[发明专利]一种磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统，用于磁悬浮飞轮的转子不平衡振动的抑制和飞轮高精度控制。

背景技术

飞轮是卫星等航天器姿态控制的主要执行机构。传统的机械轴承飞轮通过滚珠轴承支承，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。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。磁悬浮飞轮具有无接触、无摩擦、无需润滑、高精度、长寿命等传统机械轴承飞轮无可比拟的优点，是高精度航天器姿态控制的理想执行机构。

然而磁悬浮飞轮在高精度姿态控制的应用中也存在一定的问题，即磁悬浮飞轮仍存在一些振动源，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，同时还会带来功放饱和、功耗增加等一系列问题。因此如何对这些振动进行抑制，已成为磁悬浮飞轮用于航天器姿态控制所要解决的主要问题之一。

转子的不平衡振动会造成飞轮系统的基频、二倍频、三倍频等扰动，是磁悬浮飞轮的最主要振动源。转子存在不平衡，是指转子的几何轴与惯性主轴是不重合的，如附图1所示。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，飞轮转子会趋于绕惯性主轴旋转，此时转子几何轴会绕惯性主轴旋转。由于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，因此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，此时就会有扰动力输出。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亟待解决的问题。

在目前采用的磁悬浮飞轮高精度控制系统中，其不平衡振动控制器一般只采用不平衡量补偿部分，即对飞轮转子不平衡量造成的振动进行补偿，当飞轮转子绕惯性主轴旋转时，不再对不平衡量部分施加主动控制力。但实际磁轴承系统中由于位移负刚度的存在，即使对转子不平衡量部分不施加主动控制力，仍会有较大位移负刚度引起的振动传出，从而无法实现磁悬浮飞轮的高精度主动振动控制。

发明内容

本发明的目的是：克服现有磁悬浮飞轮控制系统在飞轮高精度主动振动控制方面存在的不足，特别是解决不平衡量引起的不平衡振动和位移负刚度引起的振动，提供一种磁悬浮飞轮高精度主动振动控制系统，实现磁悬浮飞轮的高精度主动振动控制。

本发明的技术解决方案是：一种磁悬浮飞轮高精度不平衡振动控制系统，其特点在于包括：磁轴承控制器、电流传感器、功放、PWM调制和位移传感器，电流传感器与磁轴承线圈和磁轴承控制器相连，用于检测磁轴承线圈中电流并将检测值送至磁轴承控制器；功放与PWM调制和磁轴承线圈相连，用于将调制后的PWM信号放大输出至磁轴承线圈，对飞轮转子施加主动控制；PWM调制与磁轴承控制器和功放相连，用于将磁轴承控制器生成的控制量进行PWM调制以输出到功放；位移传感器与飞轮转子和磁轴承控制器相连，用于检测飞轮转子的位移信号并将检测值送至磁轴承控制器；磁轴承控制器由稳定控制器、磁力补偿、偏心估计和第一作用开关组成，稳定控制器接收位移传感器的输出，其输出与电流传感器的输出作和，与磁力补偿的输出作差后作为PWM调制的输入；第一作用开关与位移传感器和偏心估计相连，用于控制是否将位移传感器的输出送至偏心估计；偏心估计接收第一作用开关的输出信号，其输出送至磁力补偿，同时负反馈至位移传感器的输出端；磁力补偿以偏心估计的输出作为输入，其输出被稳定控制器输出与电流传感器输出之和所减去后送至PWM调制，中稳定控制器用于对飞轮进行稳定控制，偏心估计用于确定飞轮转子不平衡量的大小和位置，并对转子不平衡量进行补偿以减小飞轮转子的不平衡振动，同时确定磁力补偿的大小和位置，磁力补偿用于对飞轮转子悬浮气隙波动所引起的不平衡磁拉力进行补偿，以减小位移负刚度引起的飞轮转子的振动，其大小和位置由偏心估计确定，第一作用开关用于确定偏心估计和磁力补偿的作用时刻。

所述的磁力补偿(9)的补偿公式为：