高空氣球吊籃姿控用精簡(jiǎn)反捻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張大偉 周江華 黃宛寧

1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049 2.中國(guó)科學(xué)院光電研究院, 北京 100094

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高空氣球吊籃姿控用精簡(jiǎn)反捻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張大偉1周江華2黃宛寧2

1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049 2.中國(guó)科學(xué)院光電研究院, 北京 100094

提出一種在不加外部力矩測(cè)量裝置前提下，利用智能驅(qū)動(dòng)器控制力矩電機(jī)工作在電流閉環(huán)模式的精簡(jiǎn)反捻控制系統(tǒng)，通過控制電機(jī)繞組電流值以達(dá)到解耦和卸荷作用。首先，通過對(duì)現(xiàn)有反捻設(shè)計(jì)方案的分析，提出了精簡(jiǎn)反捻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。其次，分別對(duì)該反捻器的系統(tǒng)級(jí)和電路級(jí)進(jìn)行了仿真和分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了可實(shí)現(xiàn)性。最后分析其與反作用飛輪控制系統(tǒng)配合構(gòu)成的吊籃姿態(tài)控制系統(tǒng)具有控制精度高和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)越性。 關(guān)鍵詞 高空氣球；吊籃控制；反捻器；力矩電機(jī)；電流閉環(huán)控制

高空氣球是指飛行在平流層的無動(dòng)力飛行器，球體內(nèi)充滿氦氣，可攜帶各種設(shè)備漂浮在30～40km的高空中。氣球攜帶的設(shè)備基本上都裝在吊籃內(nèi)，吊籃通過纜繩與氣球連接。吊籃搭載的一些科學(xué)觀測(cè)儀器有穩(wěn)定指向要求，儀器的俯仰姿態(tài)一般是直接控制，方位姿態(tài)則是通過控制吊籃的方位來實(shí)現(xiàn)。

吊籃方位姿態(tài)控制系統(tǒng)由姿態(tài)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和反捻控制系統(tǒng)2部分構(gòu)成。姿態(tài)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制吊籃姿態(tài)，有控制力矩陀螺和反作用飛輪2種方式。前者控制力矩大、控制精度高，但機(jī)構(gòu)復(fù)雜，成本高，且能量消耗較大。后者雖然控制效率和精度不如前者，但機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，且成本和能耗相對(duì)較低。

反捻控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)去耦合和飛輪卸荷。高空氣球飛行時(shí)會(huì)緩慢旋轉(zhuǎn)，為了克服吊繩扭轉(zhuǎn)對(duì)吊籃方位的影響，吊繩和吊籃之間通常用推力軸承連接。軸承雖然隔離了大部分的吊繩扭矩，但受摩擦力影響，殘余扭矩會(huì)不可避免地傳遞到吊籃，如果不能消除其影響就會(huì)造成飛輪飽和，失去調(diào)節(jié)能力。反捻機(jī)構(gòu)通過反向扭轉(zhuǎn)吊繩達(dá)到去耦合的作用。但是反捻機(jī)構(gòu)的去耦合功能不可能完全理想，殘存的力矩隨時(shí)間的積累，仍可能造成飛輪飽和，反捻機(jī)構(gòu)還需要產(chǎn)生附加主動(dòng)力矩實(shí)現(xiàn)飛輪的卸荷。

1 現(xiàn)有反捻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析

目前已有的反捻器設(shè)計(jì)方案分別出自文獻(xiàn)[1～3]，反捻器均由反捻電機(jī)和吊繩扭矩測(cè)量裝置兩部分構(gòu)成，利用扭矩測(cè)量裝置測(cè)得的扭矩值作為反捻電機(jī)的反饋控制量來解耦和卸荷，不同之處在于扭矩測(cè)量裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

