一种磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制系统

一种磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制系统 技术领域

本发明涉及一种磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制系统，用 于磁悬浮反作用飞轮的高精度控制和转子振动控制。 背景技术

随着磁轴承技术的发展，磁悬浮飞轮技术研究受到了各国的普遍重视。 磁悬浮飞轮根据额定转速的不同可分为磁悬浮偏置动量轮和磁悬浮反作用

飞轮。其中磁悬浮偏置动量轮工作于较高的额定转速（如20000转/分以上） 附近，而磁悬浮反作用飞轮额定转速较低（如10000转/分以下），飞轮在 较低的转速段内工作。

传统的机械轴承飞轮通过滚珠轴承支撑，刚性的滚珠轴承会将飞轮的 不平衡力矩直接传递给航天器，同时滚珠轴承的润滑还会导致粘滞力矩、力 矩扰动，以及静摩擦等，因而传统的机械轴承飞轮也是航天器姿态控制系统 扰动力或扰动力矩的主要来源，这些扰动力或扰动力矩会降低航天器指向 精度。与传统机械轴承飞轮相比，磁悬浮飞轮具有高精度、长寿命等技术优 势，是目前国外航天器高精度姿态控制的主要执行机构。但是磁悬浮飞轮仍 然存在一些振动源，如不平衡振动造成的飞轮基频扰动、安装误差等非线性 因素造成的扰动等，如果不对这些振动源引起的振动进行抑制，将严重影响 姿态控制的精度，磁悬浮飞轮的高精度等技术优势也无法得以体现。

转子的不平衡振动会造成飞轮系统的基频扰动，是磁悬浮飞轮的最主要 振动源。转子的不平衡是指转子的几何轴与惯性主轴是不重合的，如附图1 所示。而磁悬浮飞轮的工作原理是将飞轮转子悬浮于转子的几何轴，当飞轮 工作于低速时（临界转速以下），飞轮绕转子几何轴旋转，此时飞轮的惯性

主轴绕几何轴转动，从而就会有扰动力与扰动力矩输出；而当飞轮工作于高 速时（临界转速以上），由于飞轮转子的自对中效应，飞轮转子旋转中心与 转子质心会趋于重合，飞轮转子会绕惯性主轴旋转，此时飞轮几何轴绕惯性 主轴旋转，由于磁悬浮飞轮的工作原理，磁轴承会向飞轮转子施加主动控制 力，由于作用力与反作用力的原理，此时也会有扰动力输出。而飞轮的高精 度控制是指飞轮输出力矩的高精度控制，包括力矩大小和力矩方向的高精度 控制两部分。其中输出力矩大小的高精度控制由电机的控制精度决定，而输 出力矩方向的高精度控制由飞轮本身的控制精度决定。所以由于转子的不平 衡造成的扰动力的输出，必然影响飞轮输出力矩的方向，因此如何对转子的 不平衡振动进行抑制，成为磁悬浮飞轮应用于高精度航天器姿态控制所需要 解决的主要问题之一。

对于磁悬浮反作用飞轮，其正常工作范围一般为临界转速及以下，因此 包括临界转速以下的转速段的整个转速范围的高精度控制对磁悬浮飞轮的 高精度控制至关重要。在目前釆用的磁悬浮飞轮高精度控制装置中，其不平 衡振动控制器只采用自适应陷波器对磁悬浮飞轮转子位移信号进行闭环控 制。由于飞轮转子临界转速附近转子会发生相位突跳，因此闭环不平衡振动 控制的方法只能应用于高于临界转速的转速段，在临界转速附近及以下应用 即会引起转子稳定性的问题。另外，Tamisier等对自适应陷波器进行了相位 补偿，使闭环不平衡振动控制可应用于临界转速附近，但仍然不适用于低于 临界转速（如600转/分以下）的转速段，因此无法实现磁悬浮飞轮转子在 整个转速范围的高精度控制。因而现有的高精度控制装置不能满足磁悬浮反 作用飞轮高精度控制的要求，存在不能对磁悬浮反作用飞轮的整个工作范围 进行不平衡振动控制的缺陷。 发明内容

