● 摘要
航天器姿态控制的关键执行机构是控制力矩陀螺，而采用磁悬浮轴承是高速转子理想的支承方式，相比常规的机械轴承支承，可以根本上解决摩擦和振动的问题。磁轴承-转子系统不仅具有高精度、长寿命、高转速等突出优点，而且在可靠性、体积和功耗等方面存在优势。但是，磁轴承是一种有间隙的弹性支承方式，扰动作用下必然会出现暂态或稳态位移，影响支承精度。因此，必须在保持稳定的前提下，通过扰动补偿实现转子位移扰动响应的极小化。本文针对控制力矩陀螺磁轴承-转子系统的扰动补偿进行了相关的方法及实验研究，实现了针对外界扰动的高精度控制。本文的主要内容包括：首先在轴向单通道模型的基础上，设计了扫频实验获取了相对准确的模型参数，为采用干扰观测器算法奠定了基础。在磁轴承的轴向通道上，采用基于干扰观测器的方法进行了高精度控制，实现了有效的扰动补偿。从鲁棒稳定性和抑制扰动的动态性能角度，分析了干扰观测器应用到轴向磁轴承时其有效带宽较低的问题，提出了一种抑制扰动鲁棒控制方法。基于干扰观测器与轴向磁轴承的名义模型，采用标准H∞问题的方法设计抑制扰动鲁棒控制器。这些控制方法都进行了仿真分析和实验验证。然后，研究了在磁轴承的径向多通道上，采用交叉反馈加基本控制器，实现了干扰观测器算法对多通道模型实现了对外界扰动的估计，并反馈补偿扰动，实现径向多通道的高精度控制。在设计的算法基础上，选用TMS320F28335浮点型DSP作为数字控制平台的主处理器，并设计了相关的外围电路，组成了验证高精度算法的实验平台。本数字控制系统具备很高的运算速度，并实现了高精度算法的快速计算，达到了很好的控制效果，充分的验证了扰动补偿算法的有效性。