题目：MSCMG磁轴承动框架效应的高精度补偿方法及实验研究

控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope, CMG)是一种用于航天器姿态控制的关键执行机构。由于磁悬浮转子和定子之间没有接触和磨损、不需要润滑、允许转子高速旋转，因而磁悬浮控制力矩陀螺(Magnetically Suspended Control Moment Gyroscope, MSCMG)成为航天器实现高精度、长寿命和快速姿态机动的有效途径。动框架效应补偿是MSCMG实现高精度性能的关键技术之一。有效的高精度补偿算法的研究、磁悬浮转子信号随机噪声的良好控制和高速高可靠的数字控制器的设计是实现动框架效应精确补偿的有效途径。 本文结合民用航天科研专项，以轻型磁悬浮控制力矩陀螺为研究对象，针对其对磁轴承控制系统的高精度高可靠性等方面的要求，对动框架效应的高精度补偿开展研究，进行了理论分析和实验系统的搭建和验证，主要的研究工作包括：（1）针对磁悬浮控制力矩陀螺动框架效应高精度补偿的要求，建立了输出力矩时磁轴承-转子模型和框架动力学模型，然后在此模型的基础上，分析了磁轴承和框架之间的相互影响及动力学耦合关系。针对现有的FXLMS补偿算法由于模型复杂、计算量大而难以实际应用的缺点，通过分析MSCMG磁轴承对象特性，提出一种简化FXLMS算法，将对象滤波器简化为常数对角阵，大幅度减少了算法计算量。对简化算法进行了仿真，并在MSCMG样机上面进行了动框架效应补偿实验。实验结果表明：简化后的自适应控制系统，收敛性好，跟踪速度快，具有理想的精度和较强的鲁棒性。（2）针对传感器采集数据的噪声问题，首先对磁轴承控制系统进行了噪声分析，发现现有的低通滤波器滤波范围窄，无法对随机噪声进行滤波。通过分析MSCMG轴向动力学特性，采用固定增益的卡尔曼滤波算法，用滤波增益估计值代替滤波增益迭代，简化了算法，实现了数字滤波器的实际应用。实验结果表明：这种快速数字滤波器，运算量小，实时性强，有效的降低了位移采样时引入的随机噪声，提高了控制精度，增强了系统稳定性。（3）利用片上软硬件协同设计的思想，设计了基于LEON3的磁轴承高速高可靠数字控制系统，并搭建了实验平台测试了此方案的实际性能。实验结果表明，基于单FPGA的磁轴承控制器方案可行，是一种高性能高可靠性的磁轴承控制器，为磁轴承控制系统的空间应用铺平道路。