基于线性自抗扰的高稳定度太阳翼驱动机构控制系统
本发明涉及太阳翼驱动机构控制，具体涉及基于线性自抗扰的高稳定度太阳翼驱动机构控制系统。
背景技术：
1、随着小卫星的广泛应用，长期工作且功耗较大的载荷，如通信、导航等，越来越多地安装在小卫星上。然而，通过电机带动太阳帆板等柔性附件会严重影响有效载荷的指向精度。因此，有必要研究能够进行高精度转速跟踪的驱动系统(sada)，使载荷始终指向任务方向。实现sada系统的稳定运行，关键是对电机进行高精度的转速控制。影响控制精度的因素包括电机本体、控制算法等。
2、在驱动源方面，步进电机在运行时会产生不可避免的振动，而永磁同步电机(pmsm)与负载直接相连，省略中间的传动机构，提高可靠性。随着电气系统数字化的发展，pmsm驱动技术取得了很大的进步。
3、针对提高sada系统稳定性要求的问题，《一种高稳定度帆板驱动系统的t-s模糊复合控制器[j].宇航学报，2016，37(03)：307-315》为减少sada对太阳帆板挠性模态的激励作用，提出t-s模糊控制与校正网络相结合的控制方法，降低系统的超调和非线性摩擦影响，有效抑制太阳帆板的振动。《modeling for solar array drive assembly system andcompensating for the rotating speed fluctuation.aerospace science andtechnology，84，131-142》研究通过滑模控制(smc)和输入整形(is)技术对转速和振动抑制的波动补偿问题，设计一种协同补偿方案，发现采用smc方法和is技术的系统性能明显优于无抑振方法。《active control technology for flexible solar array disturbancesuppression.aerospace science and technology，106，106148》采用针对pmsm驱动大惯量挠性负载的相位补偿控制策略，实现高分七号卫星驱动太阳翼的高稳定性控制。《modeling and simulation of solar array drive assembly disturbance driving aflexible load.applied mechanics and materials，565，67-73》主要研究了sada驱动柔性负载的扰动特性。《空间站大柔性太阳电池翼驱动装置的滑模伺服控制[j].振动与冲击，2020，39(03)：211-218+288》针对空间站大柔性太阳电池翼高稳定对日跟踪驱动控制问题，提出带运动规划和振动抑制的非线性快速终端滑模伺服控制方案，可实现较高的驱动速度稳定度和较好的跟踪性能。
4、转速环的性能会影响永磁同步电机调速系统性能，受到的扰动都有可能对转速环的性能造成影响，所以对转速环的控制是非常必要的。传统的双闭环pi控制很难有效抵抗pmsm中非线性干扰，而自抗扰控制不仅可以平衡快速性和超调，还能提供更高的控制精度和抗干扰能力[8]。其中，一种线性自抗扰(linear active disturbance rejectioncontrol，ladrc)方法被提出，该方法简化了自抗扰控制器的结构，更减小了传统自抗扰中参数多且整定困难的不足，但仍有响应速度较低，调参不便的问题。
技术实现思路
1、基于以上背景，本发明以驱动柔性太阳翼为研究对象，以提高转速平稳性为研究目标。建立sada驱动模型，设计线性自抗扰控制策略，在matlab/simulink平台与pi以及非线性自抗扰控制算法进行效果对比，电流环都采用pi控制。仿真结果表明线性自抗扰控制算法可提高系统的鲁棒性，sada系统的稳定度达到了0.001量级，以解决背景技术中提出的问题。
2、本发明提供如下技术方案：基于线性自抗扰的高稳定度太阳翼驱动机构控制系统，控制系统采用永磁同步电机作为sada的执行部件，形成太阳翼和卫星本体的机电接口并安装在卫星本体上，sada输出轴直接连接太阳翼旋转轴；
3、该控制系统还包括速度环外环、电流环内环、电机驱动器以及太阳翼负载，利用电机角度编码器通过速度解算得到实际转速，实际转速与参考转速之间的误差作为速度控制器的输入，实现外环闭环；内环利用电流传感器采样得到三相电流，将速度控制器的输出作为电流环的输入，然后通过电机驱动器使施加在永磁同步电机上的实际电压为控制环节给定的端电压，再由永磁同步电机驱动太阳翼负载转动；
4、建立以永磁同步电机为驱动源的闭环sada模型以及柔性太阳翼负载耦合的动力学方程；考虑挠性太阳翼的影响，通过改进后的pi控制，实现永磁同步电机驱动太阳翼负载中速度环使用pi控制；为pi控制在动态性能和稳定方面达到平衡，设计线性自抗扰控制器对系统受到的未知扰动实时进行观测和补偿，并最终对扰动实现抑制。
5、优选的，闭环sada模型建模步骤如下：
6、假设永磁同步电机转子永磁磁链不变，采用表贴式永磁同步电机，即d轴电感ld与q轴电感lq大小相等，永磁同步电机在d-q两相旋转坐标系的数学模型表示为：
7、
8、式中：ud、uq表示定子电压的d、q轴分量；表示永磁体磁链；ω表示转子机械角速度；rs表示定子电阻；id、iq表示定子电流的d、q轴分量；p表示电机极对数；l表示同步电机电感；j表示转动惯量；tl表示负载转矩；te表示电磁转矩。
