● 摘要
磁悬浮控制力矩陀螺采用磁轴承替代传统的滚珠轴承支承高速转子，具有高转速、高精度、长寿命的优势，是空间站等航天器姿态控制的关键执行机构。磁悬浮高速转子转动过程中存在不平衡振动，会向外界传递振动力，影响框架转速精度，干扰航天器动力学环境。本文以磁悬浮控制力矩陀螺为研究背景，对磁悬浮转子不平衡振动力的高精度抑制方法进行了理论和实验研究，可概括为：（1）介绍了磁悬浮控制力矩陀螺的结构，分析了其磁悬浮转子不平衡振动的机理，建立了转子不平衡振动的动力学模型，总结了影响不平衡振动力抑制精度的因素，为进一步研究不平衡振动力高精度抑制方法提供了理论依据。（2）针对转子转速误差对不平衡振动力抑制精度的不利影响，研究了转速在线估计方法。基于线性定频率滤波算法推导出频率估计法则，得到非线性自适应滤波算法，用于从转子径向位移信号中准确估计转速和精确提取同频分量，实现不确定转速下不平衡振动力的高精度抑制。实验中该方法将磁悬浮转子的不平衡振动降至原有的8%。（3）针对磁轴承功放对不平衡振动力抑制精度的不利影响，研究了功放低通特性与位移刚度力补偿的关系，构造功放的简化逆模型，对位移刚度力补偿过程进行超前校正，实现从同频位移到电流的超前前馈，抵消了功放低通特性造成的补偿衰减与滞后。实验中该方法将磁悬浮转子的不平衡振动降至常规比例前馈补偿时的28%。（4）针对基于功放简化逆模型的位移刚度力超前前馈补偿存在功放参数不准确或慢变时精度较低且易引入噪声的缺点，提出基于最小均方误差算法的自适应前馈补偿方法，自适应地抵消功放低通特性造成的补偿衰减与滞后，使同频轴承力自动趋近于零。实验中该方法将磁悬浮转子的不平衡振动降至常规比例前馈补偿时的24%。（5）基于实验室已有的磁悬浮控制力矩陀螺控制系统，对不平衡振动力抑制算法进行了实现，基于Visual C++设计了上位机监控系统，形成了单框架磁悬浮控制力矩陀螺不平衡振动力实验平台，对不平衡振动力抑制方法进行了系列实验验证。