文獻(xiàn)[1]的反捻控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，反捻機(jī)構(gòu)主要由上法蘭盤D1、下法蘭盤D2、推力球軸承、反捻電機(jī)、扭矩傳感器及其附屬件構(gòu)成。D2與吊籃通過板簧連接。扭矩傳感器連接在D2與吊籃之間，反捻電機(jī)裝在D2上，當(dāng)力矩傳感器敏感到D1傳遞給D2的干擾力矩后，可通過反捻電機(jī)對(duì)法蘭盤D1實(shí)施反捻，消除干擾力矩。此扭矩傳感器并不真正傳遞扭矩，只是運(yùn)用應(yīng)變片的形變量與受力大小成正比的特性實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩的測(cè)量。對(duì)加工工藝要求很高，板簧扭轉(zhuǎn)時(shí)的遲滯、間隙和死區(qū)效應(yīng)，均會(huì)直接影響扭矩的測(cè)量效果。此外，對(duì)傳感器的標(biāo)定過程也很麻煩，會(huì)不可避免地引入測(cè)量誤差，再利用測(cè)量值作為反饋來控制反捻電機(jī)就很難達(dá)到理想解耦效果。

圖1 文獻(xiàn)[1]中的反捻器結(jié)構(gòu)示意圖

文獻(xiàn)[2]的反捻機(jī)構(gòu)延用了文獻(xiàn)[1]的結(jié)構(gòu)，但力矩測(cè)量細(xì)節(jié)有一些區(qū)別。D2與吊籃之間改用81根鋼片連接，扭矩傳感器屬于直接測(cè)量型傳感器。傳感器的扭轉(zhuǎn)剛度要遠(yuǎn)大于連接剛片的扭轉(zhuǎn)剛度。否則，測(cè)量結(jié)果會(huì)受到鋼片的干擾。這2種反捻方案對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求很高，機(jī)構(gòu)過于復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來有相當(dāng)難度，可能還存在其他的困難，如標(biāo)定、結(jié)構(gòu)上的脆弱性、板簧扭轉(zhuǎn)和拉伸可能出現(xiàn)耦合等。

圖2為文獻(xiàn)[3]中反捻器方案硬件結(jié)構(gòu)示意圖。反捻裝置由圓柱剛性外殼、推力軸承、扭變器和反捻電機(jī)構(gòu)成。其中圓柱外殼、電機(jī)本體、推力軸承和吊籃為剛性連接，吊繩法蘭盤通過扭變器連接到電機(jī)軸上。此方案中扭矩傳感器無法敏感出推力軸承的摩擦力矩，只能部分反映吊繩所傳遞的力矩，不能實(shí)現(xiàn)理想的去耦。若將此反捻系統(tǒng)與僅有推力軸承的裝置相比，其去耦功能反倒不如后者，這一結(jié)論，可以引用文獻(xiàn)[3]中給出的數(shù)據(jù)：軸承摩擦力矩0.6～0.9N·m，去耦后的殘余力矩約2N·m，比軸承摩擦力矩大1倍還多。

圖2 文獻(xiàn)[3]中的反捻器硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2 精簡(jiǎn)反捻系統(tǒng)方案

文獻(xiàn)[1-2]中扭矩傳感器測(cè)量值基本反映了吊繩傳遞的全部力矩信息，理論上可以實(shí)現(xiàn)理想去藕，但機(jī)構(gòu)非常復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來比較困難。文獻(xiàn)[3]中，扭矩傳感器測(cè)量結(jié)果中不包含推力軸承摩擦力矩，只反映了吊繩所傳遞的部分力矩信息，無法實(shí)現(xiàn)理想的去耦合，但實(shí)現(xiàn)起來比較容易，選擇低摩擦軸承對(duì)該方案很關(guān)鍵。3個(gè)方案均以吊繩傳遞的全部或部分扭矩的測(cè)量值作為反捻控制的基礎(chǔ)。而吊繩的扭轉(zhuǎn)狀態(tài)需要累積到一定程度后，才能產(chǎn)生被傳感器所敏感的扭矩。因此，以扭矩作為被調(diào)節(jié)量，存在一定的滯后，且要求扭矩傳感器足夠靈敏，否則會(huì)造成解耦作用不夠徹底。

