自适应角速度估计器在磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统中的应用

　　1　引　言

　　控制力矩陀螺(CMG)是空间站、空间实验室等大型航天器实现姿态控制的关键执行机构,它的精度直接决定了航天器的姿态控制精度。由于单框架控制力矩陀螺具有大力矩、长寿命、高精度、低功耗的优点,在航天控制应用领域引起了广泛的关注,自上世纪60年代以来,已经在一系列大型航天器上得到应用,如天空实验室(美国1973)、和平号空间站(前苏联1986)、国际空间站(1998)等等。

　　现有的控制力矩陀螺框架伺服系统一般采用三环控制方式,即电流环、速率环和位置环,其中速度信号一般靠测速电机获得,但是测速电机测量误差大,尤其在低速阶段其测量的速度信号基本上被噪声所淹没,同时利用测速电机也加大了控制力矩陀螺的体积和质量,降低了系统的可靠性。用光电码盘或者旋转变压器可以得到较高精度的位置信号,再由该位置信号进行后向差分也可以得到速度信号,但是由这种方式得到的位置信号是离散的量化信号,信号中带有量化噪声,而且该噪声的频带很宽。另外这种噪声与采样频率选择还密切相关,采样频率选择越大,噪声被放大的越大。当扩展反馈系统的频带时,这些噪声就引入到系统中,引起系统的振荡,降低了系统的精度。

　　近几年,许多学者提出了不同的抑制噪声的微分算法,也取得了一定的效果。文献[1]采用基于FIR和IIR滤波器的微分算法,但是计算量较大,不易于实时控制;文献[2]采用TD滤波器来实现微分算法,但对积分步长及跟踪速度系统的选择比较苛刻;文献[3]采用了Luenberger观测器和非线性观测器的方式,但是观测器的实现对数据模型的依赖性很强,需要知道系统比较精确的数学模型,因此实现起来困难比较大。

　　本文提出一种低噪声、带宽高的自适应角速度估计算法,通过光电码盘的位置信号来估计角速度信号,通过Matlab仿真证明该算法的理论可行性和有效性。在北京航空航天大学第五研究室自主研制的磁悬浮控制力矩陀螺VI上进行了实验,实验结果表明,该算法能在很宽的调速范围内对速度进行准确地估计。

　　2　角速度估计器的设计

　　该角速度估计器由两部分组成,第一部分为前向通道的微分环节和可变增益K,另一部分为反馈通道。为了减小量化引起的噪声,前向通道采用了微分加滤波环节,采用的算法为移动平均差分算法,即。另外一个前向通道中可变增益K在系统中起到很关键的作用,直接影响系统的稳定性和精度。积分器GS(z)采用双线性离散方法,即该角速度估计器的原理框图如图1所示。

　　3　系统的稳定性分析

　　由图1可知系统的传递函数为: