专利名称：一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种控制系统，可以用于补偿双框架磁悬浮控制力矩陀螺动框架效应对磁悬 浮转子系统与框架系统的影响，实现对双框架磁悬浮控制力矩陀螺的稳定控制。
背景技术：
控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope—CMG)是长寿命大型航天器或敏捷航天器 等必不可少的姿态控制关键执行机构。CMG由高速转子系统和框架伺服系统两部分组成，高 速转子提供角动量，框架强制高速转子改变角动量方向，使CMG输出陀螺力矩调整航天器姿 态。框架自由度数和高速转子支承方式是决定CMG性能的两个最重要的因素。根据框架自由 度的多少，CMG可以区分为单框架CMG和双框架CMG。相对而言，双框架CMG机械结构和控 制更复杂，但控制能力由一个自由度增加为两个自由度，实现航天器三轴姿态稳定控制所需 的CMG个数可减少一半，可以显著降低姿控系统的体积、重量和功耗。根据高速转子的支承 方式，CMG又可以区分为机械支承CMG和磁悬浮CMG两种。机械支承高速转子存在固有的磨 损和不平衡振动问题，影响了CMG的寿命和精度，相比之下，磁悬浮支承具有无接触无摩擦， 振动主动可控的优点，不仅可以克服磨损和振动从而提高CMG的寿命和精度，而且可以大幅 度提高转子转速，相同角动量情况下有利于降低CMG的体积和重量。双框架磁悬浮CMG综合 了双框架和磁悬浮两方面的优点，不仅能够满足高精度和长寿命要求，同时还可以降低姿控 执行机构的体积、重量和功耗，是实现空间机动平台高精度、高稳定度和快速机动姿态控制 的理想执行机构。
双框架磁悬浮CMG同样存在动框架效应问题。所谓动框架效应，是指由于磁悬浮转子与 框架之间的强陀螺耦合和惯性力矩耦合，框架转动时磁悬浮转子的径向角位移显著增大，稳 定性显著下降甚至失稳，同时转子的径向运动又对框架运动构成扰动，降低框架的响应速度。 动框架效应是所有磁悬浮CMG的共性问题，该效应不仅降低了磁悬浮高速转子系统的稳定性， 而且影响框架系统的响应速度和精度，最终将严重影响磁悬浮CMG力矩输出的响应速度和精 度，因而必须加以补偿和抑制。
双框架磁悬浮CMG综合了磁悬浮和双框架两方面优点，同时也兼具单框架磁悬浮CMG和 双框架机械支承CMG的特点，且进一步复杂化。单框架磁悬浮CMG只存在磁悬浮转子系统和 框架系统之间的动力学耦合，双框架机械支承CMG只存在两个框架之间的动力学耦合，而双 框架磁悬浮CMG同时包含上述两种动力学耦合，即磁悬浮转子、内框和外框三者之间相互存在动力学耦合，使动力学行为和动框架效应进一步复杂化第一，磁悬浮转子与内、外框之 间存在相互影响的惯性耦合力矩和陀嫘耦合力矩，其中与外框之间的动力学耦合不仅取决于 外框本身，同时还与内框角位移有关；第二，内、外框之间存在陀螺效应导致的动力学耦合， 即内、外框互锁现象，且这种动力学耦合不仅取决于框架运动，还与磁悬浮转子的径向转动 有关；第三，不考虑轴承力非线性的前提下，单框架磁悬浮CMG为线性系统，而双框架磁悬 浮CMG由于增加一个框架自由度，陀螺耦合力矩与内框角位移的余弦成正比，只要框架转速 非零，就成为非线性系统，增加了控制难度。
现有技术中，如果直接提高磁轴承的闭环刚度抑制动框架效应，由于陀螺力矩对磁悬浮 转子系统的动框架扰动较大，相应要求磁轴承具有很高的刚度，但磁轴承刚度过高容易导致 磁悬浮系统不稳定，因而不适用；单框架磁悬浮CMG可以采用角速率-电流前馈控制方法抑
