磁悬浮惯性执行机构自动平衡控制及磁轴承与电机系统解耦控制方法研究

High speed rotor unbalance vibration in inertia attitude control actuators for satellite is one of the main vibration sources with high frequency, high amplitude and continuous output, making the satellite platform difficult to meet the requirements of some application loads such as quiet working environment. With the active dynamic controllability of rotor-magnetic bearing system utilized, the rotor is forced to spin around its inertial axis, namely, by autobalancing control, which eliminates the unbalance vibration of high speed rotor from the origin. Autobalancing control is one of the key technologies to build statically stable spacecraft platform. Impossibility to measure the rotor inertia principal axis, the strong nonlinearity and the essential instability of the magnetic bearing system, and the limit of the voltage and the electric power on the satellite cause the difficulty of the high precision autobalancing control of the rotor system. In addition, the whirling motion of the geometry axis of rotor leads to distortion of magnetic field waveform in the motor air gap, affecting measuring precision of motor speed, increasing the motor torque ripple, resulting in interference force in radial direction, producing coupling with magnetic bearing control system, affecting the overall performance of the system seriously. This project, based on a magnetic bearing-rotor and motor-rotor complete control system model, analyze key factors that affect controllability of magnetic bearing autobalancing control and motor speed control performance, research high precision and strong robust decoupling control under the comprehensive effect including input constraints of control, parameter perturbation, multi-source disturbance and the strong nonlinearity.

卫星姿态控制惯性执行机构中高速转子不平衡振动是星上主要的持续高频高幅振源之一，使卫星平台难以满足某些载荷对安静工作环境的要求。利用磁轴承转子系统转子动态特性主动可控的特点，控制转子在磁气隙内绕惯性主轴旋转，即自动平衡控制，从源头上消除高速转子的不平衡振动，是构建超稳超静航天器平台的关键技术之一。转子惯性主轴的不可直接测量、磁轴承系统的强非线性和本质不稳定性、星上电压及电功率的限制是磁悬浮转子系统高精度自动平衡控制的难点所在。此外，转子几何轴涡动使电机气隙磁场波形畸变，影响电机测速精度，加重电机转矩脉动；在转子径向支承方向产生干扰力，与磁轴承控制系统产生偶合，严重影响系统的整体性能。本项目立足于一种完整的磁轴承-转子与电机-转子控制系统模型，分析影响磁轴承自动平衡控制和电机转速控制控制性能的关键因素，研究系统在控制输入受限、参数摄动、多源扰动、强非线性综合作用下的高精度强鲁棒解耦控制方法。

磁悬浮惯性执行机构在提高力矩输出精度、实现航天器长寿命等方面具有巨大的潜力，得到世界航天大国的重视和持续研究。转子的不平衡振动一直是高速旋转机械面临的共同问题，转子不平衡振动传递到基座上，影响对振动敏感载荷的工作性能。通过转子机械动平衡减小转子不平衡量是消除转子不平衡振动最直接有效的手段。对于磁悬浮惯性执行机构，研究适用于强陀螺效应刚性扁平转子的动平衡理论，是高精度磁悬浮转子现场动平衡面临的难题。自动平衡控制的意味着转子几何轴不停地涡动，从而导致一系列非理想的后果，包括：气隙磁密及电枢反电势波形畸变、无位置传感器换向不准确和转矩脉动加剧等。因此，研究在磁轴承自动平衡控制条件下电机的高精度转速控制方法，实现电机驱动系统与磁轴承支承系统控制性能互不影响的解耦控制，具有重要意义。.本项目从磁悬浮转子系统主动振动抑制入手，首先采用理论推导结合实验研究的方法，建立了高精度的转子动力学模型及磁轴承控制系统模型，给出了系统在强陀螺效应、磁轴承非线性及多源扰动等复杂条件下的振动产生机理；其次，研究抑制多源扰动和多频率振动的自动平衡控制算法，克服了现有自动平衡控制算法抑制扰动源单一、在不同磁轴承控制系统间可移植性不强的缺点，实现了高集成度、高可靠性、高精度的磁悬浮转子系统自动平衡控制；最后，分析了磁轴承支承系统与电机驱动系统的耦合关系，解决了磁轴承自动平衡控制影响电机驱动控制的问题，进行了磁轴承支承系统和电机驱动系统的解耦控制，达到了磁悬浮惯性执行机构整体性能指标最优的目的。本项目共发表SCI论文17篇，其中SCI收录15篇，申请/授权专利16项，所提出的磁悬浮惯性执行机构自动平衡控制及磁轴承与电机系统解耦控制方法，已应用于磁悬浮控制力矩陀螺和磁悬浮飞轮等惯性执行机构的研制，提高了惯性执行机构的控制性能，填补了国内在该技术领域的空白。