability is one of the important issues to obtain high resolution pictures for satellite. However, the Magnetically Suspended Control Momont Gyroscope(MSCMG) which is widely used in satellites, will produce high frequency vibrations.These vibrations will influence the attitude satbility and pointing precision significantly. Thus, the vibrations have to be contolled. Unfortunately, the mechanism and characteristics of vibration of MSCMG are not still understood clearly at present. In order to solve this problem, firstly, the nonlinear model of Magnetically Suspended Flywheel is built up, which is close to the actual system, and the coupled vibration model developed using Lagrange equation is presented. By analyzing the vibration characteristics of MSCMG, the Vibration Suppression method is presented. The vibration characteristics of MSCMG and the vibration test are developed. All these studies will help us to reveal the mechanism of MSCMG's vibration, to understand the vibration characteristics and provide accurate dynamic model. These results will establish fundaments for the vibration control of MSCMG with high precison.

卫星的高姿态稳定度是确保高分辨率成像的关键之一。作为卫星姿态控制系统的执行机构，磁悬浮控制力矩陀螺在工作时产生的振动将严重影响卫星姿态稳定精度，降低成像质量。因此，必须对这种振动进行有效抑制。但是，对磁悬浮控制力矩陀螺振动产生的机理、振动响应特性、振动传播特性，目前还没有很好的理论解释和分析方法。针对这些问题，本项目首先建立逼近实际系统的磁悬浮动量轮非线性模型，基于多尺度方法分析磁悬浮动量轮非线性振动响应规律，然后采用Lagrange方程建立磁悬浮控制力矩陀螺与卫星平台耦合振动模型，通过分析耦合系统非线性振动信号特性，针对性提出磁悬浮控制力矩陀螺振动抑制算法，最后将实验测量的振动特性与理论分析结果进对比。通过研究，揭示磁悬浮控制力矩陀螺产生振动的机理，准确把握它的振动特性，为高精度磁悬浮控制力矩陀螺振动控制研究奠定基础。

作为卫星姿态控制系统的执行机构，磁悬浮控制力矩陀螺在工作时产生的振动将严重影响卫星姿态稳定精度，降低成像质量。因此，必须对这种振动进行有效抑制。磁悬浮微框架动量轮作为一种类似双框架磁悬浮控制力矩陀螺的新型惯性执行机构，单个组件便可实现卫星姿态小角度范围内的三轴稳定控制。本项目以磁悬浮微框架动量轮的控制技术为主线，围绕悬浮稳定性分析、主动振动控制等关键技术问题展开研究。.本项目的主要工作及创新点如下：.1.建立了磁悬浮微框架动量轮控制系统动力学模型。首先，介绍了系统的结构和工作原理，建立了控制系统动力学模型。然后，设计了径向混合磁轴承的PID悬浮控制器和偏转安培力磁轴承的PID解耦偏转控制器，利用仿真和实验验证了设计的有效性。.2.系统地开展了考虑转子不平衡、传感器或执行器干扰的磁悬浮微框架动量轮的主动振动控制机理与抑制方法研究。首先，基于单频点分析方法给出了三种振动控制器——零同频位移/角位移控制、零同频电流控制以及零同频振动力/力矩控制的工作机理，利用经典的根轨迹方法分别分析了这三种控制器的稳定性。随后，分析了由传感器或执行器干扰引起振动的机理，得出了抑制不平衡振动的零同频振动力控制器并不能同时抑制传感器或执行器干扰引起的同频振动力，提出了基于低转速零同频位移控制的传感器或执行器干扰差值的辨识方法，和在线分段超前前馈补偿传感器或执行器干扰振动的方法。.3.开展了磁悬浮微框架动量轮控制系统实现及主动振动控制实验研究。首先，设计了基于DSP+FPGA的悬浮偏转一体化控制器。然后，开展了磁悬浮微框架动量轮主动振动控制实验，包括零同频位移控制实验、零同频电流控制实验以及零电流控制实验，获得较好的实验效果。.本项目系统地研究了磁悬浮微框架动量轮主动振动控制技术，揭示了系统产生振动的机理，为未来高精度磁悬浮控制力矩陀螺的空间应用奠定了良好的基础。.