制动框架效应，但双框架磁悬浮CMG具有非线性，因而不能沿用。此外，机械支承CMG不存 在转子运动与框架运动的耦合问题，同时尚未发现磁轴承应用于两自由度伺服转动机电系统 的先例，因而现有技术不能提供可借鉴的补偿或抑制方案。
发明内容
本发明的技术解决问题:克服现有方法局限于单框架磁悬浮CMG动框架效应补偿的缺陷， 针对双框架磁悬浮CMG，提供一种在框架转动时抑制磁悬浮转子位移加大，同时消除框架转 动引起的磁悬浮转子运动对框架系统的反作用，以及两框之间运动学耦合的复合补偿控制方 法，在保持磁悬浮高速转子系统稳定性的同时提高框架系统的响应速度和角速率精度，也提 高双框架磁悬浮CMG力矩输出精度和响应速度。
本发明的技术解决方案在磁悬浮转子控制单元、内框控制单元、外框控制单元的基础 上，针对框架转动导致的转子惯性耦合力矩，对磁悬浮转子系统引入前馈实现对框架角加速 度的影响进行补偿，针对框架非零转速导致的非线性，对内、外框伺服系统分别引入前馈对 框架角加速度的影响即惯性力矩进行前馈补偿，针对陀螺效应耦合，引入反馈补偿器对陀螺 效应扰动力矩进行补偿，二者构成复合补偿控制单元补偿动框架效应，其输出再与磁悬浮转 子控制单元、内框控制单元和外框控制单元的输出分别求和作为总控制量，在补偿动框架效 应影响的基础上实现对双框架磁悬浮CMG的稳定控制。
双框架磁悬浮CMG控制系统包括双框架磁悬浮CMG本体，磁悬浮转子控制单元、内框 控制单元、外框控制单元和复合补偿控制单元，其中复合补偿控制单元接收内框角速率给定 信号 、外框角速率给定信号^v、内框角位移信号"^、内框角速率信号&和外框角速率
信号l,，输出磁悬浮转子复合补偿信号
"。身
、内框复合补偿信号w^、外框复合补偿信号"一 ，实现对动框架效应的补偿，磁悬浮转子控制单元接收转子位移信号
W。s
，输出磁悬浮
转子控制信号
、c
，内框控制单元接收内框角位移信号"0,和内框角速率给定信号fiv，输
出内框控制信号"&,外框控制单元接收外框角位移信号"^和外框角速率给定信号cv，输
出外框控制信号^
<formula>formula see original document page 6</formula>
求和得到磁悬浮转子总控制量
与"6VS求禾口得
到内框总控制量 ^，"^与W一求和得到外框总控制量"-，三个总控制量分别连接到磁轴
承功放、内框功放和外框功放，实现对转子、内框、外框的稳定控制，从而实现对整个双框
架磁悬浮CMG本体的稳定控制。
复合补偿控制单元包括前馈补偿器和反馈补偿器两个部分，前馈补偿器接收内框角速率 给定信号必^、外框角速率给定信号《,和内框角位移信号《& ，输出"通道前馈补偿信号W^、
^通道前馈补偿信号"^，实现对框架转动导致的惯性耦合扰动力矩的前馈补偿，输出内框
前馈补偿信号"V和外框前馈补偿信号 ,，实现对内框惯性力矩和外框惯性力矩的前馈补
偿，反馈补偿器接收内框角速率信号&和外框角速率信号 ,，输出"通道的反馈补偿信
号&6、》通道的反馈补偿信号"^、内框反馈补偿信号W^和外框反馈补偿信号"^，实现对
陀螺效应扰动力矩的反馈补偿，"。,和"^求和得到C通道复合补偿信号"^输出，"^和"^
求和得到》通道复合补偿信号"^输出， 和"w求和得到内框复合补偿信号"^输出，~/
和求和得到外框复合补偿信号 力输出。
复合补偿控制单元中的前馈补偿器的输入一输出关系为
叙
