超声电机驱动的SGCMG框架速度控制研究
潘松1， 牛子杰2
【摘 要】摘 要:超声电机直接驱动的控制力矩陀螺框架伺服系统集成度高，响应速度快，并且具备断电断定的特性。该伺服系统要求在低速大的速度带宽范围内实现高精度的速度跟踪。在系统建模和分析的基础上，设计了经典控制和模式推理控制相融合的控制算法；采用嵌入式微控制器实现了所提出的控制算法，设计了嵌入式控制系统；在系统仿真校验的基础上进行了实际框架速度跟踪控制实验，实验结果显示在0.01～0.2(°)/s速度范围内框架闭环速度跟踪误差小于0.01(°)/s，在0.2～72(°)/s的速度范围内闭环速度跟踪误差下小于5%，控制结果满足系统所需要的性能指标要求。 【期刊名称】电机与控制学报 【年(卷),期】2019(023)001 【总页数】8
【关键词】关键词:超声电机；控制力矩陀螺；模式推理；框架速度控制 基金项目：国家自然科学基金(51575260)
0 引 言
单框架控制力矩陀螺(single-gimbal control moment gyro，SGCMG)是一种航天卫星姿态控制执行机构[1]，其结构简单，工作可靠。它主要分为高速转子组件和低速框架组件，在工作时高速转子始终保持恒定的高转速，低速框架带动高速转子运转产生动态力矩，该系统效率高、力矩放大作用明显，是实际应用及理论研究的一种主要的航天器姿态控制器[2-3]。航天器的姿态控制精度由SGCMG的力矩输出精度决定，而SGCMG框架系统的速度控制精度和平稳性
是影响其输出力矩精度的重要因素。现有SGCMG框架伺服系统多采用电磁电机通过谐波减速器来驱动[4-6]，这就使得系统响应慢、功率重量比小、定角锁定耗电、有电磁辐射。现代随着航天卫星等航天器对机动性能、稳定性和集成度等性能的提高，有必要寻找一种新的动力源可以弥补上述不足。
超声电机(ultrasonic motor, USM)利用逆压电效应和摩擦传动实现电能向机械能的转化[7]，其结构简单，响应速度快，角度分辨率高，低速大转矩，断电自锁，不受磁场干扰，可以实现高精度速度伺服控制。将其应用于航天系统可以提高航天器的机动性能，减小系统的重量，提高系统有效载荷。用于SGCMG框架驱动时，由于超声电机本身的非线性、框架摩擦带来的非线性以及转子高速运转产生的动态扰动力矩会造成系统运行的不稳定[8-9]，这给控制系统的设计带来了挑战。SGCMG框架要求在低速甚至超低速下运行，要求的调速比能达到1 000∶ 1[10]，在如此宽的速度范围采用单一的控制算法并不能取得好的控制效果。
本文针对中空超声电机驱动SGCMG框架伺服系统，考虑系统摩擦力矩和高速转子扰动力矩影响建立系统的数学模型。在经典的比例-积分-微分(proportional-integral-differential，PID)控制系统基础上，设计模式推理控制与PID控制相融合的控制算法，实现SGCMG框架在超低速宽工作速度范围的高精度的速度跟踪控制，并设计嵌入式微控制器系统。在仿真校验的基础上，进行实机速度跟踪控制实验来验证所设计的控制算法。
1 系统机械结构
用于驱动SGCMG框架系统的中空超声电机为旋转行波型超声电机，其结构原理如图1所示。安装基座与框架基座相连用于固定电机，压电陶瓷贴于定子下
面，给压电陶瓷施加驱动电信号会在定子表面激发弹性行波，该行波通过摩擦材料把力矩传递给转子，转子通过安装法兰与框架直接相连从而带动框架运转。 航天器姿态控制所用的SGCMG系统结构原理如图2所示。图中，f是SGCMG固联坐标系，m是SGCMG安装坐标系。SGCMG的动量轮Md由高速转子电机M2驱动，并以正交方式安装在单轴框架上，框架轴与动量轴垂直,框架相对基座可以转动,提供一个控制自由度。原点在SGCMG转子质心，x轴沿框架转轴方向，其单位矢量g称为框架轴；y轴沿转子自旋角速度方向，其单位矢量s称为自旋轴；z轴与前两轴构成右旋正交坐标系，其单位矢量t称为力矩轴。由于SGCMG的框架由中空超声电机M1直接驱动，在SGCMG工作时，该坐标系随框架转动。
2 系统模型
2.1 电机模型
文中所用的超声电机由两相带有相位差的高频电压激励定子产生一定振幅的旋转行波，该振动通过摩擦驱动转子运转，中间存在运动传递非线性。为便于控制系统设计，本文基于超声电机的结构和工作原理，结合系统辨识的方法可以得到用于控制系统设计的超声电机模型[11]。旋转行波超声电机有两相带有相位差的高频电压驱动分别记为va和vb，在这两相电压激励下电机定子上会被激发出两相驻波ωa和ωb，可以表示为： (1) (2)
其中：V是驱动电压幅值；f是驱动电压频率；W是定子振动幅值；φ是两项驱动电压的相位差，一般是±π/2。
超声电机驱动的SGCMG框架速度控制研究