兼顧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成本和靈敏度，本文提出了以電流反饋代替力矩反饋的精簡(jiǎn)反捻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：控制電機(jī)繞組電流為0值或飛輪卸載力矩等效的值(此值由姿控系統(tǒng)卸載邏輯計(jì)算得到)，實(shí)現(xiàn)對(duì)吊籃解耦合或卸荷。吊籃姿態(tài)控制系統(tǒng)的整體框圖如圖3所示，吊繩扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的干擾力矩使反捻電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，此相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)使電機(jī)繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，控制器反饋電流值非0，此時(shí)控制電機(jī)繞組電流值為0，可使反捻電機(jī)產(chǎn)生對(duì)干擾力矩的跟隨力矩，達(dá)到解耦合的目的，此力矩呈交變力矩，交變頻率越高，控制誤差越小。因此，加快反捻器響應(yīng)速度可以遏制反捻殘余力矩的影響。同樣，當(dāng)飛輪轉(zhuǎn)速將達(dá)到飽和時(shí)，卸載邏輯會(huì)根據(jù)飛輪卸載力矩需求計(jì)算出反捻控制器電流命令值，控制反捻電機(jī)實(shí)施卸荷。單獨(dú)對(duì)反捻控制系統(tǒng)而言，解耦合和卸荷的物理實(shí)現(xiàn)過程是一樣的，因此本文后續(xù)通過仿真介紹此反捻控制系統(tǒng)可行性時(shí)以解耦為目標(biāo)。此反捻器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，轉(zhuǎn)子與法蘭盤剛性連接，定子固定在圓柱形外殼底部?？刂破饔秒娏鞣答伌媪肆胤答?，因此不需要外部力矩測(cè)量裝置。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)化，控制簡(jiǎn)單，響應(yīng)快，不會(huì)引入力矩傳感器測(cè)量誤差。圖5為此反捻系統(tǒng)的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖3 吊籃姿態(tài)控制系統(tǒng)整體框圖

圖4 精簡(jiǎn)反捻控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 精簡(jiǎn)反捻控制系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)圖

本方案中的反捻驅(qū)動(dòng)裝置不能用電機(jī)加減速器(減速比為1∶n；(n>1))，否則電流噪聲會(huì)被放大n倍。因此反捻電機(jī)選擇力矩電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器選擇與反捻電機(jī)電壓電流范圍相當(dāng)?shù)囊豢钪悄茯?qū)動(dòng)器。其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)與本文關(guān)系不大，不做闡述。

3 反捻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)電機(jī)電樞回路動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系式，結(jié)構(gòu)力學(xué)關(guān)系式，如式(1)～(4)所示，得到反捻控制系統(tǒng)模型框圖如圖6所示。

(1)

(2)

ωed=ωd-ωG

(3)

TRope=Krop(θd-θBall)

(4)

圖6 反捻控制系統(tǒng)模型框圖

反捻控制器(ACR)采用PI控制，在擾動(dòng)點(diǎn)前后分別是驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的等效一階慣性傳遞函數(shù)，控制器傳遞函數(shù)見式(5)，其中,Ki是積分增益，比例增益Kp=Kiτ。

(5)

圖7是與圖6對(duì)應(yīng)的信號(hào)流圖，其中有3個(gè)獨(dú)立回路L1，L2和L3。輸入分別為力矩(電流)命令Tcmd(icmd)，氣球角速度ωΒαll，吊籃角速度ωG和摩擦力矩Tf，其中后3個(gè)為擾動(dòng)量。輸出量為吊繩力矩值TRope。根據(jù)梅森公式，各輸入(對(duì)于系統(tǒng)來說可看做階躍信號(hào))單獨(dú)作用于系統(tǒng)時(shí)的傳遞函數(shù)如

式(6)～(9)所示(穩(wěn)態(tài)分析時(shí)認(rèn)為τs±1≈1)：

(6)

(7)

(8)

(9)

圖7 反捻控制系統(tǒng)信號(hào)流圖

根據(jù)終值定理(如式(10)所示)，在S域?qū)ι鲜?個(gè)輸入單獨(dú)作用時(shí)輸出的穩(wěn)態(tài)分析如表1所示，此反捻系統(tǒng)可以對(duì)外界擾動(dòng)氣流造成的氣球和吊籃隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)完全解耦。雖不能對(duì)軸承摩擦力矩實(shí)現(xiàn)解耦，但根據(jù)系統(tǒng)對(duì)卸載力矩的跟隨效果，可以外加卸載力矩消除此吊繩殘余力矩。因此,此精簡(jiǎn)反捻控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)去耦合和卸荷的效果。

(10)

本吊籃控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)是重約700kg的吊籃,根據(jù)所選結(jié)構(gòu)進(jìn)行力矩需求分析后，反捻電機(jī)選用國(guó)內(nèi)某研究所特殊定制的J160LYX45力矩電機(jī)，

