● 摘要
控制力矩陀螺是敏捷机动卫星和大型航天器姿态控制的核心惯性执行机构。磁悬浮控制力矩陀螺的高速转子通过磁轴承实现无接触支承，具有无摩擦、微振动等优点，使其成为航天器高精度姿态控制和高分辨率观测的理想选择。本文就磁悬浮控制力矩陀螺的主动振动控制问题，分别以磁轴承系统和框架伺服系统为研究对象，从振动机理分析与动力学建模、磁轴承系统不平衡振动控制、磁轴承系统多谐波电流与振动抑制、框架伺服系统高精度控制与不平衡振动抑制四个方面，主要进行了以下几方面的研究：
1、介绍了磁悬浮控制力矩陀螺的工作原理与基本结构。对磁悬浮高速转子的运动形式进行了分析和描述，在牛顿第二定律和陀螺技术方程的基础上，建立了含转子不平衡的磁轴承系统动力学模型。通过引入复变量，将动力学模型分解为平动和转动两个子系统。描述了静不平衡、动不平衡如何通过控制器、电流刚度和位移刚度产生振动力和力矩，并分析了它们相互间的耦合问题。通过求解动力学方程，对比了转子位移信号的解释解与实测实验波形，验证了动力学模型的准确性，为本文的后续研究奠定了基础。
2、针对磁轴承系统的不平衡振动控制问题，分析了控制器实现不平衡振动力和力矩完全抑制的理论条件，即在陷波器和前馈控制器的基础上，需要对功率放大器引起的误差进行高精度实时补偿。提出了一种基于幅值相位调节器的振动抑制方法，在空间环境中存在功率放大器参数摄动的情况下，可实现自适应的振动力和力矩抑制。为满足动框架时磁悬浮高速转子低功耗控制对转子不平衡振动位移的限制，不平衡振动控制需要协调不平衡振动位移、不平衡振动力和力矩。分析了转子几何轴、惯性轴和旋转轴的空间位移关系，对幅值相位调节器进行了改进，通过对旋转轴的主动控制，达到了在一定不平衡振动位移阈值条件下的最小不平衡振动力（力矩）控制效果。
3、针对转子不平衡和位移传感器谐波引起的多谐波电流抑制问题，由于位移传感器谐波所含频率成分较多，为减少控制器的运算负担，提出一种重复控制与等效主控制器并联的复合控制方法。将残余不平衡和位移传感器谐波等效为功率放大器的扰动，通过对绕组电流进行直接反馈控制，重复控制器可实现对谐波电流的有效抑制，克服了常规控制器运算量随位移传感器谐波数增多而增大的问题。在此基础上，对传感器谐波的同频分量进行了辨识和补偿，通过陷波器从位移传感器检测信号中分离出转子不平衡，并增加前馈控制器对转子不平衡引起的永磁力和力矩进行补偿，实现对转子不平衡和位移传感器谐波引起的多谐波振动力和力矩的抑制。
4、针对框架伺服系统的高精度控制和不平衡振动力矩抑制问题，通过对框架伺服系统控制器的合理设计，可实现高精度速率控制以及在传递路径上对不平衡振动力矩进一步抑制。建立了基于永磁同步电机的框架伺服系统动力学模型，设计了一种相移通用陷波器，分别采用无穷同频反馈增益和零同频反馈增益的策略，对框架伺服系统的不平衡速度波动和不平衡振动力矩进行抑制，分析并比较了这两种方法的对不平衡振动力矩的抑制效果和对磁悬浮控制力矩陀螺输出力矩精度的影响，实现了磁悬浮控制力矩陀螺整机从源头和传递路径对不平衡振动力矩的主动抑制。
最后，介绍了磁悬浮控制力矩陀螺控制系统的硬件、软件和监控系统的设计，并对其噪声和框架伺服系统的性能进行了测试。本文所取得的研究成果已成功应用于磁悬浮控制力矩陀螺样机，为后续研究和工程应用奠定了理论和技术基础。