● 摘要
飞轮是高精度、高稳定度、长寿命卫星平台姿态稳定与姿态控制的关键执行部件。磁悬浮飞轮与机械轴承飞轮相比，具有过零摩擦小、无磨损、微振动、高精度等特点，是我国新一代卫星急需的高精度姿控执行机构。飞轮电机的高精度驱动技术是磁悬浮飞轮的关键技术之一，其控制性能直接影响飞轮的输出力矩精度。本文结合国家民用航天科研重点专项，以磁悬浮反作用飞轮为主要研究对象，针对电机高精度控制关键技术开展研究，进行了相关理论分析，搭建了系统平台并进行了相关验证，取得的研究成果主要包括：1 为了提高磁悬浮飞轮电机低速测速精度，提出了一种基于多开关霍尔转子位置传感器量测和牛顿预测转速估计方法，对霍尔的安装偏差进行标定和补偿，得到当前扇区的电角度，并采用牛顿预测方法估计电机的实时转速。仿真和实验验证了该方法的正确性和有效性，为解决磁悬浮飞轮电机低速时转速的精确测量提供了新的途径。2 针对磁悬浮反作用飞轮干扰力矩对输出力矩精度的影响，提出了一种速率模式数字控制方法，实现了正向加速、正向减速、反向加速、反向减速的四象限高精度稳定的转速跟踪控制，减速时，高速段利用飞轮储存的动能进行能耗制动，低速时进行反接制动，从而实现磁悬浮反作用飞轮速率模式控制。实验结果表明，飞轮力矩输出精度达到4×10-4Nm。3 为了满足空间应用的特殊要求，设计了一种基于数字信号处理器和现场可编程门阵列的磁悬浮飞轮电机数字控制系统，进行了系统的工程化设计和速率模式控制算法的软件设计。最后，对本文的研究工作进行了总结，提出了下一步的研究方案。