本发明的目的是：克服现有磁悬浮反作用飞轮控制系统在飞轮高精度控 制方面存在的不足，特别是解决整个转速范围内的不平衡振动控制问题，提

供一种磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控制系统，实现磁悬浮反作 用飞轮在整个升、降速过程中的高精度控制。

本发明的技术解决方案是： 一种磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振

动控制系统，包括位移传感器、位移信号接口电路、转速检测装置、磁轴承 控制器、磁轴承功率放大驱动电路，其中磁轴承控制器由轴向磁轴承控制器

和径向磁轴承控制器组成，位移传感器用于检测飞轮转子位移信号；位移信 号接口电路与位移传感器和磁轴承控制器相连，用于将位移传感器检测到的 飞轮转子位移信号输出给磁轴承控制器；转速检测装置与磁轴承控制器相 连，用于检测飞轮转速；功率放大驱动电路与磁轴承控制器和磁轴承线圈相 连，用于将磁轴承控制器输出的控制量进行功率放大输出至磁轴承线圈，对 飞轮转子施加主动控制；所述的磁悬浮反作用飞轮开环高精度不平衡振动控 制系统的特征在于：还包括飞轮位置鉴别装置，与磁轴承控制器相连，用于 检测飞轮转子的当前位置；径向磁轴承控制器由稳定控制器和不平衡振动控 制器组成，其中稳定控制器用以对飞轮进行稳定控制，不平衡振动控制器与 转速检测装置和飞轮位置鉴别装置共同组成不平衡振动控制模块，通过飞轮 转速检测装置获得转子的不平衡量，依据转子不平衡量和飞轮位置鉴别装置 获得的飞轮当前位置信号决定当前时刻不平衡补偿量的大小，对系统进行开 环补偿，实现飞轮转子不平衡振动的开环高精度不平衡振动控制。

所述的不平衡振动控制器由自适应陷波器和开环补偿算法组成，自适应 陷波器由转速检测装置获得飞轮的转速设置其中心频率，用于对飞轮转子闭 环不平衡振动补偿以使飞轮绕惯性主轴稳定旋转并得到转子的不平衡量大 小和位置；开环补偿算法根据得到的不平衡量大小和位置，并依据飞轮位置 鉴别装置获得的飞轮转子当前位置信号进行开环高精度不平衡振动控制。

本发明的原理是：本发明中的稳定控制模块可实现磁悬浮反作用飞轮的 稳定控制。在稳定控制的基础上，引入不平衡振动控制，利用飞轮高速时识 别的飞轮不平衡振动参数，并结合飞轮位置鉴别装置获得的飞轮实际位置，

对飞轮整个转速范围进行开环高精度不平衡振动控制，从而实现飞轮在整个 转速范围内的不平衡振动控制，使飞轮的在整个升、降速过程中都能够高精

度运转。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明采用临界转速以上识别出的飞轮转子不平衡量参数对转子 进行开环高精度不平衡振动控制，克服了闭环不平衡振动控制应用于临界转 速以下造成的飞轮稳定性问题，因而实现了磁悬浮反作用飞轮转子在整个转 速范围的高精度控制。

(2 )本发明的不平衡振动控制模块采用了开环高精度不平衡振动控制 的方法，既有开环的稳定性，又具有闭环控制的精度，其具体实现中只是在 现有高精度控制器的基础上加入软件开关以进行闭环与开环补偿的切换和 飞轮位置鉴别装置以获得转子当前位置信号，因此具有方法简单，易于实现 的优点。 附图说明

图1为一种磁悬浮反作用飞轮转子存在不平衡量时转子几何轴与惯性

主轴关系示意图；

图2为本发明的一种磁悬浮反作用飞轮控制系统构成示意图；

图3为本发明的一种磁悬浮反作用飞轮控制系统的不平衡振动控制算

法流程图；

图4为本发明的一种磁悬浮反作用飞轮控制系统闭环不平衡补偿原理 框图；

图5为本发明的一种磁悬浮反作用飞轮控制系统自适应陷波器原理图； 图6为本发明的一种磁悬浮反作用飞轮控制系统开环补偿算法流程图； 图7为一种未经不平衡振动控制的磁悬浮反作用飞轮转子位移曲线； 图8为一种经本发明的不平衡振动控制的磁悬浮反作用飞轮转子位移 曲线。

具体实施方式