9、优选的，太阳翼的驱动力矩就是式(1)中的负载力矩tl，电机转速和转角与太阳翼转速和转角大小相等，考虑太阳翼挠性振动和星体对驱动的耦合作用，太阳翼动力学方程表示为：
10、
11、式中：js表示太阳翼绕旋转轴的转动惯量；f表示太阳翼转动与挠性的耦合系数；θ表示太阳翼转过的机械角度；q表示太阳翼模态坐标；k表示模态刚度；d表示模态阻尼；ωf表示模态频率；ζ表示阻尼系数。
12、优选的，在设计速度环时，不考虑电流环带来的影响，永磁同步电机驱动太阳翼负载中速度环使用pi控制构成，
13、第一个环节是转速环pi调节器反馈转速ωr和给定转速之间的差值作为转速环pi调节器的输入，转速环pi调节器的输出为电流环的给定值此时不考虑电流环带来的影响；第二个环节是永磁同步电机中转矩和电流转换部分第三个环节是太阳翼负载的传递函数通过永磁同步电机驱动太阳帆板转动；
14、速度环pi控制的闭环传递函数为：
15、
16、式中：ωr表示实际转速；表示参考转速；kp表示比例系数；τ表示积分时间常数。
17、优选的，考虑pi控制在动态性能和稳定方面达到平衡，将总扰动de与太阳翼负载输出的实际转速ωr通过线性状态观测器leso实时地估计出系统的状态z1以及扩张状态z2，z1用来跟踪给定转速线性误差反馈控制律将由leso估计出的系统各状态，通过比例控制器kp得到虚拟控制量u0，经过扰动补偿b0后的为转速环ladrc控制器输出的总控制量；
18、根据式(1)中的力矩方程，对其改写得：
19、
20、式中：de表示系统的内外扰动；be表示转动惯量的实际增益，大小为1/j；
21、定义角速度ωr作为状态变量x1，将扰动扩展a(t)为新的状态量x2，b0作为系统控制增益，则永磁同步电机速度的状态方程表示为：
22、
23、根据状态方程，建立线性扩张状态观测器：
24、
25、式中：z1表示x1的跟踪信号；e1表示z1和x1之间的误差信号；z2表示总扰动a(t)的观测信号；β1、β2表示leso的增益，取值和观测器带宽有关；
26、控制输入采用比例控制，kp为比例系数，则有
27、
28、式中：表示输入给定信号；ωr表示反馈信号；
29、联立式(5)和(7)，扰动补偿后的方程为：
30、
31、本发明具有如下优点：
32、本发明选用pmsm作为驱动源进行闭环控制，但是受太阳帆板挠性影响，sada系统带宽能力有限，传统pi控制很难通过加大增益来提高系统的刚度，导致系统对转速波动的抑制能力减弱。针对此问题，本发明采用线性自抗扰控制方法，线性自抗扰控制能较好平衡系统的稳态性能与动态性能，在matlab/simulink平台，线性自抗扰控制算法和传统pi控制、非线性自抗扰控制进行效果对比，仿真结果表明线性自抗扰控制响应速度更快，能更好抑制sada系统扰动，转速稳定度达到了5.65×10-3(3σ)。
技术特征：
1.基于线性自抗扰的高稳定度太阳翼驱动机构控制系统，其特征在于：控制系统采用永磁同步电机作为sada的执行部件，形成太阳翼和卫星本体的机电接口并安装在卫星本体上，sada输出轴直接连接太阳翼旋转轴；
2.根据权利要求1所述的基于线性自抗扰的高稳定度太阳翼驱动机构控制系统，其特征在于：闭环sada模型建模步骤如下：
3.根据权利要求2所述的基于线性自抗扰的高稳定度太阳翼驱动机构控制系统，其特征在于：太阳翼的驱动力矩就是式(1)中的负载力矩tl，电机转速和转角与太阳翼转速和转角大小相等，考虑太阳翼挠性振动和星体对驱动的耦合作用，太阳翼动力学方程表示为：
4.根据权利要求1所述的基于线性自抗扰的高稳定度太阳翼驱动机构控制系统，其特征在于：在设计速度环时，不考虑电流环带来的影响，永磁同步电机驱动太阳翼负载中速度环使用pi控制构成；
5.根据权利要求2所述的基于线性自抗扰的高稳定度太阳翼驱动机构控制系统，其特征在于：考虑pi控制在动态性能和稳定方面达到平衡，将总扰动de与太阳翼负载输出的实际转速ωr通过线性状态观测器leso实时地估计出系统的状态z1以及扩张状态z2，z1用来跟踪给定转速线性误差反馈控制律将由leso估计出的系统各状态，通过比例控制器kp得到虚拟控制量u0，经过扰动补偿b0后的为转速环ladrc控制器输出的总控制量；
技术总结
本发明公开了基于线性自抗扰的高稳定度太阳翼驱动机构控制系统，具体涉及太阳翼驱动机构控制技术领域，控制系统采用永磁同步电机作为SADA的执行部件，形成太阳翼和卫星本体的机电接口并安装在卫星本体上，SADA输出轴直接连接太阳翼旋转轴；该控制系统还包括速度环外环、电流环内环、电机驱动器以及太阳翼负载，利用电机角度编码器通过速度解算得到实际转速，实际转速与参考转速之间的误差作为速度控制器的输入，实现外环闭环；内环利用电流传感器采样得到三相电流，将速度控制器的输出作为电流环的输入，然后通过电机驱动器使施加在永磁同步电机上的实际电压为控制环节给定的端电压，再由永磁同步电机驱动太阳翼负载转动。
技术研发人员：王建园,甘诗玥,陈金宝,周奕玲,王健,胡倬辰
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23