<formula>formula see original document page 6</formula>其中ff和》分别为磁悬浮转子径向转动两个正交自由度上的角位移，e和^分别为内框和 外框的角位移，a。^ W。"吣W^分别为。、》、6 和^控制通道相应的前馈补偿器的输
出，厶、厶、；和厶分别为转子径向、内框％向、内框7向和外框7向的转动惯量，；=力,+;， 先.r和^分别为磁轴承电流刚度和磁轴承功放的电流放大倍数，"和^分别 为内框力矩电机的力矩系数和内框功放的电流放大倍数，A"和^/分别为外框力矩电机的力矩系数和外框功放的电流放大倍数，"w和"*分别为内、外框的角速率给定值， 和&,分 别为"p和"^的微分，即内、外框的角加速度给定信号，""为内框角位移信号，h为内框 角位移传感器的灵敏度。
复合补偿控制单元中的反馈补偿器的输入一输出关系为
<formula>formula see original document page 7</formula>
其中"。4、 "^、 "^、 ~6分别为o、 "、 e和p通道反馈补偿器的输出， 〃"为转子角动量， ,为外框角位移信号，zi^为外框角位移信号的微分，、为外框角位移传感器的灵敏度。
双框架磁悬浮CMG控制原理在双框架磁悬浮CMG控制系统中，双框架磁悬浮CMG本体 为被控对象，又包含转子、内框和外框三个动力学单体，动力学模型可以表示如下<formula>formula see original document page 7</formula>
上式中前两个方程为转子动力学模型，后两个方程分别为内框和外框的动力学模型，A、 A、 Pw和P》分别为转子"、-自由度、内框和外框的主动控制力矩。从模型可以看出，三 个单体的运动耦合程度取决于框架转速当内框角速率6和外框角速率0为零或极小时，三 个单体的运动相互独立或近^(相互独立；当内、外框角速率较高时，任一单体均受到另外两 个单体的运动导致的耦合力矩，导致另外两个单体同时产生额外的受扰运动，即动框架效应。 显然，耦合力矩是引起动框架效应的根本原因。为了抑制动框架效应和实现对双框架磁悬浮 CMG本体的稳定控制，本发明根据动框架效应与框架转速之间的关系，设计双框架磁悬浮CMG
控制系统包含两个部分不考虑动框架效应的独立控制部分和考虑动框架效应的复合补偿控
制单元。独立控制部分包括磁悬浮转子控制单元、内框控制单元和外框控制单元，实现对三个单体相互独立的闭环控制，复合补偿控制单元则在对三个单体分别控制的基础上，对三个 子系统之间耦合力矩进行补偿，实现对动框架效应的抑制。独立控制部分与复合补偿控制单 元的输出相结合，实现对双框架磁悬浮CMG本体的稳定控制。
动框架效应的复合补偿控制原理框架转动引起的耦合力矩可以区分为两个部分，即陀 螺耦合力矩和惯性耦合力矩。陀螺耦合力矩正比于框架角速率，惯性耦合力矩与框架的角加 速度成正比，仅在框架加速或减速时才存在。为了抑制动框架效应，对两种耦合力矩分别进 行补偿。对陀螺耦合力矩的补偿，直接根据内、外框角速率，对磁轴承控制器、内框控制器 和外框控制器分别额外增加一部分控制量，使电磁铁、内框力矩电机和外框力矩电机额外输 出一部分力矩，并且恰好抵消陀螺耦合力矩，以消除陀螺耦合力矩的影响。由于陀螺耦合力
矩补偿的输入量为双框架磁悬浮CMG控制系统的输出量——框架角速率S和0，故为反馈补 偿。根据动力学模型，由内、外框转动导致的在转子o、 -通道、内框和外框的陀螺耦合
力矩分别为_:^,— _|^+—e)、 ^e。s,-W』，若各通道
反馈补偿量即反馈补偿器输出分别为"w、 "^、 ％和^，则补偿力矩分别为^A^、 先,人,V、 、、"w和W^，为了满足补偿要求，补偿力矩必须等于陀螺耦合力矩，则有
