磁悬浮反作用飞轮电机滑模变结构控制
摘 要:针对反作用飞轮大惯量、受多种干扰力矩综合作用的特点和采用传统控制方法很难满足其动态品质和扰动抑制能力要求的问题,对卫星高精度姿态控制系统中的磁悬浮反作用飞轮电机进行系统分析与建模,并依据变结构控制理论提出一种双滑模面变结构控制方法,控制器的设计满足以李导数形式表达的到达条件。仿真结果表明:与经典PID控制器相比双滑模面变结构控制器具有超调量、稳态误差小,响应速度快、扰动抑制能力强的优点;与单滑模面变结构控制器相比双滑模面变结构控制器有效的抑制了滑模抖振,减小了系统的超条量和稳态误差。双滑模面变结构控制提高了磁悬浮反作用飞轮电机的动态性能和控制系统的抗干扰能力,对于实现卫星高精度、高稳定度控制具有重要意义。
1 引 言
飞轮是卫星姿态控制系统的关键执行部件,用于实现稳定卫星姿态的目的。但反作用飞轮属于大惯量系统(转动惯量J>10-3kg.m²),并且飞轮受到多种干扰力矩的综合作用:①外扰动力矩:气动力矩、重力梯度力矩、磁力矩、太阳辐射力矩;②内扰动力矩主要由两部分组成:其一为内阻尼力矩,如风阻力矩、油膜阻力矩、磁阻力矩等;其二为轴承的噪声干扰力矩)。目前,飞轮主要采用PID控制,其算法简单,但不能满足卫星姿态控制系统动态响应速度和抗干扰性的要求。模型参考自适应用于实现在线辨识系统参数算法复杂;而神经网络可以学习电机的非线性和未知特性,但学习过程降低了对于扰动的动态响应[1]。为了对系统进行有效的控制,减小控制难度,需要寻求一种新的控制方法。
滑模变结构控制对系统的模型要求不高,且具有较强的鲁棒性。相对于其他现代控制方法,滑模控制实现简单,对硬件要求低。文献[2]提出采用自适应模糊滑模最优控制改善位置伺服系统的动静态性能;文献[3]提出采用修正的指数趋近滑模和扩展卡尔曼滤波结合的方式进行速度估计;文献[4]提出采用滑模与前馈的方法控制开关磁阻电机;文献[5]采用滑模位置观测器控制无位置传感器永磁同步电机;文献[6]提出采用滑模控制永磁同步电机输出转矩;文献[7]阐述了滑模控制在无位置传感器无刷直流电机控制系统中的应用;文献[8]将模糊控制与滑模控制相结合,有效减小了系统抖振;文献[9]介绍了一种用于无刷直流电机控制系统的全局滑模控制器;文献[10]在滑模控制中引入了一种新型的转矩观测器,减小了控制系统的误差。文献[11]采用双滑模面变结构控制,但其只对简单的电机的开关式模型进行仿真,并且其电枢电流不能反向,输出转速不能急降,转速不能反向,对于需要正反向运行的反作用飞轮并不适用。上述文献中所设计的滑模控制器,大多控制较复杂,实时性有待于改进,并且还未在磁悬浮反作用飞轮(MSRW)电机中应用。
本文在对MSRW电机特性深入分析的基础上,对MSRW电机进行准确建模,并针对MSRW大惯量、动态响应速度慢,采用经典控制方法系统的动态性能、稳态误差及扰动抑制能力达不到要求的问题,提出采用双滑模面变结构方法控制MSRW电机,以改善MSRW电机的动态品质和抗干扰能力。
2 M SRW电机模型建立
MSRW电机采用BUCK DC-DC变换器与三相桥组合的驱动控制方法,解决了转矩与铁耗的优化控制问题。MSRW电机根据卫星姿态控制信号的要求改变换向逻辑来实现MSRW的正反转,MSRW电机制动过程中高速时能耗制动,VT5用来调节能耗制动电流,低速时反接制动,整个制动过程完全可控。MSRW电机和BUCK DC-DC变换器组合拓扑结构如图1所示。
用双滑模变结构控制的系统的超调量也要远小于采用单滑模变结构控制的系统。从系统抖振方面看,采用单滑模面变结构控制系统会产生微弱抖振,而采用双滑模面变结构控制可以基本消除抖振。因此,双滑模变结构控制系统具有较好的动态特性。从仿真结果还可以看出采用双滑模面变结构的MSRW电机控制系统的稳态误差要小于采用PID控制和单滑模面变结构控制的MSRW电机控制系统误差。
4.2.2 三种控制器的抗干扰性能比较
由于当磁轴承处于悬浮状态下,其跳动量会对飞轮电机产生干扰,通常在t=0.16 s时,可以将轴承悬浮起来,因此在t=0.16 s时,由于轴承的跳动会改变轴承径向、轴向的气隙,此时电机磁密会随之发生改变。为了验证3种控制系统的抗干扰性,分别对3种控制系统施加干扰力矩,给定参考角速度ωr=500 rad/s,设定在t=0.16 s时,轴承悬浮起来产生跳动量,跳动量的干扰力矩为0.098 N.m。仿真结果如图4所示。3种控制系统的扰动抑制能力比较如表2所示。
由仿真结果可以看出采用双滑模面变结构控制的电机控制系统与单滑模面变结构控制、PID控制相比对于外界扰动具有更强的抑制能力。
5 结 语
本文设计了双滑模面变结构控制器以改善MSRW控制系统的动态性能和扰动抑制能力。双滑模面变结构控制器的设计以准确的MSRW电机模型为基础,并满足以李导数形式表达的到达条件,其中包括横截条件和滑模存在的充要条件。两滑模面分别用于控制MSRW电机的电流环与转速环。
仿真数据表明,双滑模控制器控制下的MSRW电机调速系统与单滑模面变结构控制、PID控制系统相比具有动态响应速度快、超调小、抗干扰能力强的优点。所设计的双滑模控制器可应用于基于BUCK变换器的无刷直流电机控制,在对系统动态性能、扰动抑制能力要求较高的情况可以取得很好的控制效果,对于提高卫星高精度、高稳定度姿态控制具有积极意义。
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