新型磁悬浮姿态控制执行机构的姿态角速度敏感机理与解耦测量方法及集成化实验研究

Magnetically suspended attitude control actuators (MSACAs) are developed in recent years to meet the need of the high-resolution earth observation engineering, large satellite platforms, space stations and other national key projects. Integrated attitude measurement and attitude control, which can reduce size, weight and power consumption of spacecrafts, as well as improve the reliability of the attitude control system, has important significance. The high speed rotor of MSACAs is supported by five degree-of-freedom (5-DOF) permanent magnet (PM) biased AMB control system. With this specific rotor supported manner, the MSACA can work in the two operation modes: torque output function and attitude velocity measurement function. This project is first to investigate the attitude measurement function of MSACAs. The two-axis attitude angular velocity sensing mechanism model is established. Based on the analysis of the magnetic circuit and eddy current effects, parameter identification are carried out to determine the displacement-force and current-force scaling factors. A two-axis attitude angular velocity dynamic decoupling and compensation method based on neural network inverse scheme is proposed to eliminate the dimension coupling problem and improve the dynamic characteristics of attitude measurement system. Finally, the corresponding experimental validations are carried out based on the full physical attitude control simulation platform with the air-bearing turntable. This work will provide the necessary theoretical basis for the implementation of integrated attitude measurement and attitude control of MSACAs.It will also promote the settlement of the common scientific issues in the relevant measurement areas.

磁悬浮姿态控制执行机构是随着高分辨率对地观测工程、大型卫星平台、空间站等国家重大专项的亟需而发展起来的新型姿控机构。为减少航天器的体积、重量及功耗，提高姿控系统的可靠性，姿态测量与姿态控制集成化具有重要的研究意义。磁悬浮姿控执行机构的高速转子采用五自由度主动磁轴承支承，可具有力矩执行和姿态角速度敏感两种功能。本项目首次针对磁悬浮姿控执行机构的姿态角速度敏感功能展开研究，建立两轴姿态角速度敏感机理模型，在磁路和涡流效应分析基础上，利用磁轴承力参数辨识确定位移-力和电流-力动态标度因子；提出一种基于模型辨识的神经网络逆动态解耦补偿方法，消除两轴姿态角速度存在维间动态耦合问题，提高系统的动态特性；最后，利用基于气浮转台的姿控系统全物理仿真平台，进行相应的实验验证。本项目的研究为磁悬浮姿态控制执行机构实现姿态角速度测量与姿态控制集成化提供必要的理论基础，同时促进相关测量领域共性科学问题的解决。

为减少航天器的体积、重量及功耗，提高姿控系统的可靠性，姿态测量与姿态控制集成化具有重要的研究意义。磁悬浮姿控执行机构的高速转子采用五自由度主动磁轴承支承，可具有力矩执行和姿态角速度敏感两种功能。本项目以双框架磁悬浮控制力矩陀螺为研究对象，对姿态角速度测量相关关键技术进行了深入研究，主要研究内容如下：.针对磁悬浮姿态控制执行机构的姿态测量功能，建立了高速转子陀螺动力学模型，推导陀螺进动力矩与五自由度磁轴承高速转子控制系统的各通道轴承力的关系，得到初始敏感两轴姿态角速度与磁轴承控制变量的映射方程，进而获得双输入双输出两轴姿态角速度的敏感机理模型，开展了两轴间强耦合效应和强非线性轴承力影响姿态角速度敏感精度的机理分析研究。.针对铁心涡流效应引起的磁轴承动态性能下降的问题，建立了高速磁轴承动态分析模型。通过对径向磁轴承叠片铁心和轴向磁轴承实心铁心中的涡流效应分析，建立了包含涡流效应的等效动态磁路模型。在此模型基础上，分析了磁轴承刚度的幅值与相位随频率变化的关系，研究了气隙长度、铁心材料等影响磁轴承动态性能的关键因素，为磁悬浮惯性执行机构的磁轴承优化设计和标度因子的精确计算提供了理论基础。.提出了一种基于五自由度主动磁轴承的双框架磁悬浮CMG两轴姿态角速度测量方法，在姿态测量系统建模的基础上，考虑了轴承力中位移刚度项对角速度姿态测量的影响；针对测量所得的两轴姿态角速度之间的动态耦合和静态误差，提出了一种两轴姿态角速度动态解耦、静态补偿网络设计方法，并对这种方法的稳定性进行了分析。实验结果表明，基于主动磁轴承的姿态测量系统对姿态角速度具有较好的跟踪能力，为实现双框架磁悬浮CMG姿态测量与姿态控制一体化奠定了基础。.开展了姿态测量与控制集成化实验验证研究，将双框架磁悬浮CMG高速转子、内框架、外框架动力学建模基础上，研究航天器姿态角速度测量原理及确定方法，建立航天器动力学模型，将平行构型的两个双框架磁悬浮CMG作为航天器的姿态执行机构，利用HRT1000姿控系统仿真平台，进行姿态测量与姿态控制一体化研究，验证双框架磁悬浮CMG在姿态测量方面应用的可行性。.此外，本项目还对磁悬浮高速转子的现场动平衡方法、高精度主动振动控制方法等，进行了深入研究，为提升磁悬浮姿态控制执行机构的姿态角速度测量精度，解决高频振动对航天器敏感器以及有效载荷的干扰问题，奠定了良好的技术基础。