<formula>formula see original document page 8</formula>
即得反馈补偿器的输入一输出关系为
<formula>formula see original document page 8</formula>
、
对惯性耦合力矩的补偿方法同样是使电磁铁、内框力矩电
<formula>formula see original document page 8</formula>
机和外框力矩电机额外输出一部分力矩，并且恰好抵消惯性耦合力矩，区别在于需要引入内、 外框角加速度。框架中通常不具备直接检测框架角加速度的装置，也不宜对内、外框角速率 信号再次做微分，因为框架角速率信号本身就是角位置信号做微分的结果，再次微分会引入 很大的微分噪声而严重影响补偿效果。为了避免微分噪声，注意到框架稳定工作时内、外框角速率与各自的角速率给定值必然十分接近，采用角速率给定值《 和的微分结果
——(iv和^,近似代替实际的框架角加速度，二者之差是随时间推移而收敛的零均值微量，
而补偿的暂态误差通过前述的独立控制部分的闭环控制可以消除，因此可以满足补偿要求。 惯性耦合力矩的补偿输入量为系统的输入量——框架角速率给定值cv和cv，故为前馈补
偿。根据动力学模型，由内、外框转动导致的在转子c、 ^通道的惯性耦合力矩分别为
A(々'+^cose)和-^々(々'-^cosP)，同时为了提高内框对内框角速率给定信号flV的响
丁、" ， 2
应速度和外框对外框角速率给定信号fiV的响应速度，需要对内、外框惯性力矩Jg，j和
进行补偿，若各通道前馈补偿量即前馈补偿器输出分别为&,、 、 和"W，则补偿力矩
分别为《人,"w、《A^t^,、、、 和^^ ，为了满足补偿要求，补偿力矩必须等于待
补偿的惯性耦合力矩和惯性力矩，则有
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即有前馈补偿器的输入一输出关系为
<formula>formula see original document page 9</formula>
前馈补偿和反馈补售
阵
的输出合并，实现对双框架磁悬浮CMG动框架效应的复合补偿控制。
本发明与现有技术相比的优点在于(1)在磁悬浮转子控制单元和内、外框控制单元的 基础上增加补偿措施，不仅不需要提高磁轴承刚度，而且结构简单，易于实现；(2)通过引 入复合补偿控制，消除了磁悬浮转子系统和内、外框伺服系统之间的运动学耦合，实现了对 双框架磁悬浮CMG动框架效应的抑制和整机的稳定控制；(3)通过引入复合补偿控制，大幅 度抵消了动力学模型中带有内框角位移余弦因子的扰动项的作用，削弱了双框架磁悬浮CMG 的非线性，降低了控制难度，提高了整个控制系统的鲁棒性；(4)在前馈补偿器中，采用框 架角速率给定值的微分代替实际的框架角加速度，不仅可以补偿惯性耦合力矩扰动，而且可以有效避免微分噪声。
图1为双框架磁悬浮CMG本体及其坐标系示意图； 图2为双框架磁悬浮CMG转子及其坐标系示意图3为本发明的控制系统框图4为本发明的复合补偿控制单元内部组成与连接框图。
具体实施例方式
双框架磁悬浮CMG本体及其坐标系如图l所示。双框架磁悬浮CMG本体由转子、内框、 外框三部分构成，转子支承于内框，内框支承于外框，外框支承于基座，其中转子与内框之 间采用磁悬浮支承方式，完全无接触。转子相对于内框、内框相对于外框、外框相对于基座 均可以相对转动，且内框转轴A和外框转轴力相互垂直。定点o为内框的几何中心，a^/,&、 c^力z,和0^^4分别表示基座坐标系、外框坐标系和内框坐标系。框架转动时，内框坐标系 相对于外框坐标系的角位移表示为-,外框坐标系相对基座坐标系的角位移表示为伊。
