《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于擾動觀測的小型反作用飛輪高精度控制
電子技術(shù)應(yīng)用
沈瑩，張曉磊，孔令波，胡慧瑩
長光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司
摘要： 反作用飛輪是衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能指標直接關(guān)系到光學遙感衛(wèi)星的控制精度。為了實現(xiàn)高精度的反作用飛輪轉(zhuǎn)速控制，提出了一種基于擾動觀測器的非線性控制方法。首先，建立了基于無刷直流電機的反作用飛輪數(shù)學模型，分析了影響轉(zhuǎn)速控制精度的因素，并構(gòu)建了用于控制器設(shè)計的非線性模型。然后，結(jié)合擾動觀測器和非線性控制理論設(shè)計了基于擾動觀測的非線性控制器，并利用李雅普諾夫理論證明了控制方法的穩(wěn)定性。最后，通過數(shù)值仿真證明飛輪轉(zhuǎn)速可以平穩(wěn)達到控制目標值，精度優(yōu)于傳統(tǒng)的PI控制方法，并在飛輪實體上驗證了本文方法的有效性。
中圖分類號：V448.22 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245087
中文引用格式： 沈瑩，張曉磊，孔令波，等. 基于擾動觀測的小型反作用飛輪高精度控制[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2024，50(7)：65-70.
英文引用格式： Shen Ying，Zhang Xiaolei，Kong Lingbo，et al. Disturbance-observer-based high precision control of small reaction flywheels[J]. Application of Electronic Technique，2024，50(7)：65-70.
Disturbance-observer-based high precision control of small reaction flywheels
Shen Ying，Zhang Xiaolei，Kong Lingbo，Hu Huiying
Changguang Satellite Technology Co.， Ltd.
Abstract： Reaction flywheels is a key component of the satellite attitude control system, and its performance is directly related to the control accuracy of optical remote sensing satellites. In order to achieve high precision control of the speed for reaction flywheel, a disturbance-observer-based nonlinear control method is proposed. Firstly, the mathematical model of the reaction flywheel based on the brushless DC motor is established, the factors affecting the speed control accuracy are analyzed, and the nonlinear model for the controller design is constructed. Then, a disturbance-observer-based nonlinear controller is designed by combining disturbance observer and nonlinear control theory, and the stability of the control method is proved by using Lyapunov theory. Finally, the numerical simulation indicates that the flywheel speed can reach the control target smoothly, and the accuracy is better than the traditional PI control method. Moreover, the effectiveness of the proposed method is verified on the real flywheel control test.
Key words : reaction flywheel；brushless DC motor；disturbance observer；nonlinear controller

引言

反作用飛輪是衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的重要執(zhí)行機構(gòu)，其主要功能是根據(jù)姿態(tài)控制系統(tǒng)的指令改變飛輪電機的轉(zhuǎn)速，通過動量交換，實現(xiàn)衛(wèi)星的姿態(tài)控制或補償系統(tǒng)干擾。反作用飛輪系統(tǒng)內(nèi)部主要由電機、驅(qū)動和編碼器等構(gòu)成。無刷直流電機（Brushless Direct Current Motor,BLDCM）具有鐵心損耗小、磁阻力波動小、控制方式簡單等優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用于反作用飛輪的電機驅(qū)動。反作用飛輪的轉(zhuǎn)速控制精度直接影響衛(wèi)星的姿態(tài)控制精度，為實現(xiàn)衛(wèi)星高穩(wěn)定度控制，必須提高無刷直流電機的轉(zhuǎn)速控制精度。

為了提高飛輪的轉(zhuǎn)速控制精度，科研人員在電機控制系統(tǒng)的多個方面均做出了研究與探索。魏鴻超等人通過鎖相環(huán)穩(wěn)速控制技術(shù)，提高了反作用飛輪的穩(wěn)速精度[1]。申向杰等人通過直接轉(zhuǎn)矩控制與直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)結(jié)合的方式，來抑制無刷直流電機的轉(zhuǎn)矩脈動，提高了反作用飛輪的轉(zhuǎn)矩輸出精度[2]。孔令波等人針對軸承摩擦、模型不確定度以及霍爾傳感器測速精度差等問題，研究了采用線性擴張狀態(tài)觀測器對飛輪轉(zhuǎn)子速度、擾動力矩進行實時估計與補償[3]。譚文斌、李浩東等人提出了使用LuGre模型的非線性觀測器補償方法來處理摩擦力[4-5]。閆彥等人通過設(shè)計自適應(yīng)控制器對電機轉(zhuǎn)速進行控制，同時通過對摩擦力矩和負載力矩進行分離，實現(xiàn)對摩擦力矩的針對性補償[6]。上述方法雖然能夠提升電機控制精度，但是會出現(xiàn)計算量較大、工程應(yīng)用復雜等問題。

在實際的電機控制中，傳統(tǒng)的PI控制結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)節(jié)，應(yīng)用廣泛[7-11]。由于無刷直流電機是一個典型的非線性多變量強耦合的系統(tǒng)，其參數(shù)易受到未知擾動影響而發(fā)生變化，還會受到隨即摩擦等不利因素的影響。普通的PI控制器難以同時兼顧抗擾性能和控制性能。在經(jīng)典控制理論中，干擾的抑制能力主要通過增加控制系統(tǒng)的開環(huán)增益，或是采用比例積分控制。然而，上述兩種方案對干擾的抑制能力與控制系統(tǒng)的帶寬成正比，對于實際的工程系統(tǒng)，受限于計算機的運算能力、傳感器的測量能力和執(zhí)行機構(gòu)的響應(yīng)能力，控制帶寬不可能無限制增大。在有限的控制帶寬條件下，控制器對動態(tài)干擾的抑制能力有限。

近年來，基于干擾觀測器的控制（Disturbance-Observer-Based Control，DOBC）及其相關(guān)方法在各控制領(lǐng)域得到了廣泛的研究和應(yīng)用[12-15]，其核心思想是通過干擾觀測器估計得到外部干擾的信息，進而通過前饋控制方法減弱甚至直接消除干擾的影響。本文基于擾動觀測器原理，結(jié)合非線性控制理論，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)試的擾動觀測控制器，既能滿足航天工程應(yīng)用的可靠性需求，又能精確估計并抑制擾動的影響，實現(xiàn)反作用飛輪高精度的轉(zhuǎn)速控制。


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作者信息：

沈瑩，張曉磊，孔令波，胡慧瑩

（長光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司，吉林 長春 130000）


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