基于滑模扰动观测器的磁轴承主动振动控制

    １　引　言

　 　控制力矩陀螺（Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｍｏｍｅｎｔ　Ｇｙｒｏ，ＣＭＧ）是航天器姿态控制的关键执行机构［１］ＣＭＧ的高速转子支撑方式是影响其振动噪声、寿命和可靠性等性能的重要因素之一。与机械轴承相比，磁轴承具有无机械磨损、无需润滑、电磁［１－２］，采用磁轴承支撑高速转子的磁悬浮控制力矩陀螺（ＭＳＣＭＧ定性和长寿命的突出优点，是ＣＭＧ研制的重要方向之一。同其它高速旋转机械轴承一样，磁承支撑的转子在运转过程中也存在振动问题，最主要的是同频不平衡振动。该振动不仅会通过基座直接传递到航天器引起航天器的同频振动，而且会影响ＭＳＣＭＧ的系统稳定性进而降低航天器姿态控制精度和寿命［３－４］，所以抑制磁轴承转子的同频振动有着重要意义。

    近些年许多学者在磁轴承的不平衡振动抑制方面作了很多工作。文献［５偏置电流激励对不平衡量振动进行补偿的方法，但不能适用于所有转速范围。文献［６］中采用的Ｈ∞鲁棒控制可以在很大转速范围内对不平衡量进行抑制，但由于控制器阶次较高难于实现。文献［７］与文献［８］分别使用了自动学习控制的方法和在自适应陷波器基础上插入Ｔ矩阵的方法对磁轴承转子不平衡量进行补偿，算法简单，易于实现，但他们都是以衰减控制电流中的同频分量为控制目标，而非抑制转子不平衡振动力。文献［９］提出了双闭环补偿的方法对转子的不平衡量进行补偿，但该方法复杂且仅针对平面转子。北京工业大学黄晓蔚等［１０］提出了一种功放补偿的方法，该方法通过提取转子位置信号的幅值和相位并在功放输入端加入与提取信号同频同相的电压旋转矢量来抵消转子不平衡的控制量，但控制效果不显著。

    ＭＳＣＭＧ磁轴承系统是一个多通道相互耦合的多输入多输出系统，大惯量扁平转子又决定了系统具有强陀螺效应［２］，所以要求磁轴承系统具有良好的鲁棒性。在磁轴承系统中实时测量由不平衡量引起的扰动力难度很大，但是可以证明不平衡量引起的扰动力是可观测的。因此设计观测器对不平衡量引起的扰动力进行观测并在控制器中改变转子控制目标位置，使得转子旋转轴更加靠近惯性轴，可以达到降低同频振动的目的。由于滑模变结构观测器具有不随外界参数摄动、系统的不确定模态以及模型不确定性等变化的特征，即鲁棒性，因此适用于磁轴承控制系统对不平衡扰动力的观测［１１］。非线性跟踪微分器（ＴＤ）能够合理提取微分信号，且相对于纯微分器具有较强的噪声抑制能力［１２］。利用非线性跟踪微分器提取位移传感器输出信号的微分，代替实际速度信号，可以降低滑模扰动观测器阶数，减小滑模观测器的设计难度。