● 摘要
控制力矩陀螺（Control Moment Gyro-CMG）是航天器姿态控制的重要执行机构。相比机械CMG，轻型磁悬浮CMG 面临的突出问题是磁轴承功耗问题。本课题结合国家民用航天科研专项“高精度轻型磁悬浮控制力矩陀螺研究”，针对磁悬浮CMG 磁轴承铜耗与输出力矩成平方关系增大的问题，主要进行了以下几个方面的研究：（1）介绍了磁悬浮CMG 系统的总体组成和磁轴承-转子系统的模型，推导了磁轴承功耗与输出力矩的关系，为进一步研究磁轴承低功耗控制方法提供了依据。（2）提出了角速率-转子位移控制，解决磁轴承铜耗与输出力矩成平方关系增大的问题，并进行了仿真分析和实验验证。角速率-转子位移控制通过改变转子悬浮位置从而由永磁体提供转矩，并且对转子的运动轨迹有严格的约束；同时角速率-转子位移控制方法为了不降低CMG 的系统响应速度，必须满足转子位置变化时间小于框架转速的变化时间；仿真研究表明本文所提出的角速率-转子位移控制律满足上述要求。在CMG-Ⅵ系统进行实验，结果表明输出力矩为21Nm 时磁轴承的铜耗降低为原来的34%。（3）针对进一步降低磁轴承功耗的要求，建立了转子在较大范围内运动时磁轴承的力学模型。在一定条件下简化了磁轴承力学模型，并进行了实验验证模型的合理性；在满足控制稳定性的前提下，推导磁轴承承载力、功耗和体积质量等性能与设计参数之间的关系，并给出了磁轴承低功耗设计的建议。（4）综合考虑了角速率-转子位移控制方法CMG 系统性能的影响。采用角速率-转子位移控制，磁轴承强制转子做附加进动，因此会对系统产生影响，必须对上述影响进行分析。具体内容包括对输出力矩大小和方向的影响分析，对转子电机的影响分析、对框架系统影响分析和对控制力矩陀螺群操纵律影响的分析。本文结合磁悬浮CMG 磁轴承-转子系统的动力学模型，提出了降低输出力矩时磁轴承功耗的角速率-转子位移控制方法，分析了这种控制方法对磁轴承的要求和对系统性能的影响，并进行了相关的实验研究，为进一步降低磁悬浮CMG 的功耗提供了必要的理论和实验基础。