表1 輸出信號(hào)穩(wěn)態(tài)分析

其詳細(xì)參數(shù)列于表2。由仿真分析計(jì)算得控制器的比例增益Kp=Kiτ=9.48，積分增益Ki=2370/50。需要注意的是Ki值不能取太大，否則式(6)～(9)中傳遞函數(shù)會(huì)出現(xiàn)共軛純虛數(shù)極點(diǎn)，使輸出產(chǎn)生振蕩，得不到理想跟隨效果。

表2 電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

4 反捻器系統(tǒng)級(jí)仿真

根據(jù)第3節(jié)建立的反捻系統(tǒng)模型，設(shè)定初始輸入電流命令值為0；吊籃自身的隨機(jī)轉(zhuǎn)速ωG=4rpm；軸承靜摩擦力矩Tf=0.5N·m；文獻(xiàn)[1]指出高空氣球平流層轉(zhuǎn)速在0.1～0.01rpm之間，我們?cè)?004年做的2次高空氣球項(xiàng)目的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)也顯示氣球的轉(zhuǎn)速保持在這個(gè)范圍之內(nèi)，保守考慮，取氣球做ωBall=0.1rpm的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

對(duì)此反捻系統(tǒng)仿真后得到反饋電流的曲線如圖8所示，曲線在剛開始的前6s內(nèi)超調(diào)比較大，波動(dòng)較劇烈，隨后曲線漸變平緩，大約8s后電流值基本保持在0點(diǎn)附近，整定效果比較理想。在控制過程中吊繩力矩的變化曲線如圖9所示，在剛開始控制的前5s內(nèi)，力矩變化比較劇烈，以后漸變平緩，保持為0.5N·m,與軸承摩擦力值大小相等。驗(yàn)證了上面提到的此反捻控制器無法消除軸承摩擦力矩的結(jié)論。

圖8 反捻控制系統(tǒng)反饋電流曲線

5 反捻器電路級(jí)仿真

上一節(jié)所做的系統(tǒng)級(jí)仿真為了加快仿真速度,

圖9 吊繩力矩變化曲線

圖10 反捻控制系統(tǒng)反饋電流變化曲線

圖11 吊繩力矩變化曲線

對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了理想化的簡(jiǎn)化和近似。本節(jié)則利用Matlab提供的電力電子仿真工具箱，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)用實(shí)際電路模型代替，如圖12所示，評(píng)估其考慮實(shí)際電路特性后對(duì)控制回路的影響。反捻器電流環(huán)(力矩環(huán))控制器輸出的控制參考電壓送入PWM發(fā)生器，將PWM發(fā)生器輸出的脈沖作為門信號(hào)，控制由功率MOS管構(gòu)成的雙臂全橋的通斷，構(gòu)成直流有刷電機(jī)的兩相電源輸入來驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。PWM發(fā)生器基準(zhǔn)頻率取4kHz。圖13給出反捻器電路級(jí)仿真的整體框圖，仿真后得到的反饋電流曲線如圖10所示，與圖8相比，電流值同樣在大于8s后保持在0值附近，但曲線由原來的連續(xù)點(diǎn)變?yōu)榱艘幌盗须x散點(diǎn)，這是由系統(tǒng)自身的連散性決定的。圖11所示是吊繩上力矩值變化曲線，與圖9的控制效果一樣，只是采用電力電子仿真后，由于其內(nèi)部器件對(duì)信號(hào)的延時(shí)比系統(tǒng)級(jí)仿真大，因此控制曲線的脈動(dòng)較理想模型稍小，這符合實(shí)際規(guī)律。

圖12 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)實(shí)際電路模型

圖13 反捻器電路級(jí)仿真整體框圖

6 吊籃姿態(tài)控制仿真

采用此反捻器的吊籃姿態(tài)控制系統(tǒng)的框圖如圖14所示，期望方位角為-22°，初始方位角為0°。從仿真結(jié)果圖15看，方位角實(shí)現(xiàn)了小于0.1°的穩(wěn)定控制。圖16為吊繩扭轉(zhuǎn)角及氣球和反捻器轉(zhuǎn)角曲線，從圖中可以看出在大約15s后氣球和反捻器的轉(zhuǎn)角值相等，吊繩扭轉(zhuǎn)角保持為0值，吊繩無向下傳遞的力矩，即實(shí)現(xiàn)了完全解耦。這表明設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)定指標(biāo)合理可行，且所選定的飛輪電機(jī)和反捻電機(jī)能夠滿足控制需求。

