中文引用格式： 沈瑩，張曉磊，孔令波，等. 基于擾動(dòng)觀測(cè)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.
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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)動(dòng)量交換，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的姿態(tài)控制或補(bǔ)償系統(tǒng)干擾。反作用飛輪系統(tǒng)內(nèi)部主要由電機(jī)、驅(qū)動(dòng)和編碼器等構(gòu)成。無(wú)刷直流電機(jī)（Brushless Direct Current Motor,BLDCM）具有鐵心損耗小、磁阻力波動(dòng)小、控制方式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于反作用飛輪的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。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(shí)現(xiàn)衛(wèi)星高穩(wěn)定度控制，必須提高無(wú)刷直流電機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)的多個(gè)方面均做出了研究與探索。魏鴻超等人通過(guò)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(guò)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(lái)抑制無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高了反作用飛輪的轉(zhuǎn)矩輸出精度[2]。孔令波等人針對(duì)軸承摩擦、模型不確定度以及霍爾傳感器測(cè)速精度差等問(wèn)題，研究了采用線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子速度、擾動(dòng)力矩進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)與補(bǔ)償[3]。譚文斌、李浩東等人提出了使用LuGre模型的非線性觀測(cè)器補(bǔ)償方法來(lái)處理摩擦力[4-5]。閆彥等人通過(guò)設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，同時(shí)通過(guò)對(duì)摩擦力矩和負(fù)載力矩進(jìn)行分離，實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦力矩的針對(duì)性補(bǔ)償[6]。上述方法雖然能夠提升電機(jī)控制精度，但是會(huì)出現(xiàn)計(jì)算量較大、工程應(yīng)用復(fù)雜等問(wèn)題。
在實(shí)際的電機(jī)控制中，傳統(tǒng)的PI控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)節(jié)，應(yīng)用廣泛[7-11]。由于無(wú)刷直流電機(jī)是一個(gè)典型的非線性多變量強(qiáng)耦合的系統(tǒng)，其參數(shù)易受到未知擾動(dòng)影響而發(fā)生變化，還會(huì)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(shí)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(guò)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(duì)干擾的抑制能力與控制系統(tǒng)的帶寬成正比，對(duì)于實(shí)際的工程系統(tǒng)，受限于計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力、傳感器的測(cè)量能力和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)能力，控制帶寬不可能無(wú)限制增大。在有限的控制帶寬條件下，控制器對(duì)動(dòng)態(tài)干擾的抑制能力有限。
近年來(lái)，基于干擾觀測(cè)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(guò)干擾觀測(cè)器估計(jì)得到外部干擾的信息，進(jìn)而通過(guò)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(dòng)觀測(cè)器原理，結(jié)合非線性控制理論，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)試的擾動(dòng)觀測(cè)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(jì)并抑制擾動(dòng)的影響，實(shí)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
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