双框架磁悬浮CMG转子及其坐标系如图2所示，o;rj^和0,2/2&分别为磁轴承的定子坐
标系和内环坐标系，定子坐标系与内框固连，内环坐标系与转子固连但不参与转子的高速自
转。内环坐标系相对于定子坐标系的径向转动用卡尔丹角o、 -来描述。
本发明的各控制单元连接框图如图3所示。双框架磁悬浮CMG控制系统包括磁悬浮转子 控制单元、内框控制单元、外框控制单元和复合补偿控制单元。磁悬浮转子控制单元包括磁
轴承控制器，接收双框架磁悬浮CMG本体中转子位移传感器输出的转子位移信号"~
用PID算法计算后输出磁悬浮转子控制信号
w。c
，PID传递函数为G々卜^+
其中s为拉氏变换算子，Afr、 Ar和v^分别为磁轴承控制器的比例、积分和微分系数。内框 控制单元包括内框微分器、内框积分器、内框位置环控制器和内框速率环控制器。内框积分 器接收内框角速率给定信号，与内框角位移传感器输出的内框角位移信号求差后送到
内框位置环控制器，内框微分器接收内框角位移信号"^并做微分计算，结果与内框位置环 控制器输出求差后送到内框速率环控制器，计算后输出内框控制信号w&。内框积分器的传 递函数为~(力=1/"内框微分器的传递函数为G^Cy)-"内框速率环控制器传递函数为 Geei0O = itPw+fcm/s + ^WS，其中&"、 Am和A^分别为内框速率环控制器的比例、积分和 微分系数，内框位置环控制器传递函数为&2(" = ^2+&2"，其中UflyU分别为内框
位置环控制器的比例和积分系数。外框控制单元包括外框微分器、外框积分器、外框位置环 控制器和外框速率环控制器。外框积分器接收外框角速率给定信号flV，与外框角位移传感
器输出的外框角位移信号tV求差后送到外框位置环控制器，外框微分器接收外框角位移信
号^V并做微分计算，结果与外框位置环控制器输出求差后送到外框速率环控制器，计算后
输出外框控制信号tV。外框积分器的传递函数为G"j)-l/"外框微分器的传递函数为
1GD々)=s ，外框速率环控制器传递函数为= ^ + ^ 〃 + ，其中^ 、 ,和
分别为外框速率环控制器的比例、积分和微分系数，外框位置环控制器传递函数为 G^(s) = A:Pp2+^p2/"其中Ap^和^^分别为外框位置环控制器的比例和积分系数。复合补
偿控制单元接收内框角速率给定信号CV、外框角速率给定信号w,、内框角位移信号％、
厂";
内框角速率信号i^和外框角速率信号&,，输出磁悬浮转子复合补偿信号
、内框复合
实现对动框架效应的补偿。、与"一求和得到
，—
磁悬浮转子总控制量
"&与w^求和得到内框总控制量"&力，"^与"^求和得到外框
总控制量"w"，三个总控制量分别连接到磁轴承功放、内框功放和外框功放，实现对转子、
内框、外框的稳定控制，从而实现对整个双框架磁悬浮CMG本体的稳定控制。双框架磁悬浮 CMG本体包括电磁铁、转子、转子位移传感器、内框力矩电机、内框、内框角位移传感器、
1 一COS0
外框力矩电机、外框、外框角位移传感器，/f
-1 一cos^
表示磁悬浮转子与内框和外框
的陀螺耦合效应，~=/^0)3^表示外框对内框的陀螺耦合效应，^-Z^COS^表示内框对
外框的陀螺耦合效应。磁轴承功放输出电流
通入电磁铁，输出磁轴承力矩A.
