基于磁悬浮飞轮转子转轴主动偏转的航天器高稳定度姿态控制方法

Limited to the slow response and low bandwidth of the attitude control system with existing mechanical flywheel or magnetically suspended flywheel, the attitude stability of spacecraft is obstructed to be improved. Because of the characteristics that the flywheel rotor is actively controlled, the magnetically suspended flywheel (MSFW) is able to output high precision and high bandwidth torque. Using this torque to attenuate the medium-frequency disturbances of spacecraft, which provides a novel way to improve the attitude stability of spacecraft, is an important trend of MSFW technology. The project will be carried out on rotor tracking control of the magnetic-bearing & rotor system and MSFW based attitude control of spacecraft, which consists of the following contents: (1) Under the condition that the rotor moved in wide area, the characteristics of that electromagnetic force/torque of magnetic bearing, the force/torque disturbances and its source, and the response of magnetic bearing are analyzed. Then the tracking error dynamics of the magnetic-bearing & rotor system are modeled; (2) Based on back-stepping control, the fast response tracking control method of the deflected angle is studied; (3) The output torque characteristics of MSFW, and the characteristics of the coupling between spacecraft attitude and the flywheel rotor motion are analyzed；(4) High stability attitude control method based on integrated control of the MSFW deflection and the spacecraft attitude is studied. According to above contents of this project, a novel technical approach is provided for the improvement of attitude actuator bandwidth and spacecraft attitude stability.

采用现有的机械飞轮或磁悬浮飞轮的姿态控制回路，其响应速度慢、带宽较低，制约了航天器姿态稳定度的提高。利用转子转轴可主动偏转的特性，磁悬浮飞轮能够输出高精度、高带宽的力矩以用于抑制星上中频扰动，为提高航天器姿态的稳定度提供了一种新的途径，是磁悬浮飞轮技术的重要发展方向。本项目将在磁轴承-转子系统转子运动跟踪控制和基于磁悬浮飞轮的航天器姿态控制两个方面开展如下研究：（1）分析转子大范围运动时磁轴承产生的电磁力/力矩特性、干扰力/力矩来源及特性、电磁轴承的响应特性，建立磁轴承-转子系统的转子运动误差动力学模型；（2）研究基于反步控制的转轴偏转角快响应跟踪控制方法；（3）分析磁悬浮飞轮输出力矩特性、航天器姿态与飞轮转子运动的耦合特性；（4）研究基于磁悬浮飞轮转子转轴偏转与航天器姿态一体化控制的高稳定度姿态控制方法。本项目的研究将为提高姿态执行机构的带宽和航天器的姿态稳定度提供一种全新的技术手段。

本项目瞄准高分辨率观测对航天器高稳定度姿态的需求，针对当前采用机械飞轮的姿态控制回路响应速度慢、带宽较低而制约姿态稳定度提高的问题，利用磁悬浮飞轮转子转轴在磁间隙范围内可主动偏转的特性来输出高精度、高带宽的力矩，并以此为基础进一步研究其用于提高航天器姿态稳定度的方法。本项目围绕这两部分内容，在四个方面取得了重要结果。（1）电磁力非线性分析与自适应控制，通过对电磁力矩进行分析，其位移刚度系数和电流刚度系数都与偏转角度呈非线性关系，建立刚度系数非线性变化的电磁力矩模型，将非线性问题转化为非线性参数问题，提出了基于模糊基函数的自适应反步控制方法，采用一组模糊基函数的线性组合来表示非线性参数，设计自适应律对模糊基函数的权重系数进行自适应调节，可以实现快速跟踪控制。（2）耦合力矩干扰分析与抑制，耦合干扰力矩是转轴偏转时普遍存在的问题，其是与平动位移、偏转角、绕组电流等相关的复杂非线性干扰力矩，很难获得其精确模型，针对这一耦合干扰，研究了基于滑模控制的转轴偏转控制方法，设计了一种终端滑模方法来实现有限时间内的收敛，从而提高了系统的跟踪速度。（3）不平衡干扰分析与抑制，由转子不平衡引起的干扰是由转子的惯性轴与旋转轴不重合引起的，建立了考虑惯性轴和旋转轴不平行的转轴偏转动力学精确模型，获得同频干扰模型，在基于扰动观测器的复合控制方法基础上，提出一种结合扰动前馈的干扰观测器方法，主动设计期望的偏转角偏差以减小旋转轴与惯性轴之间的角偏差，从而减小磁悬浮飞轮传导到航天器的振动力矩。（4）输出力矩特性及操纵率设计，受磁悬浮飞轮转子与定子之间间隙的限制，磁悬浮飞轮转子转轴的可偏转角度是受限的，其避免了传统控制力拒陀螺簇在应用时的奇异问题，但是偏转角度存在饱和，针对三台正交构型的磁悬浮飞轮簇设计了一种抗饱和操纵率，充分利用磁悬浮飞轮的两种转矩输出模式，避免在姿态控制过程中转轴偏转角度达到饱和。