太空绝热环境下超声电机驱动的控制力矩陀螺系统的多场耦合控制研究

Single gimbal control moment gyro (SGCMG) plays an important role in the spacecraft. With the increasing demand in precision, reliability, controllability and adaptability to the environment, it is needed to further improove accuracy, reduce weight and simplify the strructure. Considering the advanteges of ultrasonic motors(USM), the design and control methods of SGCMG driven by USM in the space adiabatic enviroment are increasingly mature. In the space environment piezoelectric alternating will genarate thernal stress and heat island phenomenon, and friction drive will leading to local temperature increase rapidly, which will influence the contact interface and piezoelectric properties, so the research of regular pattern is imminent. Research on the influence of electrical parameters input and loads to the SGCMG’s servo status and output on the basis of topology optimization of drive match. Reveal dynamic coupling mechanism among the mechanical structure, drive and control. Establish the multi physics modeling and decoupling method of heat, machine and electric. Propose multi variable coordinated servo control algorithms of high precision and high stability under apace adiabatic environment. Lay a foundation for the serving control application of ultrasonic motor in space environment. Promote the development and application of USM with high precision, high stability control technology. This project will help to improve the capability of independent innovation and core competitiveness of our country in earth observation field.

单框架控制力矩陀螺在太空飞行器中具有重要地位,随着精确性、可靠性、可控性及环适性越来越高的要求，进一步提高精度、减少重量、简化结构的呼声也日益高涨。结合超声电机的优点，建立超声电机驱动的单框架控制力矩陀螺系统在太空绝热环境下的设计及控制方法，也日趋成熟。研究太空环境中的压电交变热应力所产生的单点热岛现象与磨擦所产生的骤热现象带来的超声电机接触界面变化及其对压电性能的影响规律已迫在眉睫。在优化驱动匹配拓扑结构的基础上研究输入电参数及其负载对超声电机驱动的单框架控制力矩陀螺伺服系统状态和输出性能的影响规律；揭示机械、驱动、控制变量间的相互动态耦合机制，建立热、机、电多物理场耦合模型及解耦方法和太空绝热环境下多变量协同高精度、高稳定性伺服控制算法。为太空绝热环境下超声电机的服役奠定坚实基础，推动超声电机高精度、高稳定性控制技术的发展和应用，提高我国在航天对地观测领域的自主创新能力和核心竞争力。

本项目在总结了现有旋转型行波超声电机控制应用和建模的研究上，测试并分析了多物理场耦合下超声电机驱动的单框架控制力矩陀螺（SGCMG）框架伺服系统的动力学行为特性，分析了超声电机驱动框架运行过程中主要存在的非线性现象。借助建模分析软件MATLAB/Simulink建立了超声电机及其驱动的SGCMG的框架伺服系统模型。设计并制作了旋转型行波超声电机驱动的SGCMG框架伺服系统样机，搭建了高速动量轮测试控和仿真系统，采用现有的高低温真空复合实验系统初步进行了相关的实验研究，研究了高速动量轮电机和框架伺服电机的驱动与控制技术。对旋转行波电机驱动的SGCMG进行了优化，研究了异型模态超声电机驱动的SGCMG系统，并对其进行了结构设计及优化。针对伺服系统低速大的速度带宽范围内实现高精度的速度跟踪要求，提出叠加脉冲驱动法，并对该方法的驱动策略进行了理论分析和实验验证。设计了经典控制和模式推理控制相融合的控制算法，在系统仿真校验的基础上进行了实际框架速度跟踪控制实验。采用嵌入式微处理器设计SGCMG驱动控制器，并进行了算法验证。从控制力矩陀螺的动力学模型出发，研究了柔性支撑下控制力矩陀螺的解析模型，研究了隔振机构与CMG输出力矩的耦合的影响，并进行了仿真验证和实验。研究了框架伺服系统的超低速驱动控制方法和策略，进行了框架伺服系统专家控制算法的研究。在本项目的资助下，发表学术研究论文12篇，其中SCI检索5篇，EI检索4篇，申请发明专利11项，培养博士研究生毕业2人，培养硕士研究生毕业5人，目前还有3位博士研究生和1位硕士研究生在本项目的资助下开展课题研究。