7 結(jié)論

通過對(duì)現(xiàn)有的反捻器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，提出了無需外部測(cè)量裝置工作在電流閉環(huán)模式下的精簡(jiǎn)反捻器設(shè)計(jì)方法。對(duì)反捻器進(jìn)行建模后，首先分別對(duì)不同擾動(dòng)輸入所對(duì)應(yīng)的輸出穩(wěn)態(tài)值的分析證明了此反捻器的理論可行性，然后分別從系統(tǒng)級(jí)和電路級(jí)對(duì)其進(jìn)行了仿真分析，進(jìn)一步論證了其可實(shí)現(xiàn)性以及響應(yīng)快和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。下一步將通過飛行試驗(yàn)驗(yàn)證此高空氣球吊籃姿態(tài)控制系統(tǒng)實(shí)際控制性能和精度。

圖14 吊籃控制系統(tǒng)框圖

圖15 吊籃控制系統(tǒng)控制效果仿真曲線

圖16 吊繩扭轉(zhuǎn)角及氣球和反捻器轉(zhuǎn)角

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 矢島信之，小鍛治繁，橋野賢．氣球搭載望遠(yuǎn)鏡方向控制系統(tǒng)研究[M]．日本：機(jī)械技術(shù)研究所， 1986. (Namiki,Sakura-mura,Niihari-gun,Ibara.ThePointingControlofBalloon-BorneTelescope[M].MechanicalEngineeringLaboratory,Japan,1986.)

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[3] 王鴻輝，袁朝暉，何長(zhǎng)安. 球載吊籃方位控制綜合解耦器設(shè)計(jì)[C].ChineseControlConference(CCC),Xi′an， 2013July.(WangHonghui,YuanZhaohui,HeChangan.DesignofComprehensiveDecouplerforBalloon-borneGondolar’sAzimuthControl[C].ChineseControlConference(CCC),Xi′an，2013July.)

[4] 何琳琳，竇滿峰. 高空氣球吊籃姿態(tài)控制系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)[J]. 微電機(jī)，2006,6(39):77-80.(HeLinlin,DouManfeng.ASortofRealizationontheAttitudeControlSystemofNacelle[J].Micromotors， 2006, 6(39):77-80.)

[5]YuPeijun,XiaKeqiang,LiJiancheng.ADesignofReconfigurableSatelliteControlSystemwithReactionWheelsBasedonErrorQuaternionModel[C].InternationalConferenceonInternetComputing&InformationServices(ICICIS),HongKong，2011Sept.

[6]ToshihikoNakanoYS,MutsumiYamamoto.ThePointingControlMethodofBalloon-BorneTelescope[C].IEEE/SICEInternationalSymposiumonSystemIntegration(Sll),Japan, 2012December.

A Simplified Design of Decoupling Control System in Balloon Gondola

Zhang Dawei1，Zhou Jianghua2，Huang Wanning2

1. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China 2. Academy of Opto-Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China

Asimplifieddecouplingmechanismconsistingofintelligentdriverandtorquemotorwithoutexternaltorquemeasuringdeviceisintroduced.Thisdesignmethod,whichemploystheintelligentdrivertocontrolthetorquemotorincurrentclosedloopmodeandtokeepthewindingcurrentinacertainvalue,canbeusedtoachievethegoaltodecreasethespeedofthewheelmotoranddecoupledisturbancetorques.Bytheanalysisofexistingmethods,asimplifieddesignisimplementedtosimulatethedecouplingmechanisminbothsystemandcircuitlevels,andthenitisproventhatitcanofferacontinuouscontrolwithhighprecisionandreliabilitywhencombiningwithreactionflywheelcontrolsystem.

Balloon-borne；Nacelle；Decouplingmechanism；Torquemotor；Currentclosedloop

2015-10-15

張大偉(1986-)，男，河北人，碩士，主要研究方向?yàn)轱w行器控制與仿真；周江華(1973-)，男，江西人，博士，研究員，主要研究方向?yàn)轱w行器動(dòng)力學(xué)與控制；黃宛寧(1980-)，男，河南人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楦】掌鳒y(cè)控。

V448.2

A

1006-3242(2016)04-0076-07