与
凡
1 -cosS —1 一cosP
环节的输出求和后作用于转子产生转子位移
，再由转子位移传感器检测
得到转子位移信号
内框功放输出电流^通入内框力矩电机，输出内框电机力矩;v与
^^/^cose环节的输出求和后作用于内框产生内框角位移0和内框角速率々，再由内框角
位移传感器检测得到内框角位移信号《&。外框功放输出电流^通入外框力矩电机，输出外
框电机力矩 与^=// 0)3^环节的输出求和后作用于外框产生外框角位移伊和外框角速
率^，再由外框角位移传感器检测得到外框角位移信号iv。
本发明的复合补偿控制单元内部组成与连接框图如图4所示。复合补偿控制单元包括前馈补
偿器和反馈补偿器。前馈补偿器接收内框角速率给定信号flv、外框角速率给定信号6v和内 框角位移信号 ,，cv和av微分后得到内框角加速度给定信号^v和外框角加速度给定信号 < ， <和分别放大々 和-乇扔/(~、)倍作为内框前馈补偿信号 和外框前
馈补偿信号 ,，^放大1/h倍后经余弦计算得到内框角位移余弦信号cos(^/^)， cos(w,, /与 的乘积与 求和后放大Vi々/(2&D倍得到c通道前馈补偿信号wa/ 、 cos("^ /与 的乘积与~求差后放大/(2&D倍得到A通道前馈补偿信号"w 。 反馈补偿器接收内框角速率信号2^和外框角速率信号 ,，^放大1/^倍得到内框角速率值^/^，<放大1/、倍得到外框角速率值i^/、， ^/、与cos(^/^)相乘后与^/^求 差再放大-V^i^/(2H)倍得到o通道的反馈补偿信号^，^/、与cos(t^/^)相乘后与 ^/^求和再放大-V^^/(2K》倍得到》通道的反馈补偿信号 ，^/、与cos(^/、) 相乘后直接放大//。 /(~、)倍作为内框反馈补偿信号"卵，& 与cos(w^ 相乘再放大 -^^(&、》倍作为外框反馈补偿信号"—。w。,和"。6求和得到c通道复合补偿信号w^输 出，t^和t^求和得到"通道复合补偿信号"^输出， 和^求和得到内框复合补偿信号 输出，wp/和tv求和得到外框复合补偿信号 #输出。
权利要求
1. 一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺控制系统，包括双框架磁悬浮控制力矩陀螺本体，其特征在于还包括磁悬浮转子控制单元、内框控制单元、外框控制单元和复合补偿控制单元，其中复合补偿控制单元接收内框角速率给定信号ωgr、外框角速率给定信号ωjr、内框角位移信号uθs、内框角速率信号id="icf0001" file="S2008101046806C00011.gif" wi="4" he="4" top= "63" left = "82" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>和外框角速率信号id="icf0002" file="S2008101046806C00012.gif" wi="6" he="4" top= "63" left = "123" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>输出磁悬浮转子复合补偿信号id="icf0003" file="S2008101046806C00013.gif" wi="12" he="12" top= "72" left = "23" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>内框复合补偿信号uθfb、外框复合补偿信号id="icf0004" file="S2008101046806C00014.gif" wi="7" he="3" top= "77" left = "117" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>实现对动框架效应的补偿，磁悬浮转子控制单元接收双框架磁悬浮CMG本体中转子位移传感器输出的转子位移信号id="icf0005" file="S2008101046806C00015.gif" wi="11" he="12" top= "88" left = "172" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>输出磁悬浮转子控制信号id="icf0006" file="S2008101046806C00016.gif" wi="11" he="12" top= "104" left = "65" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>内框控制单元接收内框角位移传感器输出的内框角位移信号uθs和外部给定的内框角速率给定信号ωgr，输出内框控制信号uθc，外框控制单元接收外框角位移传感器输出的外框角位移信号id="icf0007" file="S2008101046806C00017.gif" wi="4" he="3" top= "132" left = "90" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>和外部给定的外框角速率给定信号ωjr，输出外框控制信号id="icf0008" file="S2008101046806C00018.gif" wi="7" he="5" top= "143" left = "34" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>id="icf0009" file="S2008101046806C00019.gif" wi="9" he="12" top= "140" left = "45" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>与id="icf0010" file="S2008101046806C000110.gif" wi="10" he="12" top= "140" left = "60" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>求和得到磁悬浮转子总控制量id="icf0011" file="S2008101046806C000111.gif" wi="13" he="12" top= "140" left = "127" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>uθc与uθfb求和得到内框总控制量uθcfb，id="icf0012" file="S2008101046806C000112.gif" wi="4" he="3" top= "158" left = "47" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>与id="icf0013" file="S2008101046806C000113.gif" wi="5" he="3" top= "158" left = "57" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>求和得到外框总控制量id="icf0014" file="S2008101046806C000114.gif" wi="8" he="3" top= "158" left = "107" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>三个总控制量分别连接到磁轴承功放、内框功放和外框功放，实现对转子、内框、外框的稳定控制，从而实现对整个双框架磁悬浮CMG本体的稳定控制。
2、 根据权利要求1所述的双框架磁悬浮控制力矩陀螺控制系统，其特征在于所述的 复合补偿控制单元包括前馈补偿器和反馈补偿器两个部分，前馈补偿器接收内框角速率给定 信号^V、外框角速率给定信号6V和内框角位移信号"&,输出"通道前馈补偿信号"^、》通道前馈补偿信号"^，实现对框架转动导致的惯性耦合扰动力矩的前馈补偿，输出内框前馈补偿信号^V和外框前馈补偿信号ty ，实现对内框惯性力矩和外框惯性力矩的前馈补偿，反馈补偿器接收内框角速率信号&,和外框角速率信号、,，输出c通道的反馈补偿信号Ww、；通道的反馈补偿信号"^、内框反馈补偿信号"w和外框反馈补偿信号"—，实现对陀螺效应扰动力矩的反馈补偿，"^和t^求和得到"通道复合补偿信号"一，"^和iV求和得到,通道复合补偿信号"^， "v和"w求和得到内框复合补偿信号"^， ^V和"^求和得到外框复合补偿信号"^。
3、 根据权利要求2所述的复合补偿控制单元，其特征在于所述的前馈补偿器的输入一输出关系为<formula>formula see original document page 3</formula>其中a和》分别为磁悬浮转子径向转动两个正交自由度上的角位移，S和p分别为内框和外框的角位移，"。。f/" w^分别为"、-、 -和p控制通道相应的前馈补偿器的输出，丄、厶、/^和力,分别为转子径向、内框;r向、内框/向和外框y向的转动惯量，A尸丄+乂,， /w,/Z/Z/w L和&分别为磁轴承电流刚度和磁轴承功放的电流放大倍数，钆和^分别 为内框力矩电机的力矩系数和内框功放的电流放大倍数，^和vt,分别为外框力矩电机的力 矩系数和外框功放的电流放大倍数，^V和",>分别为内、外框的角速率给定值， <和<分别为 和"a的微分，即内、外框的角加速度给定信号，"^为内框角位移信号，h为内框 角位移传感器的灵敏度。
4、根据权利要求2所述的复合补偿控制单元，其特征在于所述的反馈补偿器的输入 -输出关系为<formula>formula see original document page 3</formula>其中"w、 "w、 i/w 6分别为"、》、《和P通道反馈补偿器的输出，"z为转子角动 量， ,为外框角位移信号，、,为外框角位移信号的微分，^为外框角位移传感器的灵敏
全文摘要
一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺(Control Moment Gyroscope-CMG)控制系统，包括双框架磁悬浮控制力矩陀螺本体、磁悬浮转子控制单元、内框控制单元、外框控制单元和复合补偿控制单元，复合补偿控制单元又包括前馈补偿器和反馈补偿器，前馈补偿器对转子的惯性耦合扰动力矩和内、外框架的惯性力矩进行前馈补偿，反馈补偿器对陀螺效应扰动力矩影响进行反馈补偿，二者的输出与磁悬浮转子控制单元及内、外框控制单元的输出分别求和作为总控制量，在补偿动框架效应的基础上实现对双框架磁悬浮CMG的稳定控制。本发明通过补偿磁轴承和框架电机输出力矩用于抵消内、外框转动引起的耦合扰动力矩，消除了磁悬浮转子动框架位移，提高了框架和整个双框架磁悬浮CMG的响应速度和精度。
文档编号B64G1/24GK101301934SQ200810104680
公开日2008年11月12日 申请日期2008年4月22日 优先权日2008年4月22日
发明者房建成, 李海涛, 王英广, 甲 霍, 韩邦成, 彤 魏 申请人:北京航空航天大学